Введение

В данной работе рассматривается тема «Гидросфера и атмосфера Земли».

Жидкая оболочка Земли, которая покрывает 70,8% ее поверхности, называется гидросферой. Главными резервуарами воды являются океаны. Они содержат 97% мировых запасов воды. Существующие в океанах течения переносят тепло от экваториальных областей к полярным и тем самым в определенной степени регулируют климат Земли. Так, течение Гольфстрим, начинающееся от берегов Мексики и несущее теплые воды до берегов Шпицбергена, приводит к тому, что средняя температура северо-западной Европы значительно выше температуры северо-восточной Канады.

По современным представлениям, наличие больших водоемов на Земле сыграло решающую роль в возникновении жизни на нашей планете. Часть воды на Земле, общим объемом около 24 млн. км 3 , находится в твердом состоянии, в виде льда и снега. Льды покрывают примерно 3% земной поверхности. Если бы эту воду превратить в жидкое состояние, то уровень мирового океана поднялся бы на 62 метра. Ежегодно снегом покрывается около 14% земной поверхности. Снег и лед отражают от 45 до 95% энергии солнечных лучей, что, в конечном итоге, приводит к существенному охлаждению больших участков поверхности Земли. Подсчитано, что если бы снегом укрылась вся Земля, то средняя температура на ее поверхности понизилась от существующей сейчас +15 С до 88 С.

Средняя температура поверхности Земли на 40 С выше той температуры, которую должна иметь Земля, освещенная солнечными лучами. Это опять-таки связано с водой, точнее, с водяным паром. Дело в том, что солнечные лучи, отражаясь от поверхности Земли, поглощаются водяным паром и снова отражаются на Землю. Это называется парниковым эффектом.

Воздушная оболочка Земли, атмосфера, уже изучена достаточно подробно. Плотность атмосферы у поверхности Земли составляет 1,22 10 -3 г/см 3 . Если говорить о химическом составе атмосферы, то главный компонент здесь является азот; его процентное содержание по весу равно 75,53%. Кислорода в атмосфере Земли 23,14%, из других газов наиболее представительным является аргон - 1,28%, углекислого газа в атмосфере всего 0,045%. Этот состав атмосферы сохраняется до высоты 100-150 км. На больших высотах азот и кислород находятся в атомарном состоянии. С высоты 800 км преобладает гелий, а с 1600 км - водород, который образует водородную геокорону, простирающуюся на расстояние до нескольких радиусов Земли.

Атмосфера предохраняет все живущее на Земле от губительного воздействия ультрафиолетового излучения Солнца и космических лучей - частиц высокой энергий, движущихся к ней со всех сторон с почти световыми скоростями.

Рассмотрим подробнее гидросферу и атмосферу Земли.

1. Гидросфера

Гидросфера (от гидро… и сфера) - прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и твердой земной корой (литосферой) и представляющая собой совокупность океанов, морей и поверхностных вод суши. В более широком смысле в состав гидросферы включают также подземные воды, лед и снег Арктики и Антарктики, а также атмосферную воду и воду, содержащуюся в живых организмах. Основная масса воды гидросферы сосредоточена в морях и океанах, второе место по объему водных масс занимают подземные воды, третье - лед и снег арктических и антарктических областей. Поверхностные воды суши, атмосферные и биологически связанные воды составляют доли процента от общего объема воды гидросферы (рис. 1). Химический состав гидросферы приближается к среднему составу морской воды.

Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, тем не менее играют важнейшую роль в жизни нашей планеты, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения. Воды гидросферы находятся в постоянном взаимодействии с атмосферой, земной корой и биосферой. Взаимодействие этих вод и взаимные переходы из одних видов вод в другие составляют сложный круговорот воды на земном шаре. В гидросфере впервые зародилась жизнь на Земле. Лишь в начале палеозойской эры началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу.

Рис. 1. Виды вод гидросферы

2. Атмосфера

Атмосфера Земли (от греч. atmos - пар и sphaira - шар) - газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землей как единое целое. Масса атмосферы составляет около 5,15-10 15 т. Атмосфера обеспечивает возможность жизни на Земле и оказывает большое влияние на разные стороны жизни человечества.

Происхождение и роль атмосферы

Современная земная атмосфера имеет, по-видимому, вторичное происхождение и образовалась из газов, выделенных твердой оболочкой Земли (литосферой) после сформирования планеты. В течение геологической истории Земли атмосфера претерпела значительную эволюцию под влиянием ряда факторов: диссипации (улетучивания) атмосферных газов в космическое пространство; выделения газов из литосферы в результате вулканической деятельности; диссоциации (расщепления) молекул под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения; химических реакций между компонентами атмосферы и породами, слагающими земную кору; аккреции (захвата) межпланетной среды (например, метеорного вещества). Развитие атмосферы было тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, а также с деятельностью живых организмов. Атмосферные газы, в свою очередь, оказывали большое влияние на эволюцию литосферы. Например, громадное количество углекислоты, поступившей в атмосферу из литосферы, было затем аккумулировано в карбонатных породах. Атмосферный кислород и поступающая из атмосферы вода явились важнейшими факторами, которые воздействовали на горные породы. На протяжении всей истории Земли атмосфера играла большую роль в процессе выветривания. В этом процессе участвовали атмосферные осадки, которые образовывали реки, изменявшие земную поверхность. Не меньшее значение имела деятельность ветра, переносившего мелкие фракции горных пород на большие расстояния. Существенно влияли на разрушение горных пород колебания температуры и другие атмосферные факторы. Наряду с этим атмосфера защищает поверхность Земли от разрушительного действия падающих метеоритов, большая часть которых сгорает при вхождении в плотные слои атмосферы.

Деятельность живых организмов, оказавшая сильное влияние на развитие атмосферы сама в очень большой степени зависит от атмосферных условий. Атмосфера задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на многие организмы. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания животными и растениями, атмосферная углекислота - в процессе питания растений. Климатические факторы, в особенности термический режим и режим увлажнения, влияют на состояние здоровья и на деятельность человека. Особенно сильно зависит от климатических условий сельское хозяйство. В свою очередь, деятельность человека оказывает все возрастающее влияние на состав атмосферы и на климатический режим.

Строение атмосферы

Многочисленные наблюдения показывают, что атмосфера имеет четко выраженное слоистое строение (рис. 2). Основные черты слоистой структуры атмосферы определяются в первую очередь особенностями вертикального распределения температуры. В самой нижней части атмосферы - тропосфере, где наблюдается интенсивное турбулентное перемешивание, температура убывает с увеличением высоты, причем уменьшение температуры по вертикали составляет в среднем 6° на 1 км. Высота тропосферы изменяется от 8-10 км в полярных широтах до 16-18 км у экватора. В связи с тем, что плотность воздуха быстро убывает с высотой, в тропосфере сосредоточено около 80% всей массы атмосферы. Над тропосферой расположен переходный слой - тропопауза с температурой 190-220 K, выше которой начинается стратосфера. В нижней части стратосферы уменьшение температуры с высотой прекращается, и температура остается приблизительно постоянной до высоты 25 км - т. н. изотермическая область (нижняя стратосфера); выше температура начинает возрастать - область инверсии (верхняя стратосфера). Температура достигает максимума ~ 270 K на уровне стратопаузы, расположенной на высоте около 55 км. Слой атмосферы, находящийся на высотах от 55 до 80 км, где вновь происходит понижение температуры с высотой, получил название мезосферы. Над ней находится переходный слой - мезопауза, выше которой располагается термосфера, где температура, увеличиваясь с высотой, достигает очень больших значений (св. 1000 K). Еще выше (на высотах ~ 1000 км и более) находится экзосфера, откуда атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство за счет диссипации и где происходит постепенный переход от атмосферы к межпланетному пространству. Обычно все слои атмосферы, находящиеся выше тропосферы, называются верхними, хотя иногда к нижним слоям атмосферы относят также стратосферу или ее нижняя часть.

Все структурные параметры атмосферы (температура, давление, плотность) обладают значительной пространственно-временной изменчивостью (широтной, годовой, сезонной, суточной и др.). Поэтому данные рис. 2 отражают лишь среднее состояние атмосферы.

Слоистая структура атмосферы имеет и много других разнообразных проявлений. Неоднороден по высоте химический состав атмосферы. Если на высотах до 90 км, где существует интенсивное перемешивание атмосферы, относительный состав постоянных компонент атмосферы остается практически неизменным (вся эта толща атмосферы получила название гомосферы), то выше 90 км - в гетеросфере - под влиянием диссоциации молекул атмосферных газов ультрафиолетовым излучением Солнца происходит сильное изменение химического состава атмосферы с высотой. Типичные черты этой части атмосферы - слои озона и собственное свечение атмосферы. Сложная слоистая структура характерна для атмосферного аэрозоля - взвешенных в атмосфере твердых частиц земного и космического происхождения. Наиболее часто встречаются аэрозольные слои под тропопаузой и на высоте около 20 км. Слоистым является вертикальное распределение электронов и ионов в атмосфере, что выражается в существовании D-, Е- и F-cлоев ионосферы.

Состав атмосферы

В отличие от атмосферы Юпитера, Сатурна, состоящих главным образом из водорода и гелия, и атмосферы Марса и Венеры, основного компонента которых - углекислый газ, земная атмосфера состоит преимущественно из азота и кислорода. Атмосфера Земли содержит также аргон, углекислый газ, неон и другие постоянные в переменные компоненты. Относительная объемная концентрация постоянных газов, а также сведения о средних концентрациях ряда переменных компонентов (углекислый газ, метан, закись азота и некоторые другие), относящихся только к нижним слоям атмосферы, приведены в таблице 1.

Наиболее важная переменная составная часть атмосферы - водяной пар. Пространственно-временная изменчивость его концентрации колеблется в широких пределах - у земной поверхности от 3% в тропиках до 2 10 -5 % в Антарктиде. Основная масса водяного пара сосредоточена в тропосфере, поскольку его концентрация быстро убывает с высотой. Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах - около 1,6-1,7 см «слоя осажденной воды» (такую толщину будет иметь слой сконденсированного водяного пара). Сведения относительно содержания водяного пара в стратосфере противоречивы. Предполагалось, например, что в диапазоне высот от 20 до 30 км удельная влажность сильно увеличивается с высотой. Однако последующие измерения указывают на большую сухость стратосферы. По-видимому, удельная влажность в стратосфере мало зависит от высоты и составляет 2-4 мг/кг.

Таблица 1. Химический состав сухого атмосферного воздуха у земной поверхности

Изменчивость содержания водяного пара в тропосфере определяется взаимодействием процессов испарения, конденсации и горизонтального переноса. В результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают осадки атмосферные в виде дождя, града и снега. Процессы фазовых переходов воды протекают преимущественно в тропосфере. Именно поэтому облака в стратосфере (на высотах 20-30 км) и мезосфере (вблизи мезопаузы), получившие название перламутровых и серебристых, наблюдаются сравнительно редко, тогда как тропосферные облака обычно закрывают около 50% всей земной поверхности.

Влияние на атмосферные процессы, особенно на тепловой режим стратосферы, оказывает озон. Он в основном сосредоточен в стратосфере, где вызывает поглощение ультрафиолетовой солнечной радиации, являющееся главным фактором нагревания воздуха в стратосфере. Средние месячные значения общего содержания озона изменяются в зависимости от широты и времени года в пределах 0,23-0,52 см (такова толщина слоя озона при наземных давлении и температуре). Наблюдается увеличение содержания озона от экватора к полюсу и годовой ход с минимумом осенью и максимумом весной.

Существенная переменная компонента атмосферы - углекислый газ, изменчивость содержания которого связана с жизнедеятельностью растений (процессами фотосинтеза), индустриальными загрязнениями и растворимостью в морской воде (газообменом между океаном и атмосферой). Обычно изменения содержания углекислого газа невелики, но иногда могут достигать заметных значений. Последние десятилетия наблюдается рост содержания углекислого газа, обусловленный индустриальным загрязнением, что может иметь влияние на климат вследствие создаваемого углекислым газом парникового эффекта. Предполагается, что в среднем концентрация углекислого газа остается неизменной во всей толще гомосферы. Выше 100 км начинается его диссоциация под влиянием ультрафиолетовой солнечной радиации с длинами волн короче 1690 А.

Одна из наиболее оптически активных компонент - атмосферная аэрозоль - взвешенные в воздухе частицы размером от нескольких нм до нескольких десятков мкм, образующиеся при конденсации водяного пара и попадающие в атмосферу с земной поверхности в результате индустриальных загрязнений, вулканических извержений, а также из космоса. Аэрозоль наблюдается как в тропосфере, так и в верхних слоях атмосферы. Концентрация аэрозоля быстро убывает с высотой, но на этот ход налагаются многочисленные вторичные максимумы, связанные с существованием аэрозольных слоев.

Заключение

гидросфера атмосфера земля оболочка

Каждый из нас из курса природоведения и географии знает, что мы живем на дне воздушного океана - атмосферы.

Самые верхние оболочки Земли - гидросфера и атмосфера - заметно отличаются от других оболочек, образующих твердое тело планеты. По массе это совсем незначительная часть земного шара, не более 0,025% всей его массы. Но значение этих оболочек в жизни планеты огромно. Гидросфера и атмосфера возникли на ранней стадии формирования планеты. Гидросфера и атмосфера - это основные оболочки биосферы.

Биосфера занимает особое место среди сообщества оболочек Земли. Она захватывает верхний слой литосферы, почти всю гидросферу и нижние слои атмосферы. Под биосферой понималась совокупность заселяющей поверхность планеты живой материи вместе со средой обитания. Значимость этой системы выходит за пределы чисто земного мира, она представляет собой звено космического масштаба.

Атмосфера Земли кардинально отличается от атмосфер других планет: в ней низкое содержание углекислого газа, высоко содержание молекулярного кислорода и относительно велико содержание паров воды. Две причины создают выделенность атмосферы Земли: вода океанов и морей хорошо поглощает углекислый газ, а биосфера насыщает атмосферу молекулярным кислородом, образующимся в процессе растительного фотосинтеза. Расчеты показывают, что если освободить всю поглощенную и связанную в океанах углекислоту, убрав одновременно из атмосферы весь накопленный в результате жизнедеятельности растений кислород, то состав земной атмосферы в своих основных чертах стал бы подобен составу атмосфер Венеры и Марса.

Атмосфера состоит из нескольких слоев. Нижний слой - тропосфера. Над разными широтами земли толщина ее разная. Выше тропосферы - тропопауза с постоянной низкой температурой. Выше нее стратосфера до высоты 50 километров. Мезосфера 55-80 километров. Термосфера 80-1000 километров. Экзосфера 1000-2000 километров. Следы газов обнаружены на высоте 20000 километров. Выше 600 километров преобладает гелий, а выше 1600 километров - водород.

В атмосфере Земли насыщенные водяные пары создают облачный слой, охватывающий значительную часть планеты. Облака Земли входят важнейшим элементом в круговорот воды, происходящий на нашей планете в системе гидросфера - атмосфера - суша.

Список используемой литературы

1. Бондарев В.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов вузов. - М.: Альфа-М, 2003. - 464 с.

2. Горохов В.Г. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. - М.: ИНФРА-М, 2003. - 412 с.

3. Игнатова В.А. Естествознание: Учебное пособие. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. - 254 с.

4. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. - М.: Академический проект, 2000. Изд. 2-е, испр. и доп. - 639 с.

5. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов / Под ред. проф. В.Н. Лавриненко, проф. В.П. Ратникова. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - 303 с.

6. Стрельников О.Н. Концепции современного естествознания: Краткий курс лекций. - М.: Юрайт-Издат, 2003. - 221 с.

7. Тимофеева С.С., Медведева С.А., Ларионова Е.Ю. Основы современного естествознания и экологии. - Ростов-на-Дону: «Феникс», 2004. - 384 с. - (Серия «Учебники, учебные пособия»).

8. Хорошавина С.Г. Концепции современного естествознания. Курс лекций. - Ростов н/Д.: «Феникс», 2003. - 480 с.

Подобные документы

Гидросфера – водная оболочка Земли. Распределение водных масс в гидросфере. Ее роль в поддержании относительно неизменного климата планеты. Экологическая угроза. Использование, загрязнение и охрана водных ресурсов. Водопользователи и водопотребители.

реферат , добавлен 24.06.2008


Гипотезы происхождения Земли, их сущность, обоснование и развитие. Особенности процесса формирования внутренних оболочек Земли в процессе ее геологической эволюции, их структура. Возникновение атмосферы и гидросферы Земли и их роль в появлении жизни.

реферат , добавлен 16.03.2011


Ознакомление с идеями Вернадского о биосфере и ее связи с концепцией пространства. Характеристика газовой (атмосфера), водной (гидросфера) и верхней твердой (литосфера) оболочек Земли. Рассмотрение принципов круговорота воды, углерода, кислорода, азота.

презентация , добавлен 01.03.2010


Понятие о гидросфере и литосфере. Атмосфера как воздушная оболочка планеты, её состав. Внутреннее строение Земли. Распределение воды в гидросфере. Роль озонового слоя в атмосфере. Грунтовые и подземные воды. Биосфера как область распространения жизни.

презентация , добавлен 18.10.2015


Понятие круговорота воды в природе и его роль в природе. Сферы Земли и состав гидросферы. Что из себя представляет водная оболочка Земли. Из чего складывается круговорот веществ. Понятие испарения и конденсации. Составляющие годового поступления воды.

презентация , добавлен 09.02.2012


Гидросфера и атмосфера, их функции и особенности взаимодействия. Осуществление круговорота химических элементов как главная задача биосферы. Сущность глобального биотического круговорота, его осуществление при участии всех населяющих планету организмов.

реферат , добавлен 19.09.2014


Становление Земли как планеты, происходящие процессы и их обоснование. Биогеохимическая эволюция состава атмосферы и жизнедеятельности организмов в массообмене газов. Значение атмосферного массопереноса водорастворимых форм химических элементов.

курсовая работа , добавлен 23.08.2009


Общие сведения о Земле. Вопрос ранней эволюции Земли. Атмосфера и гидросфера. Геологическая временная шкала истории Земли, применяемая в геологии и палеонтологии. Химический состав литосферы. Будущее нашей планеты. Биологические и геологические изменения.

реферат , добавлен 21.12.2013


Характеристика основных теорий происхождения Земли: гипотеза Канта-Лапласа и теория Большого Взрыва. Сущность современных теорий эволюции Земли. Образование Солнечной системы, возникновение условий для жизни. Возникновение гидросферы и атмосферы.

контрольная работа , добавлен 26.01.2011


Характеристика понятия гидросферы как совокупности всех водных запасов планеты Земля. Определение границ гидросферы и характеристика физических и химических свойств вод. Циркуляция вод в разных климатических условиях. Структура атмосферы и её циркуляция.

земля планета оболочка атмосфера гидросфера

Гидросфера - это совокупность всех водных объектов Земли (океанов, морей, озер, рек, подземных вод, болот, ледников, снежного покрова).

Большая часть воды сосредоточена в океане, значительно меньше -- в континентальной речной сети и подземных водах. Также большие запасы воды имеются в атмосфере, в виде облаков и водяного пара. Свыше 96% объёма гидросферы составляют моря и океаны, около 2% -- подземные воды, около 2% -- льды и снега, около 0,02% -- поверхностные воды суши. Часть воды находится в твёрдом состоянии в виде ледников, снежного покрова и в вечной мерзлоте, представляя собой криосферу http://ru.wikipedia.org. Основная масса льда располагается на суше - главным образом, в Антарктиде и Гренландии. Общая масса его около 2,42*10 22 г. Если бы этот лед растаял, то уровень Мирового океана повысился бы примерно на 60 м. При этом 10 % суши оказалось бы затопленной морем.

Поверхностные воды занимают сравнительно малую долю в общей массе гидросферы.

История образования гидросферы

Считается, что при разогреве Земли, кора вместе с гидросферой и атмосферой образовались в результате вулканической деятельности - выброса лавы, пара и газов из внутренних частей мантии. Именно в виде пара часть воды поступила в атмосферу.

Значение гидросферы

Гидросфера находится в постоянном взаимодействии с атмосферой, земной корой и биосферой. Циркуляция воды в гидросфере и ее большая теплоемкость уравнивают климатические условия на различных широтах. Гидросфера поставляет водяной пар в атмосферу водяной пар благодаря инфракрасному поглощению создает значительный парниковый эффект, поднимающий среднюю температуру поверхности Земли примерно на 40 °С. Гидросфера влияет на климат и другими путями. Она запасает большие количества тепла летом и постепенно отдает их зимой, смягчая сезонные колебания температуры на континентах. Она переносит, кроме того, тепло из экваториальных районов в умеренные и даже полярные широты.

Поверхностные воды играют важнейшую роль в жизни нашей планеты, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения.

Наличие гидросферы сыграло решающую роль в возникно-вении жизни на Земле. Мы знаем сейчас, что жизнь зародилась в океанах, и прошли миллиарды лет, прежде чем стала обитаемой суша.

Атмосфера

Атмосфера представляет собой газовую оболочку, окружающую Землю и вращающуюся с ней как единое целое. Атмосфера состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения). Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H 2 O) и углекислого газа (CO 2). Содержание азота по объему составляет 78,08 %, кислорода - 20,95% , в меньшем количестве содержаться аргон, углекислота, водород, гелий, неон и некоторые другие газы. В нижней части атмосферы содержится также водяной пар (до 3% в тропиках), на высоте 20-25 км имеется слой озона, хотя его количество невелико, но роль его очень значительна.

История образования атмосферы.

Атмосфера образовалась, главным образом, из газов, выделенных литосферой после формирования планеты. На протяжении миллиардов лет атмосфера Земли претерпела значительную эволюцию под влиянием многочисленных физико-химических и биологических процессов: диссипация газов в космическое пространство, вулканическая деятельность, диссоциация (расщепление) молекул в результате солнечного ультрафиолетового излучения, химические реакции между компонентами атмосферы и горными породами, дыхание и обмен веществ живых организмов. Так современный состав атмосферы значительно отличается от первичного, который имел место 4,5 млрд лет назад, когда сформировалась кора. Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли во времени пребывала в четырёх различных составах. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфер (570-200 млн. л. до н.э.). На следующем этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углеводородами, аммиаком, водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера (200 млн. л.н.- наших дней). Эта атмосфера была восстановительной. Далее процесс образования атмосферы определялся следующими факторами:

· постоянная утечка водорода в межпланетное пространство;

· химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов.

Постепенно эти факторы привели к образованию третичной атмосферы, характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим -- азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

С появлением на Земле живых организмов, в результате фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа, состав атмосферы начал меняться. Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений -- углеводородов, закисной формы железа, содержавшейся в океанах и др. По окончанию данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами.

В течение фанерозоя состав атмосферы и содержание кислорода претерпевали изменения. Так, в периоды угленакопления содержание кислорода в атмосфере заметно превышало современный уровень. Содержание углекислого газа могло повышаться в периоды интенсивной вулканической деятельности. В последнее время на эволюцию атмосферы стал оказывать влияние и человек. Результатом его деятельности стал постоянный значительный рост содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива.

Строение атмосферы.

Атмосфера имеет слоистое строение. Выделяют тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу. На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы -- около 20 %; масса мезосферы -- не более 0,3 %, термосферы -- менее 0,05 % от общей массы атмосферы.

Тропосфера - нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8 - 10 км, в умеренных широтах до 10 - 12 км, на экваторе -- 16 - 18 км. В тропосфере сосредоточено примерно 80--90% всей массы атмосферы и почти все водяные пары. В тропосфере протекают физические процессы, которые обусловливают ту или иную погоду. В тропосфере осуществляются все превращения водяного пара. В ней образуются облака и формируются осадки, циклоны и антициклоны, очень сильно развито турбулентное и конвективное перемешивание.

Над тропосферой находится стратосфера. Стратосфера характеризуется постоянством или ростом температуры с высотой и исключительной сухостью воздуха, почти нет водяного пара. Процессы в стратосфере практически не влияют на погоду. Стратосфера располагается на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11--25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25--40 км от?56,5 до 0,8°С (верхний слой стратосферы). Достигнув на высоте около 40 км значения около 0°С, температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой. Именно в стратосфере располагается слой озоносферы («озоновый слой») (на высоте от 15--20 до 55--60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере.

Важный компонент стратосферы и мезосферы -- О 3 , образующийся в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте ~ 30 км. Общая масса О 3 составила бы при нормальном давлении слой толщиной 1,7--4,0 мм, но и этого достаточно для поглощения губительного для жизни УФ-излучения Солнца.

Следующий слой, лежащий над стратосферой, это мезосфера. Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80--90 км. Температура воздуха до высоты 75--85 км понижается до?88 °С. Верхней границей мезосферы является мезопауза, где расположен температурный минимум, выше температура вновь начинает расти. Далее начинается новый слой, который называется термосферой. Температура в ней быстро растет, достигая 1000 - 2000 °С на высоте 400 км. Выше 400 км температура почти не меняется с высотой. Температура и плотность воздуха очень сильно зависят от времени суток и года, а также от солнечной активности. В годы максимума солнечной активности температура и плотность воздуха в термосфере значительно выше, чем в годы минимума.

Далее расположена экзосфера. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация). Далее экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные час-тицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

Значение атмосферы.

Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания кислородом. Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается физиологическая зона атмосферы.

Плотные слои воздуха -- тропосфера и стратосфера -- защищают нас от поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное действие на организм оказывает ионизирующая радиация -- первичные космические лучи; на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

Озон, находящийся в верхней атмосфере, служит своеоб-разным щитом, охраняющим нас от действия ультрафиолето-вого излучения Солнца. Без этого щита развитие жизни на суше в ее современных формах вряд ли было бы возможно.

Исключительно важно для теории и практики, так как жизнь появилась вместе с гидросферой и тесно связана с ней.

Гипотеза «Горячего» и гидросферы господствовала до середины XX в. Она основывалась на теории астронома П. Лапласа (1749 - 1827), считавшего, что все планеты возникли из солнечного вещества, вырванного силой притяжения пролетавшей недалеко от Солнца звезды. Из сгустков солнечного вещества сформировались планеты, которые затем долго остывали. Земля охлаждалась до тех пор, пока на ее поверхности не образовалась кора, а лишь потом из остывшей атмосферы полились дожди. Вода скапливалась в понижениях, образуя разнообразные водоемы. Таким образом, возраст гидросферы значительно уступал возрасту Земли, а образование гидросферы представлялось сравнительно коротким явлением в жизни планеты. Но постепенно накапливались факты, которые противоречили гипотезе «горячего» формирования Земли и гидросферы.

Ученые установили, что горячая плотная при наличии твердой - образование очень устойчивое, о чем свидетельствует планета Венера, температура атмосферы которой составляет примерно 400° С. К тому же в самых древних из обнаруженных на Земле горных породах, возраст которых около 3,8 млрд. лет, были найдены отпечатки одноклеточных организмов, которые могли существовать только при наличии жидкой воды. Все это подтверждало теорию «холодного» образования планет из пылевого , вращавшегося вокруг Солнца. В этом облаке возникали сгустки, ставшие зародышами будущих планет. Мелкие сгустки захватывались более крупными, которые росли и вбирали в себя основную массу пылевого облака, образуя планеты. По расчетам одного из создателей этой теории В. С. Сафронова, процесс формирования планет начался 4,65 млрд. лет назад.

Современного размера планеты, в том числе Земля, достигли через 100 млн. лет. Тогда на молодой Земле господствовали суровые и холодные , над которыми простиралось черное небо. На поверхность падали небесные тела, но грохота взрывов они не вызывали, так как атмосфера еще не существовала или была очень тонкой. От ударов небесных тел в толще планеты накапливалось тепло, а поверхность без защитной атмосферной оболочки охлаждалась. При ударе небесных тел о Землю образовывался толстый слой реголита - смесь обломков и пыли. Из него-то и состояла поверхность нашей планеты. Среди небесных тел были и кометы - ледяные космические образования. Удары небесных тел о Землю «разогревали» ее изнутри. В результате более тяжелые вещества устремились к ее центру, а легкие и летучие поднялись к поверхности. Этот процесс и дал основное тепло для разогрева недр планеты. Дополнительное тепло возникло благодаря радиоактивному распаду. Оно плавило породы в глубине планеты. В результате через жерла и гигантские трещины, образовавшиеся на Земле, на поверхность стала изливаться расплавленная - , а вместе с ней — , горячая юла, водяные пары, которые быстро конденсировались. Этот процесс назван дегазацией. Она началась 4 млрд. лет назад, о чем свидетельствуют самые древние горные породы, найденные на Земле. Атмосфера и обязаны своим образованием дегазации, которая продолжается и сейчас на нашей планете. С момента излияния магмы и дегазации отсчитывается геологическая . Этот период считается началом формирования гидросферы. Недавнее открытие в пылевых космических облаках воды в молекулярном виде, а также частичек льда означает их присутствие в первоначальном веществе Земли, масса которой пополнялась за счет падения комет. Не исключено, что при ударах небесных тел ледяные частички расплавлялись и вода вытеснялась на поверхность планеты еще в догеологический период. При этом она заполняла поры реголита, покрывавшего поверхность Земли. Таким образом, формирование гидросферы могло начаться еще в догеологический период жизни нашей планеты.

Происхождение гидросферы и история океанических вод

Этапы эволюции гидросферы

Основные причины и типы колебаний уровня моря. Изменения уровня океана в геологическом прошлом

Происхождение и эволюция атмосферы

Причины изменения климатов

Климаты Земли в геологическом прошлом

1. Происхождение гидросферы и история океанических вод

Мировой океан как основная составляющая часть гидросферы занимает361 млн. км 2 (около 71% земной поверхности), обладая огромным объемом воды(1,37 млн. км 3 ), что составляет94% объема всей гидросферы Земли. Вокеане масса солей составляет 4,8-10 18 т . В каждом литре морской воды растворено всреднем 35 г солей . 97% солености вод океана обусловлено4 ионами: хлоридом (55,2%), натрием (30,4%), сульфатом (7,7%) и магнием (3,7%). Вообще в морской воде содержится около 80 химических элементов, однако только 12 из них имеют концентрацию свыше 1 млн. -1 (хлор, натрий, магний, сера, кальций, калий, бром, углерод, стронций, бор, кремний, фтор).

Мировой океан появился на нашей планете более 1 млрд. лет назад и претерпел сложную эволюцию. Его история за последние 150 млн. лет более детально изучена в связи с глубоководным бурением.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ГИДРОСФЕРЫ. История воды связана с историей летучих веществ. Согласно современным представлениям пары воды и газы первичной атмосферы некогда находились в недрах Земли и поступили на ее поверхность в результате внутреннего разогрева с наиболее легкоплавкими веществами мантии в процессе вулканической и магматической деятельности. Длительное время считалось, что первично расплавленная Земля на ранних этапах своего развития была окутана мощной атмосферой с парами воды, а при последующем охлаждении произошла конденсация паров в жидкую воду, при этом она первоначально была пресной. Соленой и минерализованной океаническая вода стала позже, в результате сноса растворенных веществ с поверхности континентов. Но подобные представления о формировании гидросферы, имевшие в свое время большую популярность, противоречат полученным новейшим данным.

Поскольку вода относится к летучим веществам нашей планеты, то естественно, что ее история связана с судьбой других летучих. Если сравнить количество летучих в составе верхних геосфер Земли с тем количеством, которое могло освободиться в процессе выветривания и переработки пород земной коры, то получится большая разница, которая названа избытком летучих. Избыток летучих по отдельным компонентам в десятки и даже сотни раз превышает количество, поступившего в результате выветривания коренных пород литосферы. Например, в избытке летучих углекислого газа в 83 раза, а хлора в 60 раз больше, чем это могло бы поступить из первичной земной коры при ее выветривании и переработке.

Проведенные расчеты убедительно свидетельствуют о том, что природные газы глубин Земли играли исключительно важную роль в образовании верхних оболочек нашей планеты. Эта роль видится еще более очевидной, если сравнить состав избытка летучих с составом газов вулканов и изверженных горных пород. Сопоставление соответствующих геохимических данных говорит о том, что состав избытка летучих в главных чертах близок к составу вулканических газов, возникающих и выделяющихся из мантии Земли.Значит происхождение вод Мирового океана и газов атмосферы связано с процессами дегазации мантии Земли .

Таким образом, океан возник из паров мантийного материала, которые выделялись совместно с излияниями основных лав на поверхность первичной Земли.

ИСТОРИЯ ОКЕАНИЧЕСКИХ ВОД. Вулканические и интрузивные породы составляют не менее 90% современной земной коры, а глубже 10-30 км верхняя оболочка Земли целиком слагается магматическим материалом, поступившим с еще больших глубин.

В настоящее время на нашей планете около 800 действующих вулканов, приуроченных к сейсмическим поясам. В недалеком прошлом вулканическая деятельность была интенсивнее. По данным Г. Менарда, только на дне Тихого океана существует около 10000 вулканических подводных гор (высотой более 1 км), на дне Атлантического океана - около 4000 вулканов и т.д. По статистическим расчетам установлено, что в течение последних 180 млн. лет на поверхность Земли ежегодно выносилось в среднем 30 км 3 вулканического материала. Причем около 75% вулканических пород накапливалось на дне океанов, 20% - на островах в зонах перехода от океанов к континентам и только 5% на суше. Если учесть, что океаны занимают 71% поверхности Земли, нетрудно подсчитать, что примерно 3/4 вулканических пород приходится на базальтовые плащи, подстилающие океаны.

По непосредственным наблюдениям и расчетам количество воды (в виде паров), выделяющейся при известных вулканических извержениях базальтов, колеблется обычно в пределах 3 – 5%, а в ряде случаев до 8% по отношению к массе излившихся пород.

Все эти данные позволяют утверждать, что излияние базальтов всегда приносило в результате дегазации на земную поверхность в среднем 7% ювенильной воды в виде водяного пара. На поверхность Земли (на первых этапах ее эволюции) из ее глубин поступали также различные газы – СН 4 , СО, СО 2 , Н 3 ВО 3 ,NH 3 ,S,H 2 S,HC1,HF, и небольшое количество инертных газов. Среди вулканических газов, формировавших первичные атмосферу и гидросферу, на первом месте стояли пары воды и углекислый газ. Если температура поверхности новорожденной Земли превышала 100°С, то вода некоторое время в парообразном состоянии формировала атмосферу. При падении температуры ниже 100°С, что вероятно происходило в полярных областях, началась конденсация воды и образование первичных водоемов. Условия поверхности планеты стали подчиняться широтной зональности. Начался круговорот воды на поверхности земного шара, который привел к выносу ряда химических элементов с поверхности первичных участков суши в рождающиеся водоемы.

Первые порции воды вулканического происхождения на поверхности Земли были кислыми . Они характеризовались присутствием тех анионов, которые и сейчас находятся в морской воде, за исключением ионаSO 4 2- , возникшего позже, в связи с созданием в биосфере окислительной обстановки. Значит, первые конденсированные воды на Землебыли минерализованы , а собственно пресные воды гидросферы возникли несколько позже, в результате испарения с поверхности водоемов.

Сильные кислоты, входившие в состав ювенильных вод, интенсивно разрушали первичные алюмосиликатные породы, извлекая из них щелочные и щелочноземельные элементы, а также катионы двухвалентных - железа и марганца. Поверхность суши омывалась кислыми дождями и была местом гидролиза и гидратации соответствующих минералов. Такие же процессы, но несколько иного масштаба, происходили на дне водоемов, куда сносились первые продукты выветривания. При круговороте воды происходил вынос катионов Na + ,K + ,Mg 2+ , Са 2+ из литосферы и значительная их часть стала задерживаться в океане. В связи с этим можно считать, чтобольшая часть катионов океанической воды возникла как продукт выветривания первичной литосферы .

Восстанавливая эволюцию гидросферы, следует отметить динамический характер всей водной оболочки Земли в целом. В современных условиях в течение 3000 лет количество испарившейся воды, вовлеченной в круговорот, равно массе воды Мирового океана, а в течение 9 млн. лет процесс фотосинтеза перерабатывает массу воды, равную всему океану . В процессе круговорота воды в биосфере происходит обмен ее частей разной интенсивности в пределах конкретных скоплений (водоемы, ледники, реки, подземные воды). Как уже отмечалось, самая низкая активность водообмена в гидросфере приходится на ледники (8000 лет), а наибольшей активностью, после атмосферной влаги, характеризуются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней.

Гидросфера

Вода на Земле имеет практически повсеместное распространение. Она образует самостоятельную оболочку. Которая называется гидросферой. Эта оболочка проникает во все остальные сферы Земли, поскольку она, как и вода, является «всюдной». Здесь дается широкое толкование гидросферы, в состав которой включаются все виды природных вод. Гидросфера охватывает воды Мирового океана, поверхностные воды, атмосферные воды, наземные и подземные льды, все виды воды земных недр и биогенные воды, то есть можно выделить надземную, наземную и подземную гидросферу.

Предметом изучения гидрогеологии является подземная гидросфера – это наиболее сложная водная земная оболочка. Ее сложность объясняется несколькими обстоятельствами: 1) весьма тонким слоем подземной гидросферы, доступной для изучения (до 5-12 км); 2) наличием в подземной гидросфере кроме жидкой, твердой и парообразной фаз нескольких специфических видов воды (физически связанных, химических связанных и др.); 3) специфическими и разнообразными условиями и процессами взаимодействия воды с водовмещающей средой (породами, газами, живыми организмами). При всем этом следует помнить, что подземная гидросфера является первичной по отношению к наземной и надземной водной оболочками. Сначала образовались подземные воды, которые в процессе эволюции Земли перешли в наземное и надземное состояние. Постепенно характер водообмена между оболочками приобрел современный вид.

Обособление оболочек Земли произошло около 4 млрд. лет назад. По гипотезе американских ученых 4,25 млрд. лет назад Земля столкнулась с космическим объектом величиной с Марс. От столкновения поверхностный слой Земли толщиной 1000 км расплавился, Земля получила импульс и закрутилась вокруг своей оси с эклиптикой 23 0 , что стабилизировало земные сутки (24 часа). 90% вещества космического тела было поглощено Землёй, а 10% образовало “кольцо” подобное Сатурну, которое потом собралось и образовало Луну. Вначале она была в 15 раз ближе к Земле. Всё это и привело к обособлению оболочек Земли. За счет разогревания вещества мантии, по мнению академика А.П. Виноградова, произошло его разделение на две фазы: тугоплавкую (дуниты) и легкоплавкую (базальты).

В ходе этого процесса к поверхности Земли устремились наиболее летучие компоненты базальтовой магмы – пары воды и газы. Механизм этого грандиозного процесса выплавления и дегазации мантии А.П. Виноградовым был воспроизведен экспериментально (зонное плавление). В мантии содержится примерно 20·10 8 т. воды, причем 7,5 – 24% этого количества мигрировало в земную кору и Мировой океан, т.е. участвовало в создании гидросферы. Из космоса с метеоритами могло поступить 1·10 4 т., т.е. на 4 порядка меньше. Верхние слои атмосферы могли дать воды еще меньше (серебристые облака, открытые Вернадским).

Таким образом, мантия – единственный источник воды на Земле.

1. Эволюция гидросферы началась на рубеже архея – протерозоя, когда установилось динамическое равновесие между водой и газами. В это же время образовался гранитный слой, обособились геосинклинали и платформы, возникли континентальные моря. Все это положило начало атмосфере и регулярному гидрологическому круговороту воды.

По А.П. Виноградову летучие вещества стали источником анионов солевой массы океанической воды, а все главные катионы образовались при разрушении горных пород.

На раннем этапе в атмосфере почти не было кислорода, а были CO 2 , NH 3 , NH 4 , H 2 S, НСl и др.

2. Примерно 2,0 – 2,7 млрд. лет назад произошла смена восстановительных условий в атмосфере и на поверхности на окислительные, причем источником О 2 , явились фотохимические реакции с Н 2 О и СО 2 в верхних слоях атмосферы.

3. Возникновение жизни. В связи с интенсивными космической и ультрафиолетовой радиацией образовались сложные органические соединения из CH 4 , NH 3 , H 2 , H 2 S, CO 2 , H 2 O и др., и на их базе на определенной глубине в океане (под экраном слоя воды) развивались простейшие организмы, а на суше их не было (так как еще не существовал озонный экран. Образование его вызвало первый глубокий биологический переворот, так как восстановление Н 2 О в процессе жизнедеятельности привело к освобождению свободного кислорода, что явилось началом формирования современной кислородно-азотной атмосферы и озонного экрана, и жизнь смогла развиваться на суше. В результате образования атмосферы прекратился радиогенный и фотогенный синтез сложных органических молекул.

4. В раннем палеозое сформировалось НСО 3 – СОˉ 3 равновесие, которое обеспечило стабильность состава вод океана. С появлением жизни на Земле изменились процессы выветривания в сторону усиления под влиянием СО 2 . В результате фотосинтеза кислород в атмосфере в настоящее время возобновляется за 2 – 3 тыс. лет, а углекислота за 350 – 500 лет (без учета современного парникового эффекта), а вся вода Мирового океана проходит через фотосинтезирующие растения за несколько миллионов лет.

5. Образование пресной воды на Земле .

Основными факторами появления пресной воды на Земле являются возникновение жизни, образование современной атмосферы, расчленение земной коры на платформы и геосинклинали. Все это имеет возраст 2,5 – 3,0 млрд. лет. Именно возникновение большого гидрологического круговорота воды привело к образованию пресных подземных вод, образовавшихся из атмосферных осадков.

Относительно состава вод Мирового океана существуют неоднозначные мнения. Одни считают, что он сформировался в раннем палеозое. Другие являются сторонниками значительных изменений состава даже за последние 0,5 -0,6 млрд. лет. Например, Ю.П. Казанский установил 5 гидрогеологических типов океанических вод в процессе эволюции гидросферы от архея до кайнозоя, а современный сульфатно-хлоридный натриево-кальциевый состав появился по его данным, в Перми. Наряду с водообменом между мировым океаном и подземной гидросферой происходил и происходит солеобмен. Состав Мирового океана отражает условия предыдущих эпох, а за счет огромных водных масс он слабо реагирует на воздействие извне. Не меняется изотопное отношение Н 2 /Н 1 и О 18 /О 16 за 300 – 500 млн. лет. Это постоянство используется в качестве стандарта среднеокеанической воды SMOW (Standart middle ocean water).