84754

Землеведение: курс лекций

Книга

Естествознание и природоведение

У биологии это органическая жизнь у геохимии химические состав Земли у геологии её недра у геофизики физические свойства планеты а у географии земная поверхность как неразрывный комплекс естественного и социального происхождения.

Русский

2015-03-21

789.5 KB

28 чел.

ПРИДНЕСТРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени Т.Г. ШЕВЧЕНКО

Естественно-географический факультет

кафедра общего землеведения

САДЫКИН А.В.

ЗЕМЛЕВЕДЕНИЕ

Курс лекций

Учебное пособие

для студентов университетов по специальности

012500 - ГЕОГРАФИЯ

Тирасполь  - 2008

УДК 911.2(075.8)

ББК Д820я73

С 14

Рецензенты: д.г.-м.н. Романов Л.Ф., к.г.н. Капитальчук И.П.

Садыкин А.В.

С 14 Землеведение: курс лекций/Учебное пособие для студентов университетов по специальности 012500 – География. -  Тирасполь, 2008 . – 118 с.

Рассмотрены строение, происхождение и функционирование географической оболочки – взаимосвязанной и взаимопроникающей друг в друга системы собственно земных образований (литосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы). Географическая оболочка представлена как биокосная система, являющаяся результатом постоянного взаимообусловленного обмена живого и косного вещества, существующего с момента образования планеты Земля, а также с процессами и явлениями окружающего космического пространства.

Учебное пособие предназначено для студентов естественно-географических факультетов университетов, обучающихся по специальности 012500 – География.

Рекомендовано Научно-методическим советом ПГУ им. Т.Г. Шевченко

Протокол №  8  от  1 апреля 2009г.

Счастлив тот, кто вещей познать сумеет причины,

…как всё из этих первейших

    произошло, и как сам стал юный мир разрастаться.

Вергилий (70-19 гг. до н.э).

ВВЕДЕНИЕ

          Термин «землеведение» появился в середине XIX в. при переводе трудов немецкого географа К.Риттера русскими переводчиками под руководством П.П.Семенова-Тян-Шанского. Это слово имеет сугубо русское звучание. В настоящее время в иностранных языках понятию «землеведение» отвечают разные термины и его дословный перевод подчас затруднителен. Нами уже высказалось мнение, что, термин «землеведение» введен русскими исследователями как наиболее полно отражающий сущность переводимых описаний. В связи с этим вряд ли правильно утверждать, что «землеведение» имеет иностранное происхождение и введено К. Риттером. В работах Риттера такого слова нет, он говорил о познании Земли или общей географии, а русскоязычный термин – это плод русских специалистов.

          Землеведение как системное учение сложилось главным образом на протяжении ХХ века в итоге исследований крупнейших географов и естествоиспытателей, а также обобщений накопленных знаний. Однако его первоначальная направленность заметно трансформировалась, пройдя путь от познания фундаментальных природно-географических закономерностей к исследованию на этой основе «очеловеченной» природы в целях оптимизации окружающей (природной или природно-антропогенной) среды и управления ею на планетарном уровне, имея благородную задачу – сохранение всего биологического многообразия.

          Рассматривая землеведение как фундаментальную естественную науку географического профиля, необходимо обратить внимание на главный методический прием исследования географических объектов – пространственно-территориальный, т.е. изучение любого объекта в его пространственном расположении и взаимосвязи с окружающими объектами. В связи с этим особо подчеркнем, что географическая оболочка – понятие объемное, где территория с ее глубиной (недрами и водами) и высотой (воздухом) формируется совместно под действием географических процессов и явлений, постоянно изменяющихся во времени.

Землеведение принадлежит к числу фундаментальных естественных наук (астрономия, космология, физика, химия). Происхождение и развитие космических тел и их систем изучает космогония (планетная, звёздная и галактическая). Астрономия – изучает строение и развитие космических тел и их систем.

          Итак, землеведение – фундаментальная наука, изучающая общие закономерности строения, функционирования и развития географической оболочки в единстве и взаимодействии с окружающим Миром в пространстве и во времени.

Предметом изучения землеведения является географическая оболочка. Она исследуется как часть планеты и Космоса, которая находится под властью земных сил и развивается в процессе сложного космического планетарного взаимодействия.

В системе географических дисциплин землеведение играет особую роль. Науки о Земле это геология, география, общая биология, экология и др. Землеведение является наукой, объединяющей информацию обо всех процессах и явлениях, происходящих после формирования планеты их межзвёздной туманности. За это время на нашей планете возникли земная кора, воздушная и водная оболочки, в разной степени насыщенные живым веществом. В результате их взаимодействия по периферии планеты сформировалась специфическое образование – географическая оболочка.

У каждой науки различаются объект изучения и предмет изучения. При этом предмет изучения становится объектом изучения целой системы наук на более низкой классификационной ступени (Мильков Ф.Н., 1990). Таких таксонов четыре:

  •  Цикл наук о Земле;
  •  Семейство географических наук;
  •  Род физико-географических наук;
  •  Вид ландшафтоведческих наук.

В цикл наук о Земле входят геология, геофизика, география, геохимия и биология. У всех этих наук один объект изучения – Земля, но каждая из них имеет свой предмет изучения. У биологии это органическая жизнь, у геохимии – химические состав Земли, у геологии её недра, у геофизики – физические свойства планеты, а у географии – земная поверхность как неразрывный комплекс естественного и социального происхождения.

Семейство географических наук образуют физическая и экономическая география, страноведение, картография, история и методология географической науки. Все они имеют один объект изучения – земную поверхность, предметы же изучения – разные. Предметом изучения физической географии служит географическая оболочка Земли, экономической географии – хозяйство и население в форме территориальных социально-экономических систем. Картография это наука о создании карт. Страноведение изучает природу, население и хозяйство отдельных стран. История и методология географической науки изучает историю географических идей и история становления современных методологических основ географической науки.

Род физико-географических наук представлен общим землеведением, ландшафтоведением, страноведением, палеогеографией и частными отраслевыми науками (геоморфология, климатология, гидрология, география почв, биогеография). Эти разные науки объединяет один объект изучения – географическая оболочка; предмет же изучения каждой из наук специфичен, индивидуален – это какая-либо одна из структурных частей или сторон географической оболочки. Предметом изучения общего землеведения являются структура, внутренние и внешние взаимосвязи, динамика функционирования географической оболочки как целостной системы. Общее землеведение тесно связано с ландшафтоведением. Предметом изучение ландшафтоведения является тонкий, наиболее активный центральный слой географической оболочки – ландшафтная сфера, состоящая из природных территориально-аквальных комплексов разного ранга.

Вид ландшафтоведческих наук включает ландшафтное страноведение, общее ландшафтоведение, морфологию ландшафтов, картирование  ландшафтов, геофизику ландшафта, геохимию ландшафта и биофизику ландшафта. Объектом изучения ландшафтоведческих наук является ландшафтная сфера, а предмет изучения – различен.

ГЛАВА 1

ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЗЕМЛЕВЕДЕНИЯ

Истоки землеведения были заложены в глубокой древности. Древние мыслители описывали не только окрестности. Задолго до религиозных учений и представлений о божественном начале природы и жизни существовали взгляды на окружающий мир. Так постепенно, складывались понятия и представления, многие из которых носили, несомненно, землеведческий характер.

Донаучный период. Египтяне и вавилоняне прогнозировали время наступления наводнений в зависимости от расположения звёзд, греки и римляне измерили Землю и установили её положение в Космосе. Мегалитические культуры неизвестных народов использовали закономерности движения Земли и положения планет и звёзд для своих идеологических воззрений и построений культовых сооружений. Эти достижения характеризуют донаучный период познания и становления географических знаний.

Доантичный период. Древний Вавилон и Египет дали примеры использования достижений астрономии, космологии и математики в практической жизни народов. Здесь возникли учения о происхождении мира (космогония), и его строения (космология).

Вавилоняне установили правильную последовательность планет, сформировали звёздное астральное мировоззрение, выделили знаки зодиака, ввели 60-ричную систему исчисления, лежащую в основе градусной меры и шкалы времени, установили периоды повторяемости солнечных и лунных затмений. В Египте были разработаны основы прогнозирования Нильских разливов. Создан солнечный календарь, точно определена продолжительность года и выделено 12 месяцев. Финикийцы и карфагеняне применили знания астрологии для навигации и ориентирования по звёздам.

Античный период. В античное время было составлено представление о геоцентрическом строении мира (Птолемей, 165-87 гг. до н. э.), введены понятия «Вселенная» и «Космос», даны правильные оценки формы и размеров Земли. В это время сложилась система наук о Земле (Страбон, Плиний Старший, Гиппарх, Птолемей, Эратосфен).

Период Средневековья и Возрождения. Это время великих географических открытий (с конца XV в.). Практически доказана шарообразность Земли, единство вод Мирового океана, впервые создан глобус. Коперник обнародовал свою гелиоцентрическую систему строения Вселенной, а Д.Бруно высказал идею о бесконечности Вселенной. В океанах обнаружены течения (Гольфстрим), зоны штилей и муссонов. Меркатор предложил новую проекцию и создал очень удобную для навигации мировую карту. В этот период появляются географические описания. Создана зрительная труба, термометр, барометр, что позволило приступить к развитию экспериментальной географии.

XVI-XVII вв. – начало формирования землеведения. Б.Варениус (1650) записал, что «всеобщая география называется та, которая рассматривает Землю вообще, изъясняет её свойства, не вступая в подробное  стран описание». Эта работа считается официальным началом землеведения. Р. Декарт (1664 г.) дал естественнонаучное объяснение происхождения Земли. Середина XVIII в. – появилась теория мироздания и образования Солнечной системы И.Канта (1755).

1-я половина  XIX в. огромный вклад  внесли в развитие географических понятий и закономерностей А. Гумбольдт и К.Риттер. А. Гумбольдт (1769-1859) создал 5-томный труд «Космос» по сравнительному землеведению. Он ввёл понятия «земной магнетизм», «магнитный экватор», заложил основы палеогеографии и биогеографии и др. Он установил изменение атмосферного давления в зависимости от широты и высоты места и времени года и др., заложил основы научной геохимии.

К.Риттер (1779-1859) считается основателем современной географии. Он сформулировал материалистический взгляд на природу как на совокупность всех вещей, «существующих вблизи и вдали от нас, соединённых временем и пространством в стройную систему». В 1862 г. он создал первый курс землеведения, основой которого  он считал физическую географию. Он обосновал понятия «земное пространство» как целостное трёхмерное единство и один из объектов физической географии и «ландшафт» в его современном значении. Учёным разработано представление о рельефе как о пластике и концентрации земной поверхности, создана классификация крупных форм рельефа, введены понятия «нагорье», «плоскогорье», «горная страна» и др.

2-я половина XIX в. Наибольшая роль в это время принадлежит российским исследователям.

А.И. Воейков (1842-1916) известен как основоположник климатологии.

В.В. Докучаев (1846-1903) исследовал взаимосвязь природных явлений. Он разработал понятие «природный комплекс» - как самостоятельное естественноисторическое тело и продукт взаимодействия климата, живых организмов и материнских горных пород.

Г.Н. Высоцкий (1865-1940) внёс существенный Влад в понимание процессов функционирования природных комплексов.

Л.С. Берг (1876-1950) обосновал понятие «ландшафтная зона» и разработал классификацию СССР на географические (ландшафтные) зоны. Он заложил основы ландшафтно-географического районирования.

А.Н. Краснов (1862-1914) известен как основоположник конструктивного землеведения. Ему принадлежит классификация климатов и растительного покрова Земли и др. К пониманию зональности географических процессов и явлений он подошёл до открытия В.В. Докучаевым закона мировой зональности и описаний Л.С. Бергом ландшафтных зон. Он создал учебник «Общее землеведение».

В.И. Вернадский (1863-1945) создал учение о биосфере.

Начало и середина XX в. А.А. Григорьев (1883-1968), С.В. Калесник (1901-1977), К.К. Марков (1905-1980) и др. учёные вывели землеведение на современный путь развития. А.А.Григорьев ввёл понятия «географическая оболочка» и «единый  физико-географический процесс». С.В. Калесник издал учебник землеведения с новыми данными о свойствах географической оболочки. География  продолжала дифференцироваться. К.К. Марков исследует ледниковый покров, М.И. Будыко – географические зоны и высотную поясность, А.С. Монин – историю климата и др. В эти годы установлен периодический закон географической зональности Григорьева-Будыко, появилось космическое землеведение, экологическая география и др.

ГЛАВА 2

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В ЗЕМЛЕВЕДЕНИИ

Научное исследование включает два уровня знаний: эмпирический (опыт) и теоретический. Это разграничение не имеет чётких границ.

2.1. Эмпирические знания

Эмпирические знания включают следующие этапы: получение информации; обработка информации и простейшие обобщения информации.

Исходным этапом является сбор информации. Известный физиолог И.П. Павлов говорил: «Факты – воздух учёного». По мнению академика А.Е. Ферсмана, «для естествознания факт, правильно наблюдаемый, точно описанный и продуманно составленный, - основа работы и залог успеха».

Вся информация делится на первичную, получаемую путём натурных измерений или наблюдений, и вторичную, которая является результатом обработки первичной информации. Первичная информация представляет собой базы данных по многим физическим величинам (температура, солнечная радиация, концентрация химических элементов), характерным для определённого участка земной поверхности. Вторичная информация выдаётся обычно в виде определённых величин (например, средняя температура за май) и может быть представлена в виде описаний (обобщений) сводок, графиков, таблиц и др.

Информация должна отвечать на вопросы: что, где, сколько, как. Следует различать понятия «методы» и «средства» получения и обработки информации. Методы должны отвечать на вопрос: как достичь результата, а средства – определять, с помощью чего, возможно, это достижение.

Наиболее важными свойствами являются надёжность, релевантность и кондиционность.

Надёжность (качество) информации зависит от ряда факторов надёжности исполнителей, парка и свойства используемых технических средств регистрации и обработки данных, методов работы, организации наблюдений, сбора, систематизации и хранения данных. Критериями надёжности служат полнота, точность и достоверность информации.

Полнота зависит  от пространственной и временной плотности (густоты) точек  измерений (наблюдений).

Точность информации подразумевает точность пространственного положения точек наблюдения и пограничность определения физической величины.

Достоверность означает отсутствие дезинформации, которая может быть субъективной (перепутывание событий и неверное толкование) и объективной, полученной в результате эксперимента, когда исследователь базируется на недостоверных данных. Отсюда известное всем географам правило – «пишу, что вижу».

Один из путей повышения надёжности – дублирование источников информации.

Релевантность  рассматривается как пригодность данных к решению конкретной задачи.

Кондиционность  информации означает её соответствие заданию, которое было составлено в начале наблюдений, и где была указана номенклатура необходимых данных.

Со временем сложилась определённая система сбора информации, составляющая основу общих методов изучения географической оболочки.

По способу получения информации выделяют экспериментальные и теоретические методы, по месту наблюдения – полевые и камеральные, по используемой технике – визуальные и инструментальные, по характеру информации – количественные и качественные. Особое положение занимают лабораторные методы исследования, включающие работу в стационарных условиях.

Следует различать понятия «наблюдение» и «измерение».

Наблюдения. Наблюдение с древних времён было первоисточником знаний об окружающем мире. Оно даёт сведения о географическом объекте в природной среде. К таким объектам относятся радуга, извержение вулкана и др., свойства, которых мы наблюдаем. Но поскольку все географические объекты материальны, то они обладают определённым набором физических свойств, которые мы можем инструментально измерить (температура, давление, скорость звука и др.). В основе измерений лежат физические законы.

Измерение. Среди измерений выделяют контактные и бесконтактные.

К контактным относятся измерения, при которых измеритель непосредственно контактирует с измеряемым объектом (например, измерение температуры воды, почвы, воздуха при помощи термометра). Они составляют основу наблюдений географических объектов. Это измерения, проводимые в экспедициях, в метеорологической сети и др., то есть в определённых точках (стационарные наблюдения) географического региона.

К бесконтактным (дистанционным) относятся методы, которые осуществляются с помощью дистанционных измерителей параметров, т.е. на расстоянии (например, аэрокосмические исследования, фотосъёмка в различных диапазонах и др.). Результаты  дистанционных измерений обычно представляют в виде изображений (снимков), которые затем дешифруются для удобства работы с информацией.

Эксперименты. Это измерения в контролируемых условиях по заранее составленной программе. Выделяют натурные и модельные эксперименты.

Натурные эксперименты связаны с целенаправленным сбором информации об исследуемых географических процессах и явлениях, организацией направленных воздействий на природные системы и изучением реакций систем на них. Они реализуются в природных условиях с целью приблизить географический объект к его естественному окружению.

Модельные эксперименты осуществляют на аналогах определённых природных систем в лаборатории или на ЭВМ. Модель – это упрощённое воспроизведение изучаемого объекта в виде физической конструкции, совокупности математических формул, карт и др.

Модели подразделяются на стационарные и нестационарные (динамические). Они бывают физические и математические. Среди успешно действующих математических моделей – циркуляционные процессы в атмосфере и океане, изменение уровня Мирового океана, колебания климата и др.

2.2. Теоретические знания

Обобщение эмпирических фактов вплоть до формирования законов и теорий осуществляется на теоретическом уровне и включает следующие действия:

  •  Абстрагирование, необходимое для того, чтобы во множестве конкретных наблюдений обнаружить нечто общее, типичное;
  •  Анализ, состоящий в исследовании результата абстрагирования, часто изолированно от других явлений;
  •  Синтез, который объединяет в целостную систему множество частных абстракций.

Наибольшее значение для землеведения имеют два принципа:

  •  Идиографический – основан на выявлении особенностей и отличий;
    •  Номотетический – основан на установлении всеобщего и общего в частных явлениях.

Необходимо учитывать и другие подходы к изучению географических явлений и процессов.

Принцип историзма определяет исследование природы земной поверхности через историю её развития. Он позволяет на основании анализа современной ситуации воспроизводить условия в прошлом 0 принцип актуализма.

Принцип всеобщей связи явлений устанавливает невозможность независимого существования явлений на земной поверхности.

Принцип симметрии определяет, что в основе построения мира находится симметрия.

Принцип экологический применяется, если один объект рассматривается в качестве среды для другого. Субъектом (организм, вид, биоценоз, атмосфера, почва) называется то, ради чего изучается среда. Объектом (средой) является то, что влияет на состояние субъекта.

Принцип научной идеализации подразумевает, что объекты изучения общего землеведения часто сложны и велики, что непосредственно исследовать их невозможно. В этом случае реальные объекты заменяют идеальными моделями (например, идеальный материк, земной шар).

Принцип аналогии подбирает географическому объекту или процессу аналог в другой системе, которая достаточно изучена, и знания о нём переносят на изучаемый географический объект.

Принцип балансов основывается на использовании закона сохранении вещества и энергии. При изучении энергетики, водного и солевого режимов, газового состава, биологического круговорота и др.

Принцип информационного анализа строится на основе представлений о передаче информации в географической оболочке. В геосистемах происходит не только передача информации, но и её накопление,  перекодирование. Земная кора является летописью Земли (характер пластов, минералогический и петрографический состав отложений, намагниченность, палеонтологические остатки и др.).

Принцип структурного анализа основывается на изучении взаимодействия составных частей (структуры) и географической оболочки. Например, прогноз погоды в любом географическом пункте определяются общими климатическими особенностями, но на них влияют местные климатообразующие факторы.

Принцип позиционного анализа основывается на определении положения (экспозиция) географического объекта относительно потоков вещества и энергии, энергетических полей, природных или антропогенных тел. Например, знание, где находится географический объект можно объяснить не совсем понятные вопросы.

Развитие науки и технологий стимулировало зарождение особой системы сбора информации – мониторинга. Мониторинг – особая система сбора информации о состоянии природных объектов и явлений. Он включает в себя несколько блоков. Он включает несколько ступеней или блоков с разными функциями.

Картографический метод подразумевает использование карт в целях получения сведений, изучения взаимосвязей и взаимозависимостей явлений, установление динамики и эволюции явлений и нанесение данных мониторинга. Данному методу принадлежит в землеведении основополагающая роль.

Возникла даже наука геоинформатика – изучает принципы, технику и технологию получения, накопления, систематизации, обработки и передачи информации.

ГЛАВА 3

ЗЕМЛЯ ВО ВСЕЛЕННОЙ

На протяжении всей истории науки в круг интересов землеведения входили разработки представлений об окружающем человека мире – планете Земля, Солнечной системе, Вселенной. Первой математически обоснованной моделью мироздания была геоцентрическая система К. Птолемея (165-87 гг. до н.э.), которая правильно для того времени отображала доступную для непосредственного наблюдения часть мира. Только через 1500 лет утвердилась гелиоцентрическая модель Солнечной системы Н. Коперника (1473-1543).

Успехи физической теории и астрономии конца XIX в. и появление первых оптических телескопов привели к созданию представлений о неизменной Вселенной. Разработка теории относительности и её приложение к космологии создали релятивистскую теорию Вселенной, которая первоначально была представлена А. Эйнштейном как статическая модель. В 1922-1924 гг. расчётами А.А. Фридмана была показана нестационарность Вселенной – она должна расширяться или сжиматься. В1924 году Э. Хаббл обнаружил расширение Вселенной, опровергнув представление о её незыблемости. Теоретические результаты А.А. Фридмана и Э. Хаббла позволили ввести понятие «начала» в эволюцию Вселенной и объяснить её структуру.

В 1946-1948 гг. Г. Гамов разработал теорию «горячей» Вселенной, согласно которой в начале эволюции вещество Вселенной имело температуру и плотность, недостижимые экспериментально. В 1965 году было открыто реликтовое микроволновое фоновое излучение, имевшее изначально очень высокую температуру, что экспериментально подтвердило теорию Г. Гамова.

Так расширялись наши представления о мире в пространственном и временном отношении. Согласно современным представлениям, Вселенная – это упорядоченная система, развивающаяся однонаправлено. Вселенная не обязательно исчерпывает понятие материального мира, и возможно существуют другие Вселенные, где не обязательно действуют известные нам законы мироздания.

3.1. Вселенная

Вселенная – это окружающий нас материальный мир, безграничный во времени и пространстве. Границы Вселенной, скорее всего, будут раздвигаться по мере появления новых возможностей непосредственного наблюдения, т.е. они относительны для каждого момента времени.

Состояние Вселенной. Вселенная – это нестационарный объект, состояние которого зависит от времени. Согласно господствующей теории, в настоящее время Вселенная расширяется: большинство галактик удаляются от нас  и друг относительно друга. Скорость удаления (разбегания) тем больше, чем дальше находится галактика – источник излучения. Эта зависимость описывается уравнением Хаббла:

V = HR,

где V - скорость удаления, км/с; R – расстояние до галактики, св. год; H - коэффициент пропорциональности, или постоянная Хаббла, H = 15·10-6 км/(с.·св. год). Скорость разбегания возрастает.

Одним из доказательств расширения Вселенной служит «красное смещение спектральных линий» (эффект Доплера): спектральные линии поглощения в удаляющихся от наблюдателя объектах всегда смещаются в сторону длинных (красных) волн спектра, а приближающихся – коротких (голубых).

Плотность вещества. Распределение плотности вещества в отдельных частях Вселенной различается более чем на 30 порядков. Самая высокая плотность (за исключением атомного ядра) присуща нейтронным звёздам (около 1014 г/см3), самая низкая (10-24 г/см3) – Галактика в целом. Нормальная плотность межзвёздного вещества составляет одна  молекула водорода в 10 см3, а в туманностях – она достигает нескольких тысяч молекул. Если концентрация превышает 20 атомов водорода (10 молекул) в 1 см3, то начинается процесс сближения, перерастающий в аккрецию (слипание).

Вещественный состав. Из общей массы вещества Вселенной только около 1/10 является видимым (светящимся), остальные 9/10 – невидимое (несветящееся) вещество. Видимое вещество представлено в основном водородом (70-80%) и гелием (20-30%). Во Вселенной обнаружено незначительное количество антивещества.

Вселенная заполнена реликтовым электромагнитным излучением, оставшимся от ранних стадий эволюции Вселенной.

Однородность, изотропность и структурность. В глобальном масштабе Вселенная считается изотропной и однородной. Признаком изотропности, т.е. независимости свойств объектов от направления в пространстве, является равномерность распределения реликтового излучения. Не отмечено отклонений в интенсивности этого излучения, что свидетельствует о большой однородности Вселенной.

Другой особенностью Вселенной является неоднородность и структурность (дискретность) в малом масштабе. В глобальном масштабе вещество Вселенной можно рассматривать как однородную непрерывную среду. При детальном рассмотрении отмечается структурированность Вселенной. Структурными элементами Вселенной являются космические тела, т.е. звёзды, образующие звёздные системы разного ранга: галактика – скопление галактик – Метагалактика.

Галактика состоит из 1011 звёзд и межзвёздной среды. Она принадлежит к спиралевидным системам. Линейная скорость её объектов постоянна и равна 220-250 км/с. Период обращения Солнца вокруг центра Галактики составляет 160-200 млн. лет – галактический год.

Эволюция Вселенной. Вселенную в целом изучает космология, т.е. наука о Космосе. Космос – всё то, что находится за пределами атмосферы Земли.

Наиболее общепринятой в космологии является модель расширяющейся Вселенной. В основе модели лежат два предположения: свойства Вселенной одинаковы во всех её точках (однородность) и направлениях (изотропность); наилучшим  известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии).

Составной частью модели является представление о Большом взрыве, происшедшем примерно 12-18 млрд. лет назад. «В начале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на земле и который начинается из определённого центра, и затем распространяется, захватывая всё больше и больше пространства, а взрыв, который произошёл одновременно везде, заполнив с самого начала всё пространство, причём каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы» (С. Вейнберг).

Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 г. реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.

После Большого взрыва образовался сгусток плазмы – состояния, в котором находятся элементарные частицы – нечто средне между твёрдым и жидким состоянием, который и начал расширяться всё больше и больше под действием взрывной волны. Через 0,01 секунды после начала Большого взрыва во Вселенной появилась смесь лёгких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия).

До образования вселенной не было ни пространства, ни времени. В соответствии с моделью расширяющейся Вселенной, разработанной А.А. Фридманом на основании общей теории относительности А. Эйнштейна, установлено, что:

  1.  В начале эволюции Вселенная пережила состояние космологической сингулярности, когда плотность её вещества равнялась бесконечности (больше 1093 г/см3), а температура превосходила 1028 K;
  2.  Это вещество подверглось внезапному расширению («Большой взрыв»);
  3.  В процессе эволюции, в условиях расширяющейся Вселенной, плотность и температура вещества убывают во времени;
  4.  При температуре около 109 K осуществлялся нуклеосинтез, в результате, которого произошла химическая дифференциация вещества и возникла химическая структура Вселенной;
  5.  Эволюция Вселенной продолжается 12-18 млрд. лет.

Гипотеза В. Амбарцумяна. В соответствии  с гипотезой В. Амбарцумяна галактики, звёзды и планетные системы возникли из сверхплотного дозвёздного вещества, в основе которой лежит модель Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной.

Галактики. Ядра галактик являются источником непрерывного истечения водорода. Водород является самым простым «кирпичиком», из которого в недрах звёзд образуются в процессе атомных реакций более сложные атомы. Чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в её недрах.

Галактика представляет собой гигантские скопления звёзд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму. Галактик миллиарды и в каждой насчитываются миллиарды звёзд.

Наша Галактика состоит из 150 млрд. звёзд и называется Млечный путь. Она состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Её размеры – 100 тысяч световых лет. Большая часть звёзд нашей Галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра Галактики расположено Солнце.

Ближайшая к нашей Галактике – «туманность Андромеды» (около 2-х млн. световых лет). Квазары – представляют собой ядра новых галактик, и они являются самыми мощными источниками радиоизлучения во Вселенной.

Звёзды. Все небесные тела можно разделить на испускающие энергию – звёзды, и не испускающие – планеты, кометы, метеориты, космическую пыль. Энергия звёзд генерируется в их недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятки миллионов градусов, что сопровождается выделением особых частиц огромной проникающей способности – нейтрино.

Звёзды – это фабрики по производству химических элементов и источников света и жизни. Они движутся вокруг центра галактики и по сложным орбитам. Могут быть звёзды, у которых меняется блеск и спектр – переменные звёзды (Кита) и нестационарные (молодые) звёзды и звёздные ассоциации, возраст которых не превышает 10 млн. лет. Возможно, из них образуются сверхновые звёзды, выделяющие огромное количество энергии и образуются туманности.

Массы планет и звёзд велики, а потому силы притяжения составляющих их частиц достаточны, чтобы сминать скальные породы, как пластилиновые.

Существуют очень крупные звёзды – красные гиганты и сверхгиганты, и нейтронные звёзды.

Открыты пульсары – космические источники радио-, оптического, рентгеновского и гамма-излучения. Интересные объекты кометы. Небо кажется спокойным. В нём постоянно происходят катастрофы, рождаются новые и сверхновые звёзды. В конце эволюционного цикла обычные звёзды превращаются в «белого карлика» (температура 7-30 тыс. K) и низкая светимость.

3.2. Солнечная система

Происхождение. Исходным веществом для формирования Солнечной системы послужили межзвёздная пыль и газы, широко распространённые во Вселенной. Образование протосолнечной туманности происходило под действием гравитационного сжатия сгустков первичной материи и их уплотнения вплоть до образования отдельных небесных тел. Это подтверждается результатами наблюдений над другими небесными телами, находящимися за пределами Солнечной системы. Толчком для начала конденсации газа и пыли протосолнечной туманности является  взрыв Сверхновой звезды, в недрах и газовой оболочке которой за счёт ядерных реакций происходил нуклеосинтез, что и обусловило разнообразие химических элементов. Ударная волна, возникшая при взрыве, могла инициировать процесс конденсации межзвёздной материи, которая привёла к образованию Солнца и протопланетного диска.

Следующая стадия эволюции Солнечной системы предусматривает распад протопланетного диска на отдельные планеты. Существует несколько космогонических гипотез, объясняющих этот процесс.

Возраст солнечной системы, зафиксированный по древнейшим метеоритам, около 5 млрд. лет.

Гипотезы образования Солнечной системы. I. Солнце сформировалось раньше планет, а вещество последних возникло из вещества Солнца или другой звезды (например, при столкновении).

Одной из наиболее популярных долгое время была гипотеза приливной эволюции Солнца, высказанная в конце XVIII в. Ж.-Бюффоном (1749). Согласно этой теории, с Солнцем столкнулась комета и выбила из него материал (вещество), давший в результате конденсации его начало объектам Солнечной системы.

В начале XX века Д.Джинс рассчитал, что в результате появления в поле тяготения Солнца другой звезды возникает приливная сила, «разрывающая» солнечное вещество. Часть его извергнется наружу, и в процессе последующей эволюции образуются планеты.

Гипотеза А. Вульфсона предполагает, что вещество извергалось не из раскалённого Солнца, а из холодной (при температуре не менее 1000°С) звезды.

II. Солнце и планеты образовались одновременно из одной вращающейся туманности – облака, или небулы.

Первая небулярная теория была предложена немецким философом И. Кантом (1755), который объяснил возникновение и саморазвитие неоднородностей в распределении вещества и образование зародышей планет – планетезималей. Однако теория Канта не была принята, пока  французский физик и математик П.Лаплас (1796) не объяснил, что звёзды и планеты образуются из колец рассеянного диффузного вещества (космической пыли) (наподобие колец Сатурна), возникающих в процессе вращения туманности вокруг массивного центрального тела и постепенного сжатия первоначальной туманности. Газ, выбрасываемый из туманности, впоследствии концентрируется в планеты. Теория Канта-Лапласа просуществовала до начала XX в., когда Г. Джеффрис показал, что несоответствие масс (98% принадлежит Солнцу) и моментов количества движений (примерно столько же принадлежит планетам) необъяснимо с позиций этой теории.

III. Солнце образовалось отдельно, а планетное вещество было захвачено им из межзвёздных облаков или другого источника.

В середине 40-х годов XX в. К. Вейцзекер объяснил момент передачи движения в туманности, находящейся вблизи Солнца, трением.

Наиболее популярной в нашей стране была гипотеза О.Ю. Шмидта, предложенная в 40-х годах XX в. в соответствии с этой гипотезой Солнце захватило газообразный, ледяной и каменный рой тел, находившихся в космическом пространстве, из которого и образовались планеты. Современные представления о «холодном» образовании планет восходят к представлениям О.Ю. Шмидта.

Одной из современных теорий является геохимическая теория Г.В. Войткевича, основанная на гравитационной дифференциации вещества. Согласно этой теории, первичное Солнце образовалось из холодной рассеянной материи и обладало небольшим моментом вращения. Вследствие гравитационного сжатия и уплотнения вещества произошло увеличение скорости вращения. Центробежная сила уменьшила гравитационное давление вещества на сферы Солнца, причём наибольшим это уменьшение было в экваториальной части, где центробежная сила наибольшая. В связи с этим в экваториальной части Солнца произошло истечение материи, из которой образовался газовый диск. Одна часть материи рассеялась, а другая – пошла на постройку планет. Первоначально протопланетный материал был представлен плазмой. По мере остывания плазмы ядра атомов приобрели электронные оболочки, т.е. появились химические элементы, стали возможны химические реакции и возникли химические соединения.

Разделение планет Солнечной системы на внутренние и внешние объясняется дифференциацией вещества газового диска под действием силы тяготения и магнитного поля. Сила тяготения оттягивала вещества пропорционально плотности к центру, а магнитное поле – удерживало их в зависимости от заряда. Под действием обеих сил исходное вещество перераспределялось. Ядра и оболочки планет образовались в различное время. В результате слипания металлических частиц (преимущественно железа) вначале  образовались ядра планет, а позже возникли каменные силикатные оболочки вокруг ядер. В дальнейшем происходил разогрев вещества планет, в процессе которого начались гравитационная дифференциация вещества мантии и образование отдельных сфер.

Электромагнитная гипотеза шведского астрофизика Х. Альвена, усовершенствованная Ф. Хойлом. Альвен исходил из предположения, что некогда солнце обладало очень сильным электромагнитным полем. Туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных атомов. Под действием излучений и столкновений атомы ионизировались. Ионы попадали в «ловушки» из магнитных силовых линий и увлекались вслед за вращающимся светилом. Постепенно солнце теряло вращательный момент,  передавая его газовому облаку.

Английский астроном Ф.Хойл предложил новый вариант гипотезы. Солнце зародилось в недрах туманности. Оно быстро вращалось, и туманность становилась все более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск начинал тоже разгоняться, а Солнце тормозилось. Момент количества движения переходил к диску. Затем в нём образовались планеты.

Состав и строение. Солнечная система – это Солнце, 8 планет со спутниками (около 100), астероиды, кометы, метеоры, которые вращаются вокруг Солнца или заходят (кометы) в Солнечную систему.

Солнце. Солнце представляет собой раскалённый газовый шар, в составе которого обнаружено около 60 химических элементов. Скорость вращения поверхностных слоёв Солнца различна: на экваторе период обращения равен 25 суткам, а в полярных областях – 36 суток. Источником энергии Солнца являются ядерные реакции, преобразующие водород в гелий. Количество водорода обеспечит сохранение светимости Солнца на несколько миллиардов лет. На Землю поступает 1/2 200 000 000 часть солнечной энергии.

Солнце имеет оболочечное строение. В центре выделяется ядро (давление 250 млрд. атм., температура более 15 млн. K и плотность 1,5 · 105 кг/м2 – в 150 раз больше плотности воды). В ядре генерируется почти вся энергия Солнца, которая передаётся через зону излучения, где свет многократно поглощается и излучается вновь. Выше располагается зона конвекции (перемешивания). Видимая поверхность солнца образована его атмосферой.

Её нижняя часть мощностью около 300 км, излучающая основную часть радиации, называется фотосферой. Это самое «холодное» место на солнце с температурой от 4500 до 6000 K. В фотосфере наблюдается проявление солнечных различных образований – протуберанцев, факелов, пятен.

Над фотосферой до высоты 14 тыс. км располагается хромосфера. Во время полных лунных затмений она видна как розовый нимб, окружающий тёмный диск. Температура в ней увеличивается до нескольких десятков тысяч градусов.

Самая внешняя и разрежённая часть солнечной атмосферы – солнечная корона. Температура здесь превышает один миллион градусов.

Планеты Солнечной системы подразделяются на две группы: внутренние, или планеты земной группы – Меркурий, Венера, Земля, Марс, и внешние, или планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

Планеты земной группы. Они отличаются следующими признаками: относительно небольшие размеры, высокая плотность, внутренняя дифференциация вещества, повышенная концентрация углерода, азота и кислорода, недостаток водорода и гелия; тектоническая симметрия полушарий.

Меркурий - самая близкая к Солнцу планета. Отличается самой вытянутой эллиптической орбитой. Период обращения планеты вокруг Солнца (меркурианский год) составляет 88 земных суток, а - вокруг собственной оси (меркурианские сутки) - 59 земных суток. Температура на освещённой стороне составляет +325…+437°С, на ночной – от -123 до -185°С. Средняя температура поверхности +240°С. Атмосфера как таковая отсутствует (газовая оболочка состоит из гелия и водорода в соотношении 50:1). Поверхность Меркурия схожа с поверхностью Луны. Очень высокая плотность (5,42 г/см3), близкая к земной. Имеется горячее расплавленное ядро, окружённое силикатной оболочкой. Для Меркурия характерны самые высокие концентрации железа и никеля и самые низкие  - кремния и магния.

Венера – год и сутки, одинаковые и продолжаются около 244 земных суток. Рельеф планеты расчленённый – горные цепи чередуются с кратерами. Открытые пространства покрыты каменистыми обломками. Вращение вокруг оси обратное.

Очень плотная атмосфера, состоящая в основном из углекислого газа, азота, водяных паров, а также кислорода, серной кислоты и HF. Углекислая атмосфера обусловливает огромный парниковый эффект и высокую температуру земной поверхности. Средняя температура поверхности составляет +480°С. Давление на поверхности Венеры около 100 атм.

Марс. Марсианские сутки длиннее земных почти на 40 минут, а год продолжается 687 земных суток. Наклон оси к плоскости орбиты обеспечивает смену сезонов года и наличие «климатических» поясов – жаркого, экваториального, двух умеренных и двух полярных.

Атмосфера состоит углекислого газа, азота, а также из аргона, кислорода и паров воды. Плотность атмосферы – 0,01 атм., что в 130 раз меньше земной.  Температура поверхности на экваторе днём составляет +10…+20°С, а на полюсах – ниже -100°С. Имеется озоновый слой.

Поверхность покрыта очень высокими кратерами. Высота вулканической горы «Снега Олимпа» достигает 24 км, что является самой высокой в Солнечной системе. Много тектонических трещин.

Установлено наличие в полярных районах ледяных массивов, которые отличаются изменчивостью. Полярные шапки состоят из замёрзшего углекислого газа и возможно водяного льда.

Поверхность марса красноватого цвета. Грунт обогащён соединениями железа и обеднён кремнезёмом. С глубины 50 см грунт скован вечной мерзлотой до глубины 1 км.

Средняя температура поверхности около -50°С. марс обладает спутниками Фобос и Деймос.

Планеты-гиганты. В планетах-гигантах, особенно ближайших к Солнцу, сосредоточен полный момент количества движения Солнечной системы (в единицах Земли): Юпитер – 725, Сатурн – 294, Уран – 64, Нептун – 95. в атмосфере осталось большое количество водорода и гелия. Плотность вещества невелика (0,7-1,8 г/см3).

Отличаются очень большими размерами. Самой крупной планетой является Юпитер, а за ним Сатурн, в которых заключено более 90% массы всех планет Солнечной системы. Планеты имеют каменные спутники. Отсутствует гравитационная дифференциация. Планеты образованы сгущениями в газообразном состоянии.

Юпитер – отличается характерными пятнами и полосами на поверхности. Масса в 2 раза меньше солнечной. Сутки короче земных (9 час. 30 мин.), а год продолжается 12 земных лет. Обладает мощной атмосферой и сильным магнитным полем (наличие радиационных поясов). Атмосфера состоит из водорода и гелия, а также различных примесей (метан, аммиак, окиси углерода, пары воды и др.). Примеси неравномерно распределены, вследствие чего образуются полосы и пятна. На Юпитере существует так называемое «Большое Красное Пятно». По мнению некоторых учёных Юпитер выполняет в Солнечной системе роль «пылесоса» за счёт мощного магнитно-гравитационного поля.

Средняя температура поверхности планеты составляет -128°С.

Юпитер имеет 48 спутников. Для многих из них характерно обратное вращение и малые размеры – от 2 до 4 км. Четыре самых крупных спутника – Ганимед, Каллисто, Ио и Европа носят название Галилеевых. Спутники сложены твёрдым каменным материалом.

Сатурн. Отличительной особенностью Сатурна является кольцо расположенное выше (40 тыс. км) облачного слоя атмосферы. Её называют «Окольцованная» планета. Кольцо состоит  из ряда мелких колец, состоящих из твёрдых обломков и ледяных глыб, размером от пылинки до нескольких метров. Средняя плотность планеты очень низкая (0,69 г/см2). Сутки продолжаются здесь чуть более 10земных часов, а год – 30 земных лет.

Атмосферное давление в 1,5 раза больше земного. Атмосфера состоит из водорода и гелия. Средняя температура поверхности составляет -170°С. около Сатурна обнаружено около 30 спутников. Загадкой является присутствие углеводородов на спутниках Сатурна.

Уран. Ось вращения Урана расположена почти в плоскости орбиты. Сутки продолжаются 11 земных часов, а год – 84 земных года. Уран имеет плотную и подвижную атмосферу, состоящую из водорода, гелия и метана. Средняя температура поверхности -143°С. Вокруг планеты обнаружены кольца из движущихся каменных глыб. Уран имеет 20 спутников.

Нептун. Самая удалённая от Солнца планета. Атмосфера состоит в основном из метана, а также водорода и гелия. Сутки продолжаются на Нептуне 16 земных часов, а год – 165 земных лет. Средняя температура поверхности составляет -155°С. Нептун имеет 8 спутников.

Плутон – самая удалённая от Солнца планета, не принадлежит к планетам-гигантам. Масса в 10 раз меньше земной. Очень вытянутая эллиптическая орбита. Плутон принадлежит к телам из пояса Койпера (астероиды). Поверхность планеты ледяная. Средняя температура поверхности составляет -210°С. Атмосфера состоит из азота, окиси углерода и метана. Сутки длятся около 6,5 земных часов, а од – 248 земных лет. В 2006 году Международный астрономический союз исключил Плутон из статуса планет.

Предполагается существование десятой планеты, состоящей из ледяных глыб, которые вращаются на околосолнечной орбите за пределами Плутона.

Луна.   Луна – спутник Земли на расстоянии от неё 384 тыс. км. Периоды обращения по орбите вокруг Земли и вокруг собственной оси почти одинаковы. В связи с этим Луна всегда обращена к Земле одной стороной. Сутки продолжаются 27,5 земных часов, а год – около 30 земных суток. Вид Луны для земного наблюдателя постоянно меняется по фазам – новолуние, первая четверть, полнолуние, последняя четверть.

Различают синодический месяц – период полной смены лунных фаз (29,5 земных суток) и сидерический месяц – период в течение, которого Луна делает полный оборот вокруг Земли (27,3 земных суток). Сидерический месяц и оборот Луны вокруг своей оси – равны.

С позициями Солнца, Земли и Луны связаны солнечные и лунные затмения.

Лунная поверхность представлена «морями» - плоскими равнинами и «материками» - возвышенностями. Имеются многочисленные кратеры (метеорного или вулканического происхождения).

Лунный грунт – реголит. Средняя плотность пород Луны 3,34 г/см2. породы Земли и Луны сходны по химическому составу.

Имеется очень разряженная атмосфера из гелия и аргона. Давление составляет 10-7 атм. Средняя температура поверхности -20°. Днём поверхность нагревается до +180°С, а ночью охлаждается до -130°С. Отсутствие атмосферы определяет большие суточные колебания температуры поверхности – от -130 до +180°С.

Астероиды. Своеобразной границей между каменными планетами и планетами земной группы является пояс астероидов (малых планет) между орбитами Марса и Юпитера.

Астероиды – скопления твёрдых космических тел разного размера (до 1000 км в диаметре) образовавшихся в результате разрушения планеты Фаэтон или необразовавшейся ещё планеты. Астероиды движутся по орбитам со скоростью около 20 км/с с периодами обращения вокруг солнца от 3 до 9 лет.

Звёздные аналоги Солнечной системы. Крупнейшим достижением учёных в XX в. является открытие в космическом пространстве аналогов Солнечной системы – долгоживущих, подобно Солнцу, небольших звёзд, которые окружены массивными планетами.

3.3. Земля

Земля – третья от солнца и самая крупная из планет земной группы и вместе с Луной, своим спутником, образует – двойную планету.

Фигура Земли. Земля имеет шарообразную форму, со средним радиусом 6371 км. Сжатие, обусловленное осевым вращением, составляет 1/300, что определяет разность экваториального (6378 км) и полярного (6357 км) радиусов чуть более 21 км.

Используются различные модели форм Земли.

Сфера. Это наиболее общая модель планеты. Затем эллипсоид вращение, и далее трёхосный эллипсоид. Полуоси северного и южного полушарий не одинаковы (вторая короче первой на 100-200 м). Поэтому полярное сжатие южного полушария больше, чем северного, что приводит к понятию геоида.

Форма Земли зависит от размеров планеты, распределение плотностей, и скорости осевого вращения. Вследствие глубинного сжатия радиус планеты сокращается ≈ на 5 см за столетие, а значит, уменьшаются, и объём Земли. Вследствие  пульсирующего расширения, вызываемые огромным количеством тепла, освобождаемого сокращением радиуса. Описанные выше процессы отражаются и на скорости вращения Земли: при уменьшении радиуса скорость возрастает, при увеличении – замедляется.

Главное географическое значение формы Земли состоит в том, что она обусловливает зональное распределение тепла на земной поверхности (убывание от экватора к полюсам), и, следовательно, зональность всех явлений, зависящих от теплового режима.

Модели строения Земли. Модель, разработанная В.М. Гольдшмидтом в первой четверти XX в., является первой и основана она на аналогии процессов дифференциации элементов при доменной плавке и в расплавленной Земле.

В соответствии с ней металл погружается  к центру земли, образуя ядро, а на поверхность всплывает наиболее лёгкий «шлак» - силикатное вещество, образующее магматические породы земной коры. Между ними располагается исходное вещество – мантия. Основным фактором дифференциации он считал атомные объёмы элементов. Элементы с минимальными атомными объёмами, соединяясь с железом, образовали ядро, ас максимальными атомными объёмами – составили земную кору и верхнюю мантию.

Модель А.Е. Ферсмана. Он выделил следующие геосферы: гранитно-базальтовую кору (до 70 км от поверхности), перидотитовую (оливиновую) оболочку (до глубины 1200 км), рудную оболочку (до глубины 2450 км) и ядро, состоящее из никелистого железа.

Модель Гутенберга-Буллена. В ней использована индексация геосфер, популярная и в настоящее время. Авторы выделяют: земную кору (слой A) – гранит, метаморфические породы, габбро; верхнюю мантию (слой B); переходную зону (слой C); нижнюю мантию (слой D), состоящий из кислорода, кремнезёма, магния и железа. На глубине 2900 км проводят границу между мантией и ядром. Ниже находится внешнее ядро (слой E), а с глубины 5120 км – внутреннее ядро (слой G), сложенное железом.

Модель В.Н.Ларина. Согласно его представлениям, при возникновении сфер первостепенное значение имела не гравитационная дифференциация, а магнитная сепарация вещества. Исходным материалом послужили не отдельные элементы, а их соединения в виде гидридов и карбидов металлов. Разложение гидридов, обладающих повышенной плотностью и выделяющих энергию при своём распаде, обусловило процессы окисления и образования силикатов пропланет. Кислородно-водородная (первоначально гидридная) модель объясняет возникновение земных оболочек не столько дифференциацией вещества, сколько химическими реакциями, в результате которых изменяется состав вещества и его свойство: от центра к периферии земли идёт многократное разуплотнение исходного материала и смена восстановительных условий окислительными.

Происхождение Земли. Вопрос о происхождении нашей планеты связан с  космогоническими гипотезами, объясняющими образование Солнечной системы в целом.

Распад протопланетного диска на отдельные компоненты с образованием большого числа твёрдых и крупных тел – планетезималей, их последующее скопление и соударение способствовали аккреции Земли. Господствует два основных направления по вопросу первоначального состояния Земли: холодного или горячего.

По мнению В.Е Хаина происходила быстрая аккреция планетезималей и обогащение металлическими компонентами; затем начался процесс разогрева, вплоть до частичного плавления, приведшего к дифференциации Земли на ядро и мантию.

Холодное состояние Земли предполагает её однородность, или гомогенность, с последующим развитием слоёв. Горячее состояние Земли обусловлено её неоднородностью, или гетерогенностью с одновременным расслоением вещества Земли.

Согласно горячей гипотезе, в течение всего периода формирования Земля оставалась окружённой протосолнечной небулой (туманностью). В результате гравитационного притяжения вокруг неё возникла оболочка (в 200 раз массивнее современной атмосферы), препятствующая потере тепла. Температура Земли достигла достаточной для расплавления, в результате чего Земля расслоилась на оболочки. Оболочка флюидная была удалена под воздействием солнечного ветра, УФ и теплового излучение Солнца.

3.4. Взаимодействие Земли и Космоса

Положение Земли в пространстве, физические поля, строение поверхности, форма и размеры небесного тела, оказывают существенное влияние на её взаимодействие с Космосом, но и космос оказывает своё воздействие на Землю.

Солнечно-земные связи. Солнечно-земные связи включают в себя электромагнитное и корпускулярное излучения, которые обусловливают ряд процессов и явлений во всех геосферах (магнитные бури, полярные сияния и др.). Электромагнитное излучение включает в себя видимый свет, УФ, рентгеновское, радиоизлучение и др. Корпускулярное  излучение состоит из солнечного ветра, солнечных космических лучей (от вспышек).

Солнечная активность – совокупность всех физических и энергетических изменений, происходящих на Солнце и вызывающих на нём видимые образования: пятна и факелы в фотосфере, флоккулы и вспышки в хромосфере, протуберанцы в солнечной короне.

Солнечная вспышка – взрывообразное высвобождение большого количества энергии, происходящее обычно вблизи больших групп солнечных пятен.

Более 350 лет (после открытия телескопа) на Солнце обнаружены солнечные пятна. Это темные участки на поверхности Солнца с пониженной температурой, в сравнении с окружающей территорией. Размеры пятен непостоянны, продолжительность их от нескольких часов до месяцев. Они образуются в результате неравномерного перемешивания водорода и гелия. Для количественной характеристики солнечной активности используется число (индекс) Вольфа. В результате исследований была установлена цикличность колебаний солнечной активности, которая близка к 11 годам, также выделяется 22-, 44-, 80- и 9-летние циклы.

Движения Земли. Земля совершает множество движений одновременно. Различаются основные виды движения: орбитальное, суточное, движение системы Земля-Луна, изменение скорости вращения Земли, колебания оси вращения и др.

Орбитальное движение происходит при движении Земли вокруг Солнца по эллиптической орбите со скоростью около 30 км/с за 365,25средних солнечных сток. Скорость движения Земли по орбите тем выше, чем меньше радиус. Расстояние между Землёй и Солнцем в течение года меняется незначительно: в перигелии оно уменьшается до 147 млн. км, в афелии увеличивается до 152 млн. км. В перигелии Земля бывает в начале января, следовательно, её движение по орбите происходит быстрее, поэтому зимнее полугодие в Северном полушарии короче, чем в Южном.

Земная ось наклонена по отношению к плоскости орбиты под углом 66°37'. В процессе движения ось перемещается поступательно, поэтому на орбите возникают четыре характерные токи: два равноденствия и два солнцестояния. В дни равноденствий радиус находится в плоскости экватора, а светоразделительная линия делит все параллели пополам. Благодаря этому солнечные лучи на экваторе в полдень падают отвесно и на всём земном шаре день равен ночи (на полюсах происходит смена дня и ночи). Различают весеннее (21 марта) и осеннее (23 сентября) равноденствия. В дни солнцестояний плоскость экватора наклонена по отношению к солнечному лучу под углом 23° 27' . Солнце в этот момент находится в зените над одним из тропиков. Различают летнее (22 июня) и зимнее (22 декабря) солнцестояния.

С наклоном земной оси к плоскости орбиты связано наличие таких характерных параллелей, как тропики и полярные круги.

Угол наклона земной оси к эклиптике колеблется в интервале от 22° 07 до  24° 57' , и в настоящее время он составляет 23° 27' 08″ . Линия пересечения плоскости экватора с плоскостью эклиптики, на которой лежат точки равноденствий, перемещается навстречу движению Земли по орбите, благодаря чему тропический год короче сидерического (солнечного). Земная ось совершает движения в теле Земли, описывая конус. Время, за которое земная ось описывает полный конус, называется прецессионным ритмом (25 735 тропических лет). От наклона плоскости экватора к эклиптике зависит поступление солнечной радиации на разные широты (чем больше угол, тем выше выраженность сезонов).

Суточное движение происходит вокруг земной оси. Вращение Земли осуществляется равномерно, однако скорость вращения испытывает флуктуации. Отрезок времени между последовательными прохождениями плоскости меридиана данной точки через центр Солнца называют солнечными сутками. Земля вращается против часовой стрелки, если смотреть с Северного полюса (Солнце восходит на востоке и заходит на западе). Ось вращения, полюсы и экватор являются основой географической системы координат.

Географические следствия суточного вращения Земли:

  •  Смена дня и ночи – изменение в течение суток положения солнца относительно плоскости горизонта данной точки;
  •  Деформация фигуры Земли – сплюснутость с полюсов (полярное сжатие), связанная с возрастанием центробежной силы от полюсов к экватору;
  •  Существование силы Кориолиса – действующей на движущиеся тела;
  •  Суперпозиция центробежной силы и силы тяготения, дающая силу тяжести. Центробежная сила растёт от нуля на полюсах до максимального значения на экваторе. Сила тяжести увеличивается от экватора к полюсу, где она равняется силе тяготения.

Движение системы Земля-Луна. Луна создаёт приливное торможение суточного вращения нашей планеты. Оно вызывает замедление вращения, уменьшает полярную сплюснутость Земли и силу Кориолиса, отклоняющую движущие массы воздуха и воды.

Полагают, что из-за замедления суточного вращения Земли продолжительность суток за последний 1 млрд. лет возросла на 6 часов. Взаимодействие Земли и Луны могло быть одним из возможных факторов первичного разогрева планеты, при условии, что Луна первоначально была существенно ближе к Земле.

Отмечена неравномерность суточного вращения Земли.

Движение полюсов Земли. Ось вращения земного шара внутри тела Земли непрерывно смещается – прецессия, а перемещение полюсов в пространстве – нутация. Нутация полюсов имеет важное географическое следствие.  Вследствие этого происходит перераспределение масс воздуха и воды при смене сезонов.

ГЛАВА 4

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ

4.1. Географическая оболочка как объект землеведения

Общие особенности географической оболочки. Географическая оболочка – это материальная система, возникшая на земной поверхности в результате взаимодействия и взаимопроникновения, насыщенных организмами литосферы, атмосферы и гидросферы. Природные тела географической оболочки (горные породы, вода, воздух, растительность, живое вещество) имеют различное агрегатное  состояние (твёрдое, жидкое, газообразное) и разные уровни организации вещества (неживое, живое и биокосное – результат взаимодействия живой и неживой субстанции). Некоторые исследователи ставят знак равенства между географической оболочкой и географической средой. Однако термин «географическая среда» является скорее социально-исторической категорией.

Географическая оболочка образована двумя принципиально разными типами материи:

  •  Атомарно-молекулярным «неживым» веществом и
  •  Атомарно-организменным и «живым» веществом.

Атомно-молекулярное «неживое» вещество участвует только в физико-химических процессах, в результате которых могут появляться новые вещества, но из тех же химических элементов. Его взаимодействие требует внешних энергетических затрат.

Атомно-организменное «живое» вещество обладает способностью воспроизводить себе подобных, но различного состава и облика. Живое вещество обладает собственной энергетикой, и при взаимодействии оно может её отдать.

Оба типа вещества возникли одновременно и функционируют с момента начала формирования земных сфер. Между частями географической оболочки наблюдается постоянный обмен веществом и энергией, проявляющейся в форме атмосферной и океанической циркуляции, движения поверхностных и подземных вод, ледников, перемещения организмов и живого вещества. Благодаря движению вещества и энергии все части географической оболочки оказываются взаимосвязанными и образуют целостную систему.

Географическая оболочка обладает сложной пространственной дифференциацией, обусловленной длительной эволюцией разнообразного состава и состояния вещества, форм энергии и взаимодействия природных тел в ней. Возникли разнородные части географической оболочки – ландшафты различного уровня. Таким образом, будучи единым целым, географическая оболочка в то же время состоит из относительно самостоятельных, но всегда взаимосвязанных и взаимообусловленных частей. Географическая оболочка является колыбелью жизни. Живые организмы всегда оказывали влияние на формирование компонентов географической оболочки. Существуют и другие названия географической оболочки, но они не получили широкого применения.

Вещество географической оболочки. Каждая из геосфер обладает присущими ей свойствами и особенностями строения. Гравитационная дифференциация вещества Земли привела к сосредоточению тяжёлых элементов в ядре, тогда как в земной коре доминируют лёгкие – кислород (около 50%) и кремний (26%).

Химические элементы в географической оболочке находятся в свободном состоянии (в воздухе), в виде ионов (в воде) и сложных соединений (живые организмы, минералы и др.).

Наиболее распространёнными веществами в географической оболочке являются горные породы и минералы, природные воды, лёд, воздух, живое вещество, почва, кора выветривания и технические сооружения.

Границы географической оболочки. Большинство учёных считает, что верхняя граница географической оболочки соответствует уровню наибольшей концентрации озонового слоя, расположенного на высоте 25-28 км, а другие – проводят её по верхней границе тропосферы.

Нижнюю границу географической оболочки проводят по разделу Мохоровичича, т.е. по подошве земной коры.

Таким образом, оптимальными границами географической оболочки являются верхняя граница озонового слоя и подошва земной коры, в пределах, которых находятся основная часть атмосферы, вся гидросфера и верхний слой литосферы с живыми или ископаемыми организмами.

4.2. Понятие системы в естествознании

          Землеведение базируется на общих физических законах, которые действуют в окружающем мире.

          Основополагающим в естествознании является понятие «система»  совокупность элементов, находящихся в определенном отношении. Все то, с чем данная система взаимодействует, называют средой. Географические системы взаимодействуют между собой территориально и функционально. Каждая система состоит из конечного числа элементов.

          Системы географической оболочки (геосистемы) и ее внешнего окружения подразделяются на механические, термодинамические, биокосные, биологические, этнические и социальные.

          Механические системы характеризуются силовым взаимодействием образующих их тел, имеющих массу. К ним относятся космические тела, воздушные и морские течения и др.

          Термодинамические системы связаны с движением вещества, обусловленным преобразованием или переносом энергии. Геосистемы относятся к числу открытых, т.е. обливающихся веществом и энергией с внешней средой.

          Открытые системы способны, накапливая превращаемую энергию, поддерживать и совершенствовать свою структуру. Совокупность таких свойств называется самоорганизацией.

          Термодинамическими системами являются различные термические циркуляции вещества (круговорот воды в природе).

          Биокосные системы – это такие системы, в которых неразрывно связаны и взаимодействуют живое и неживое вещества (например, почва). Почва представляет собой единство минерального вещества (порода, вода, воздух), живых организмов и мертвого биоорганического вещества (гумус). Если изъять из почвы один из этих компонентов, то она утратит свои характерные свойства (плодородие), т.е. станет другой системой.

          Система имеет связи прямые (причинно-следственные и вещественно-энергетические) и обратные (информационно-регулирующие). Систему с обратными связями называют саморегулируемой. Обратные связи бывают отрицательными и положительными. Отрицательная связь уменьшает интенсивность процесса в системе при увеличении ее «выхода». Она характерна для нормально функционирующих систем и направлена на поддержание их динамического равновесия. Положительная связь усиливает процесс по мере увеличения «выхода» системы, т.е. приводит к лавинообразному нарастанию процесса, в результате чего система переходит в новое состояние или разрушается.

          Состояние системы описывается параметрами интенсивными и экстенсивными. Интенсивные параметры (tْ, абсолютная и относительная влажность, биопродуктивность) не зависят от размеров системы.

          Экстенсивные параметры (запасы тепла, влагосодержание в воздушной массе, запасы органического вещества) определяются величиной системы.

          Если интенсивные параметры системы однородны, то такая система находится в состоянии устойчивого равновесия по данным параметрам. Устойчивым называют равновесие, которое самопроизвольно восстанавливается, если систему из него вывести. Неустойчивым называют состояние, когда малый импульс воздействия выводил систему из равновесия, в которое она не может возвратиться. Неустойчивость характерна для развивающихся систем. Она увеличивает разнообразие природы. Системы в неустойчивом состоянии подвержены флуктуациям – хаотическим колебаниям параметров, эффект которых непредсказуем.

          Большинство систем в географической оболочке является открытыми. Открытые системы не стремятся к минимуму потенциальной энергии и максимуму энтропии (мера рассеяния энергии). Географические системы способны совершенствоваться, уменьшая энтропию за счет внешней среды. Этот процесс наблюдается в географической оболочке эволюционно.

          В географической оболочке существуют системы, которые имеют несколько устойчивых состояний, называемых триггерными (переключающими) (например, ледниковое и безледное состояние земной поверхности, функционирование гейзера-покой-выброс).

4.3. Законы географической оболочки

(по С.В. Калеснику, 1970)

Важнейший этап развития человеческого знания – это переход от изучения предметов к изучению процессов. Сумма сведений, относящихся к какому-нибудь предмету, лишь тогда становится подлинной наукой, когда обогащается теорией, устанавливающей закономерности существования, распространения и развития исследуемого объекта.

Общие законы развития и всеобщей связи явлений проявляются как специфические законы развития и целостности географической оболочки Земли.

Закон целостности. Непрерывный обмен веществ и энергии между компонентами обусловливает целостность ландшафтной оболочки.

Закон круговоротов. Обеспечение многократности процессов и их высокую суммарную эффективность при ограниченных исходных количествах вещества и энергии, наличие в ландшафтной оболочке круговоротов веществ и энергии.

Закон ритмики. Для ландшафтной оболочки характерна периодическая и циклическая повторяемость различных процессов и явлений во времени, в которых конечная фаза ритма (круговорота) не замыкается на исходную: между ними – всегда разрыв.

Закон полярной асимметрии. Северное полушарие отличается от Южного по распределению суши и моря, климату, структуре ландшафтной оболочки, формам оледенения, геологической истории и др.

Закон территориальной дифференциации. Пространственное изменение географической структуры ландшафтной оболочки, обусловленное ходом развития последней, имеет следствием расчленение оболочки на геокомплексы разного таксономического ранга.

Закон географической зональности. Все географически компоненты и географические ландшафты закономерно изменяются по широте, т.е. от экватора к полюсам.

Периодический закон географической зональности. Географические зоны одного и того же типа повторяются в разных географических поясах.

Закон азональности. В структуре и развитии ландшафтной оболочки существенную роль помимо зональных процессов играют Азональные факторы, которые проявляются в виде секторности географических поясов, «долготной дифференциации» ландшафтных зон, высотной поясности.

Закон единства зональности и азональности. В структуре и развитии ландшафтной оболочки зональные и азональные факторы противоречиво едины и неразрывны.

Закон развития. Ландшафтная оболочка находится в состоянии непрерывного развития, в которой главной движущей силой развития является борьба зональных и азональных тенденций, форма развития ритмическая.

Закон гетерохронности развития. Вследствие пространственной разнородности ландшафтной оболочки развитие её протекает неравномерно от места к месту.

4.4. Механические взаимодействия в географической оболочке

          Механические взаимодействия в планетарных физико-географических процессах, имеющих материальную основу, подчинены закону всемирного тяготения.

          В мире небесных тел этот закон играет основополагающую роль, определяя их взаимодействие и эволюцию.

          На Земле проявлениями этого закона являются:

          - гравитационное поле Земли;

          - гравитационная дифференциация земного вещества, приводящая к образованию геосфер, изостазии, тепловой конвекции в ядре и мантии, океане и атмосфере;

          - движения земных масс внутри планеты и на ее поверхности;

          - образование приливов

          Гравитационное поле представляет собой поле силы тяжести – равнодействующей силы тяготения и центробежной силы вращению Земли.

          Сила тяготения зависит от радиуса Земли, который наименьший на полюсах – где она наибольшая. Центробежная сила наибольшая на экваторе. Сила тяготения убывает от земной поверхности вверх и несколько возрастает вглубь Земли в пределах литосферы.

          Гравитационное поле – потенциальное. Точки с одинаковым потенциалом силы тяжести образуют изопотенциальные поверхности. Значения поля силы тяжести земли отображаются изогалами (линиями равных значений силы тяжести).

          Гравитационная дифференциация. Сила тяготения была одной из главных при образовании Земли из протопланетного облака. Главным в истории планеты с геофизической точки зрения является процесс гравитационной дифференциации вещества – расслоение в соответствии с плотностью вещества в поле силы тяжести. В результате этого возникли геосферы, каждая из которых сложена веществом одного агрегатного состояния и сходной плотности.

          С гравитационной дифференциацией связаны вертикальные тектонические движения блоков литосферы. В атмосфере она приводит к неустойчивости воздушного столба вследствие различных температур и влажности. Гравитационная неустойчивость в метеорологии считается обычной, поэтому уменьшение температуры от земной поверхности вверх – это норма, а её увеличение – инверсия. В гидросфере гравитационная дифференциация зависит от температуры и солености водных масс, что приводит к их перемещению и размещение в соответствии с плотностью (процесс подъема вод – апвеллинг,  опускания – даунвеллинг).

          Изостазия. Процессы плотностной дифференциации проявляют себя также в виде изостатического уравновешивания литосферы. Изостатическое уравновешивание блоков литосферы заключается в том, что материковая кора всплывает вместе с частью верхней мантии, поскольку сложена веществом менее плотным, чем океаническая, и имеет большую мощность.

          Океаническая кора погружается относительно материковой, ибо плотность ее выше, а мощность меньше. Благодаря изостазии поддерживается закономерное соотношение высот суши и глубин океана, которое отображает гипсографическая кривая.

          Изостазия является важным системообразующим свойством географической оболочки. Она определяет конфигурацию континентов и океанов, распределение высот и глубин, а через них – поступление и перераспределение тепла, циркуляцию водных и воздушных масс и другие закономерности пространственной дифференциации географической оболочки.

          Движение земных масс. Составной частью взаимодействия сил, приводящих к движению земные массы, являются вулканические процессы – выбросы в географическую оболочку глубинных масс вещества, сейсмические явления – резкие смещения внутриземных масс (подземные толчки и разрывы земной коры), и тектонические движения – перемещение земных масс внутри планеты и неотектоника. Все они активно влияют на функционирование географической оболочки.

          Приливы. Океанические приливы зависят главным образом от взаимодействия Земли. Луны и Солнца. Ведущую роль играет Луна, притяжение которой в 2 раза больше солнечного. Если приливные волны лунного и солнечного происхождения суммируются, а три светила располагаются по одной прямой, то прилив называется сизигийным, если вычитаются, а Солнце и Луна относительно Земли образуют прямой угол – квадратурным.

          Приливы оказывают воздействие на все оболочки Земли независимо от среды или состояния вещества.

          Приливоотливные движения имеют для Земли важное географическое следствие. В теле Земли во всех средах (твердой, жидкой, газообразной) происходит внутреннее трение, приводящее к преобразованию энергии суточного вращения Земли в механическую, а затем к диссинации энергии суточного вращения Земли. При этом замедляется суточное вращение, уменьшается сила Кориолиса, воздействующие на фигуру и положение геоида.

          Приливообразующая сила представляет пример образования сложных причинно-следственных связей в географической оболочке. Способность системы самопроизвольно усиливать внешнее воздействие свойственна неравновесным системам, к которым относится географическая оболочка, и называется синергизмом.

      Вращение Земли. Основу этого движения составляет одна из сил инерции – сила Кориолиса, обусловленная вращением Земли вокруг своей оси. На Земле она проявляется в том, что свободно падающие тела отклоняются по вертикали к востоку, а тела, движущиеся вдоль земной поверхности, отклоняются вправо в Северном полушарии, а в Южном – влево (например, правые берега рек Северного полушария крутые, а левые – пологие). В атмосфере ветры умеренных широт принимают западное направление, а тропических – восточное.

4.5. Геофизические поля. Магнитное поле земли

Различают два вида магнитного поля Земли: постоянное (главное) и переменное. Природа и происхождение их различны, но между ними существует взаимосвязь.

Постоянное магнитное поле формируется за счёт внутренних источников – электрических токов, возникающих на поверхности уплотнённого ядра Земли из-за различия температур в его частях. Они создают устойчивое магнитное поле, простирающееся на 20-25 земных радиусов, разное по направлению в различных точках земной поверхности и подверженное лишь медленным колебаниям.

Переменное магнитное поле  создаётся внешними источниками, находящимися за пределами планеты – электрическими токами в верхних слоях атмосферы. Они вызывают образование полярных сияний, магнитных бурь, ионизацию воздуха, переход атмосферного кислорода и азота из молекулярного состояния в атомарное и др. Переменное магнитное поле примерно в 100 раз слабее постоянного и характеризуются колебаниями различными по происхождению и продолжительности действия: регулярными (суточные, сезонные), имеющими, главным образом солнечную природу и  нерегулярные (магнитные бури).

Магнитное поле Земли имеет дипольную составляющую, в которой есть ось с северным и южным магнитными полюсами, наклонённая под углом 11,5° к оси вращения.

Диполь (от греч. di …- приставка, означающая дважды, двойной) электрический – совокупность двух равных по абсолютной величине разноимённых точечных зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Основной его характеристикой является вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному и численно равный  произведению заряда на расстояние между зарядами. Дипольный момент определяет электрическое поле на большом расстоянии.

Магнитный диполь – совокупность двух магнитных зарядов, равных по величине и противоположных по заряду. Магнитные поля создаются движущимися электрическими зарядами, т.е. электрическими токами.

Магнитное поле ориентирует стрелку компаса в направлении магнитных силовых линий.

Магнитный меридиан – кривая линия, проводимая в направлении магнитной стрелки и не совпадающая с географическим (истинным) меридианом, и уклоняющаяся от него к востоку или западу.

Магнитные меридианы сходятся в двух точках – магнитных полюсах. Магнитные полюса не совпадают с географическими и их координаты меняются в пространстве. Северный магнитный полюс дрейфует со скоростью 5-6 км/год, хотя в 2000 г. она возросла до 40 км/год. На 1985 г. координаты северного магнитного полюса составляют 77º36' с.ш., 102º48'  з.д., а южного – 65º06' ю.ш., 139º в.д.

Магнитное поле Земли характеризуется следующими показателями:  магнитным склонением, магнитным наклонением и напряжённостью.

Магнитный меридиан – кривая линия, проводимая в направлении магнитной стрелки и не совпадающая с географическим (истинным) меридианом, и уклоняющаяся от него к востоку или западу.

Магнитные меридианы сходятся в двух точках – магнитных полюсах. Магнитные полюса не совпадают с географическими и их координаты меняются в пространстве. Северный магнитный полюс дрейфует со скоростью 5-6 км/год, хотя в 2000 г, она возросла до 40 км/год. на 1985 год координаты северного магнитного полюса составляли 77º 36'  с.ш., 102º 48' з.д., а южного – 65º 06' ю.ш., 139º в.д.

Магнитное поле Земли характеризуется следующими показателями: магнитным склонением, магнитным наклонением и напряжённостью.

Магнитное склонение – угол между истинным направлением (географическим меридианом) и направлением северного конца магнитной стрелки. Его значение изменяется от 0º до ± 180º. Линии одинакового магнитного склонения называются изогонами.

Магнитное наклонение – угол между направлением магнитной стрелки и плоскостью горизонта. Его значение изменяется от 0º до ± 90º. Оно бывает положительным в северном геомагнитном полушарии и отрицательным – в южном. Линии одинакового магнитного наклонения называются изоклинами.

Напряжённость характеризует силу магнитного  поля и её величина возрастает с широтой.

В истории Земли отмечены смены полярности магнитного диполя. Полярность, когда северный конец магнитной стрелки направлен к северу, называется прямой, в противоположном – обратной.

В ряде районов земного шара напряжённость магнитного поля и магнитных силовых линий из-за неоднородности внутреннего строения Земли и остаточной намагниченности горных пород отклоняется от нормального. Такие отклонения называются магнитными аномалиями.

Магнитосфера. Солнце и планеты Солнечной системы обладают магнитным полем, которое создаёт вокруг каждого небесного тела – внешнюю оболочку – магнитосферу. Это область околоземного пространства (средний диаметр магнитосферы в поперечнике более 90 тыс. км), физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц (корпускул) космического происхождения.

Земля постоянно подвергается воздействию корпускулярного излучения Солнца – солнечного ветра, который распространяется от солнечной короны с огромной скоростью (около 400 км/с). Он состоит из протонов и электронов. При взаимодействии солнечного ветра с магнитным полем Земли образуется ударная волна, за которой следует переходная область, где магнитное поле становится хаотичным. Внутри ударной волны находятся радиационные пояса, в которых заряженные частицы перемещаются по спиральным траекториям в направлении магнитных силовых линий. При взаимодействии с верхними слоями атмосферы, эти частицы ионизируют её и вызывают полярные сияния.

Геомагнитное поле, взаимодействуя с солнечным ветром, образует магнитосферу. Под ударами солнечного ветра она сжата со стороны Солнца и сильно вытянута (образуя хвост) в противоположном от Солнца направлении на 900-1050 земных радиусов.

Магнитосфера является главным препятствием для проникновения в географическую оболочку губительного для живого вещества корпускулярного излучения солнца.

Одновременно магнитосфера пропускает к поверхности планеты рентгеновские и УФ-лучи, радиоволны и лучистую энергию, которая служит основным источником тепла и энергетической базой происходящих в географической оболочке процессов.

Установлено много факторов о влиянии магнитного поля на живые организмы (магнитотропизм).

Палеомагнетизм. Палеомагнетизм – свойство горных пород намагничиваться в период своего формирования под действием магнитного поля Земли и сохранять приобретённую намагниченность (остаточную намагниченность) в последующие эпохи.

Величина и направление этой намагниченности соответствуют магнитному полю, существовавшему в данной точке земной поверхности при образовании породы, т.е. миллионы и сотни миллионов лет назад. Палеомагнетизм даёт возможность изучать эволюцию геомагнитного поля, «записанную» в намагниченности горных пород. В каждой породе содержится некоторое количество зёрен ферро- или ферримагнитных минералов (магнетит, титаномагнетит, гематит, ильменит, маггемит, пирротит и др.). В некоторых породах содержание магнитных зёрен составляет лишь доли процента, но, тем не менее, именно эти зёрна обусловливают остаточную намагниченность горных пород. В зависимости от условий формирования горные породы приобретают различную по интенсивности и по стабильности (т.е. по способности противостоять размагничивающим воздействиям) намагниченность.

Виды остаточного палеомагнетизма. Для палеомагнетизма наиболее существенна остаточная термонамагниченность (температурная намагниченность), которая образуется при остывании горной породы, в геомагнитном поле, начиная с температуры выше точки Кюри, температура Кюри (Θ) составляет +500С. Термонамагниченность возникает главным образом при охлаждении расплавов (лав, интрузий), т.е. свойственна извержённым породам. Рост термонамагниченности при температурах T ≤ идёт интенсивно; с охлаждением до «блокирующей» температуры рост резко замедляется и происходит «замораживание» приобретённой намагниченности (вектор намагниченности частиц теряет возможность ориентироваться по полю). Термонамагниченность может в десятки и сотни раз превышать намагниченность, возникающую в том же поле при комнатной температуре. Для разрушения термонамагниченности требуются магнитные поля, в десятки и сотни раз превышающие поле, создавшее её.

Существует ещё остаточная химическая намагниченность, возникающая при росте ферромагнитных зёрен в магнитном поле, вязкая остаточная намагниченность, образующаяся при длительном воздействии магнитного поля на породу (за счёт термоактивационных и диффузионных процессов), и, наконец, ориентационная остаточная намагниченность. Последняя образуется в осадочных породах, при этом магнитные зёрна из размытых кристаллических пород, уже обладающие температурной или химической намагниченностью, осаждаясь на дне водоёмов и рек, ориентируются подобно стрелке компаса в магнитном поле. Затем частицы при отвердевании осадка оказываются вцементированными в него и сохраняют свою ориентацию, которая и обусловливает остаточную намагниченность породы.

Химическая намагниченность у осадочных пород может образовываться как в момент их формирования, так и позднее, а у изверженных пород она всегда вторична, т.е. возникает в процессе становления породы.

Вязкая намагниченность всегда вторична, а значит, не имеет определённого возраста. Таким образом, температурная и ориентационная намагниченности связаны с процессами формирования породы, и если возраст данной породы известен, то тем самым становится известным и время возникновения намагниченности, необходимое для изучения изменения геомагнитного поля во времени.

При палеомагнитных исследованиях выясняют сначала, каким из видов намагниченности обладает данная порода, стремятся выделить первичную намагниченность (образовавшуюся вместе с породой) и по ней определить древнее геомагнитное поле.

Существуют полевые и лабораторные методы исследования, позволяющие определить первоначальное направление вектора остаточной намагниченности путём статистической обработки достаточно большого количества измерений, сделанных на отдельных образцах. По направлению горизонтальной составляющей вектора устанавливается направление магнитного меридиана, по величине наклонения вектора в месте взятия породы определяется палеомагнитная широта.

История магнитного поля Земли. Земной шар обладает свойством магнита, и естественно магнитным полем. Как и у всякого магнита, есть магнитные полюса. Географические координаты Северного магнитного полюса - 77с.ш. и 102з.д.; Южного - 65ю.ш. и 139в.д. Магнитное поле Земли устроено примерно так же, как если бы внутри планеты находился мощный прямоугольный магнит в виде бруска, помещённый в центр Земли под небольшим углом к оси её вращения.

В состоянии магнитного поля Земли в течение её истории современные учёные выделяют 4 эпохи: Гилберта, Гаусса, Матуяма и Брюнес. Эпохи полярности названы в честь учёных, внесших большой вклад в изучение магнетизма Земли. Современную эпоху «нормальной полярности», длящуюся уже около 800 тысяч лет, называют эпохой Брюнес.

В пределах одной и той же эпохи направление магнитного поля нашей планеты оставалось одинаковым, но на короткие отрезки времени всё же меняло своё направление на противоположное. В соответствие с этим внутри эпох выделяют «эпизоды». Каждому эпизоду соответствует направление магнитного поля, обратное направлению в предыдущем эпизоде.

Исследования остаточной намагниченности помогают восстановить древнее магнитное поле, что имеет большое значение для решения ряда вопросов, связанных с проблемами континентального дрейфа и перемещения полюсов.

Палеомагнитные исследования убедительно свидетельствуют, что главное магнитное поле нашей планеты существовало в течение всего времени её геологического развития, ибо остаточной намагниченностью обладают изверженные породы, образовавшиеся даже около 4 млрд. лет назад.

В настоящее время полюс смещается со скоростью 8-9 см в год, а максимальная скорость в периоды бурных тектонических процессов доходила до 17-18 см в год. Причины смещения полюсов можно связать с поднятием и опусканием отдельных участков земной коры, появлением ледников, перераспределением барических центров, возможным увеличением количества воды в океанах, перераспределением масс внутри Земли и т.д.

Палеомагнитные данные подтверждают гипотезу миграции полюсов Земли. Северный магнитный полюс был расположен в центральной части  Северной Америки в нижнем протерозое. Затем он начал двигаться на запад, в район Тихого океана, где занял положение южнее Гавайских островов, и находился там, в течение верхнего протерозоя, кембрия и ордовика. В силуре он располагался у берегов Японии и в дальнейшем повернул на север. В юре полюс находился у берегов Северного Ледовитого океана, где остаётся до настоящего времени.

Хронология геомагнитных инверсий хорошо установлена лишь для позднего кайнозоя (плиоцен, антропоген) и немногих других отрезков геологического времени. Моменты инверсий запечатлены в геологических разрезах всего земного шара и позволяют производить корреляцию далеко отстоящих разрезов. По смене направления намагниченности пород, обусловленной инверсией, расчленяются толщи осадочных или вулканических пород и уточняются датировка их возраста и последовательность геологических событий. Хорошим подтверждением изменения оси вращения Земли являются палеомагнитные исследования.

4.6. Электрическое поле Земли

Электрическое поле существует во всех сферах географической оболочки. Основная его характеристика – напряжённость – представляет собой силу, приложенную в этом поле к единичному положительному заряду. Распределение электрических зарядов в пространстве изображают силовыми линиями.

Явления, связанные с движением электрических зарядов, лежат в основе многих процессов, происходящих во Вселенной и на Земле. Планета постоянно подвергается «бомбардировке» заряженными частицами из Космоса. Некоторые из них возникают за пределами Солнечной системы и они состоят из протонов (85%), ά-частиц (14%) и тяжёлых атомных ядер – это галактические космические лучи.  Кроме них известны солнечные космические лучи, исходящие из солнца и состоящие в основном из протонов.

Именно они формируют внеземные электрические потоки, которые заметно увеличиваются в периоды сильных возмущений на Солнце. При подходе к Земле эти частицы попадают в магнитное поле Земли и приобретают сложный характер движения. Если кинетическая энергия частицы сравнительно небольшая, то она отклоняется полем и не достигает поверхности Земли. Частицы с большой энергией достигают земной поверхности. В области магнитных полюсов протоны даже с малой энергией могут достигать земной поверхности, как бы «навинчиваясь» на магнитные силовые линии. С движением заряженных частиц в магнитном поле Земли связаны полярные сияния – свечение разряженных слоёв воздуха на высоте 90-100 км и молнии – гигантские электрические искровые разряды между облаками.

Земные (теллурические) электрические потоки захватывают обширные участки земной коры и океанической толщи. Главной причиной их образования считают изменение интенсивности, создающее в атмосфере, гидросфере и литосфере переменное электрическое поле. Теллурическое поле очень изменчиво.

В Мировом океане дополнительным источником электромагнитного поля являются скопления определённых микроорганизмов, создающих биоэлектрический эффект (свечение воды) и др.

4.7. Тепловое поле Земли

Тепловое поле Земли существует за счёт неравномерного нагревания вещества Земли – горных пород, вод и воздуха, в результате чего возникает пространственная неравномерность распределения температуры. Источниками термического поля являются внутренние и внешние процессы.

Внешний источник – солнечная радиация, проникает в глубину лишь на несколько метров. Дальнейшее увеличение температуры с глубиной (в среднем 0,3ºС на 100 м) связано с внутренними источниками – распадом радиоактивных элементов, гравитационной дифференциацией вещества, приливным трением, процессами метаморфизма и фазовыми переходами вещества. Главным источником считают гравитационную дифференциацию вещества. Скорость возрастания температуры с глубиной зависит от теплопроводности, проницаемости горных пород. Основная потеря внутреннего тепла Земли происходит за счёт теплового потока, меньшую роль играют вулканизм, землетрясения, гидротермальные источники. Плотность теплового потока из недр определяет энергетическое состояние поверхности Земли и тектонические особенности региона. Среднее значение для Земли теплового потока в несколько десятков тысяч раз меньше потока лучистой энергии Солнца. Современное тепловое поле показывает несомненное влияние на процессы, происходящие в географической оболочке, особенно на развитие живого вещества.

Тепловые взаимодействия описываются уравнениями, вытекающими из физических законов. Фундаментальное значение для понимания процесса переноса тепла в географической оболочке имеют законы (начала) термодинамики. Они послужили основой для объяснения различных форм циркуляции вещества (круговоротов) в географической оболочке. В.В. Шулейкин ввёл понятие «географическая тепловая машина». Это термодинамическая система, в которой из-за разности температур её отдельных частей происходит перенос тепла и совершается работа.

4.8. Геохимические процессы

Геохимические процессы играют важную роль в географической оболочке. Средний состав Земли представлен следующими химическими элементами: Fe – около 42%, O2 – 27, Si – 12, Mg – 11%, а также Ni, S, Ca, Al и K.

Земная кора почти наполовину (47%) состоит из кислорода и её можно считать «кислородной сферой». Вместе с кремнием (30%) это составляет  около 80% массы земной коры.

Миграция и дифференциация вещества. Вещество Земли находится в постоянном движении. На миграцию (движение, перемещение, перераспределение) и дифференциацию элементов влияют две группы факторов: внутренние – свойства химических элементов, определяемые строением атомов, их способностью образовывать соединения, осаждаться из растворов и расплавов, и внешние – характеризующие обстановку миграции – температуру, давление, кислотно-щёлочные и окислительно-восстановительные условия.

Согласно В.И. Вернадскому,  основные формы нахождения элементов следующие:

  1.  горные породы и минералы;
  2.  живое вещество;
  3.  магмы (силикатные расплавы);
  4.  рассеянное вещество.

Химическая миграция вещества в географической оболочке по величине сопоставима с механической, а по значимости превосходит последнюю, так как наряду с биогенной миграцией определяет химический состав всех геосфер. Важнейшее значение имеют два сопряжённых процесса – окисление и восстановление. Парагенезис – совместное нахождение элементов или минералов, связанных между собой генетически.

ГЛАВА 5

СОСТАВ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ

Образование географической оболочки началось, видимо, с её литогенного основания, на которое стали «опираться» воздушные и водные массы. Разделение по времени формирования отдельных сфер планеты носит условный характер, так как практически всё происходило почти одновременно.

Формирование собственного земного вещества началось с вулканогенных образований, представленных лавами, выбросами горячих пеплов и газовых облаков, а также сопутствующими проявлениями дегазации недр. Структурными частями географической оболочки являются тропосфера, земная кора, гидросфера и биосфера, а компонентами – заключённое в них вещество.

5.1. Литосфера

Внутреннее строение Земли. Внутреннее строение Земли включает три оболочки: земную кору, мантию и ядро. Оболочечное строение Земли установлено дистанционными методами, основанными на измерении скорости распространения сейсмических волн, имеющих две составляющие: продольные и поперечные волны. Продольные (P) волны связаны с напряжениями растяжения (или сжатия), ориентированными по направлению их распространения. Поперечные  (S) волны вызывают колебания среды, ориентированные под прямым углом к направлению их распространения. В жидкой среде они не распространяются.

Земная кора – каменистая оболочка, сложенная твёрдым веществом с избытком кремнезёма, щёлочи, воды и недостаточным количеством магния и железа. Она отделяется от верхней мантии границей Мохоровичича, на которой происходит скачок скоростей продольных волн до 8 км/с.

Мощность земной коры (1 % от общей массы Земли) составляет в среднем 35 км: под молодыми складчатыми горами на континентах она увеличивается до 80 км, а под срединно-океаническими хребтами уменьшается до 6-7 км.

Мантия представляет собой наибольшую по объёму и весу оболочку Земли, простирающуюся от подошвы земной коры до границы Гуттенберга (2900 км – нижняя граница мантии). Мантию подразделяют на нижнюю (50% массы Земли) и верхнюю (18%).

Состав мантии достаточно однороден вследствие интенсивного конвективного перемешивания внутримантийными течениями. Предполагается, что она сложена расплавленной силикатной массой, насыщенной газами. Скорости распространения волн (продольных и поперечных) в нижней мантии возрастают до 13 и 7 км/с. Верхняя мантия с глубины 50-80 км (под океанами) и 200-300 км (под континентами) до 660-670 км называется астеносферой. Это слой повышенной пластичности вещества, близкого к температуре плавления.

Ядро представляет собой сфероид со средним радиусом около 3500 км. Ядро является наиболее плотной оболочкой. Оно разделяется на внешнее (жидкое) – до глубины 5150 км и внутреннее (твёрдое). Во внешнем ядре скорость распространения продольных волн падает до 8 км/с, а поперечные не распространяются. Во внутреннем ядре скорость продольных волн увеличивается и вновь проходят поперечные волны. На внутреннее ядро приходится 2% массы Земли, на внешнее – 29%.

Внешняя «твёрдая» оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть мантии, образует литосферу, мощностью 50-200 км.

Литосферу и подстилающие подвижные слои астеносферы, где обычно зарождаются и происходят внутриземные тектонические движения, находятся очаги землетрясений и расплавленной магмы, называют тектоносферой.

Состав земной коры. Химические элементы в земной коре образуют минералы, которых содержится более 3000, из них около 50 породообразующих. Природные сочетания минералов образуют горные породы. Земная кора сложена горными породами различного состава и происхождения. По происхождению они подразделяются на магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические горные породы образуются за счёт застывания магмы. Если это происходит внутри земной коры, то формируются интрузивные породы, а при излиянии магмы на поверхность – эффузивные образования. По содержанию кремнезёма (SiO2) различают следующие группы магматических горных пород:

  •  Кислые ( >65% - граниты, липариты и др.);
  •  Средние (65-53% - сиениты, андезиты и др.);
  •  Основные (52-45% - габбро, базальты и др.);
  •  Ультраосновные (< 45% - перидотиты, дуниты и др.).

Осадочные горные породы возникают на земной поверхности за счёт отложения материала разными способами. Обломочные породы – образуются в результате разрушения горных пород (валунники, галечники, конгломераты, пески, песчаники и др.). Органогенные породы создаются при участии организмов (известняки, угли, мел и др.). Хемогенные породы образуются за счёт выпадения вещества из раствора при определённых условиях.

Метаморфические породы образуются в результате изменения магматических и осадочных пород под воздействием высоких температур и давлений в недрах земли (гнейсы, кристаллические сланцы, мрамор и др.).

Около 90% объёма земной коры составляют кристаллические породы магматического и метаморфического происхождения. Для географической оболочки важную роль играет относительно маломощный и прерывистый слой осадочных горных пород (стратисфера), который контактирует с различными компонентами географической оболочки. Средняя мощность его составляет 2,2 км, а реальная мощность колеблется от 10-14 км в прогибах до 0,5-1 км на океаническом ложе. Наиболее распространёнными среди осадочных пород являются глины и глинистые сланцы (50%), пески и песчаники (≈ 24%), карбонаты (≈ 24%).

Строение земной коры. По строению  и мощности различают два основных типа земной коры – материковый (континентальный) и океанический.

Материковая кора состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоёв. Гранитный слой состоит из пород, обогащённых Si и Al (SIAL), а базальтовый – Si и Mg (SIAM). Граница между гранитным и базальтовым слоями называется – граница Конрада.

Океаническая кора  сложена базальтами, на которых лежит маломощный осадочный слой. Мощность базальтового слоя более 10 км, а осадочного не превышает 1-1,5 км.

Базальтовый слой на материках является первичной земной корой возникший несколько миллиардов лет назад, а в океанах он возник за счёт подводных излияний при раздвижении литосферных плит.

Местами наблюдается переходный тип земной коры, обусловленный различиями в развитии отдельных частей планеты и их возрасте.

Структурные элементы земной коры. Земная кора формировалась е менее 4-х миллиардов лет, в течение которых она усложнялась под действием эндогенных и экзогенных процессов. Тектонические движения сформировали структуру земной коры, которая образует рельеф планеты.

Крупные формы рельефа – морфоструктуры (горные хребты, плато и др.) и мелкие формы рельефа – морфоскульптуры (карст и др.).

Основные планетарные структуры Земли – материки и океаны. В пределах материков выделяют крупные структуры II порядка – складчатые пояса и платформы.

Платформы – устойчивые в тектоническом отношении участки земной коры. Они состоят из двух ярусов – нижнего, образованного древнейшими породами – фундамент, и верхнего, сложенного, преимущественно осадочными породами более позднего возраста – осадочный чехол.

Возраст платформ оценивают по времени формирования фундамента. Участки платформ, где фундамент погружён под осадочный чехол, называют плитами (например, Русская), а места выхода на дневную поверхность пород фундамента платформы называют щитами (например, Балтийский).

Складчатые пояса, или геосинклинали – тектонически подвижные и резко расчленённые вытянутые участки земной коры. Для него характерны интенсивность вертикальных движений, складкообразования, магматизма, вулканизма и землетрясений. Все основные геосинклинали были заложены в протерозое. В настоящее время существуют альпийский и тихоокеанский геосинклинальный пояса.

На дне океанов выделяются тектонически устойчивые участки – талассократоны и подвижные – георифтогенали. Существуют активные и пассивные контактные зоны между континентами и океанами.

Динамика литосферы. Различают две группы направлений, которые дают представление о механизме формирования земных структур.

Представители фиксизма исходят из утверждения о фиксированном положении континентов на поверхности Земли и преобладании вертикальных движений в тектонических деформациях пластов земной коры. Сторонники мобилизма первостепенную роль отводят горизонтальным движениям (гипотеза дрейфа материков, теория неомобилизма).

Согласно теории неомобилизма, литосфера состоит из плит, которые перемещаются в горизонтальном направлении со скоростью от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в год. Они вовлекаются в движение в результате тепловой конвекции в верхней мантии.

Существует три варианта взаимодействия литосферных плит:

  •  Расхождение, или спрединг;
  •  Столкновение, или субдукция;
  •  Горизонтальное скольжение одной плиты относительно другой.

Формирование современного облика Земли. В течение всей истории Земли расположение и конфигурация континентов и океанов постоянно изменялись. Согласно геологическим данным, континенты Земли объединялись четыре раза. Последний суперконтинент – Пангея, с достаточно мощной континентальной корой (20-35 км) сформировался 250 млн. лет назад, распался на южную часть – Гондвану и северную – Лавразию. Распад Пангеи  привёл к образованию палео-Тихого океана и океана Тетис, а в дальнейшем (65 млн. лет назад) и современных океанов. В настоящее время континенты расходятся. Трудно предположить какова будет дислокация современных континентов и океанов в будущем.

5.2. Атмосфера

Атмосфера – внешняя газовая оболочка Земли. Нижней границей атмосферы является земная поверхность. Верхняя граница проходит на высоте 3000 км, где плотность воздуха становится равной плотности вещества в Космосе.

Воздух атмосферы удерживается у земной поверхности силой притяжения. Общий вес атмосферы равен 5,136 · 1015 т, что соответствует весу равномерно распределенного по Земле слоя воды в 10 м или слоя ртути толщиной 76 см. атмосферное давление у земной поверхности составляет 760 мм рт. ст., или 1 атм. (1013 гПа, или 1013 мбар). Плотность воздуха с высотой уменьшается. На высоте 300 км она уже в 100 млрд. раз меньше, чем у поверхности Земли.

Состав атмосферы. Атмосфера состоит из постоянных и переменных компонентов. К постоянным компонентам относятся азот (78% по объёму), кислород (21%) и инертные газы (0,93%). Постоянство количества азота и кислорода определяются равновесием между процессами выделения свободного кислорода и азота и их поглощением в ходе химических реакций. Переменными составляющими являются углекислый газ (диоксид, двуокись углерода), водяной пар, озон, аэрозоли.

Водяной пар задерживает до 60% теплового излучения планеты. При испарении влаги (источник пополнения атмосферы водяным паром) значительная часть энергии  переходит в открытую форму, а затем выделяется при конденсации. Это происходит на высоте облачного покрова. В результате таких фазовых переходов большое количество энергии перемещается в пределах географической оболочки, «питая» различные атмосферные процессы (тропические циклоны).

В приземном слое атмосферы содержится 0,03% углекислого газа. Содержание диоксида углерода быстро убывает с высотой, понижаясь до нуля практически на верхней границе атмосферы. Углекислый газ задерживает до 18% теплового излучения Земли. Это основной материал для построения зелёными растениями органического вещества.

Водяной пар и углекислый газ служат природными атмосферными фильтратами, задерживающими длинноволновое тепловое излучение земной поверхности. Благодаря этому возникает парниковый эффект, который определяет общее повышение температуры земной поверхности на 38ºС (её среднее значение составляет +15ºС вместо -23ºС).

Аэрозольные частицы – это находящиеся во взвешенном состоянии минеральная и вулканическая пыль, продукты горения (дым), кристаллики морских солей, споры и пыльца растений, микроорганизмы. Содержание аэрозолей определяет уровень прозрачности. В связи с активной антропогенной деятельностью запыленность атмосферы увеличилась. Наиболее крупные аэрозоли – ядра конденсации – способствуют превращению водяного пара в водяные капли (облака).

Вертикальное строение атмосферы. Атмосферу подразделяют на пять оболочек.

Тропосфера. Нижняя часть атмосферы, непосредственно прилегающая к земной поверхности, называется тропосферой. Она простирается над полюсами до высоты 8 км, а над экватором – до 16-17 км. Здесь сосредоточено около 80% всей массы атмосферы. Наблюдаемое понижение температуры (в среднем 0,6º на 100 м) связано с расширением воздуха под воздействием уменьшения с высотой  давления, а также с переносом теплоты от земной поверхности. При средней годовой температуре воздуха +15ºС на уровне моря, на верхней границе тропосферы она достигает -56ºС. В ряде случаев наблюдается инверсия (повышение температуры с высотой).

Физические свойства тропосферы во многом обусловлены характером взаимодействия с подстилающей поверхностью. Она содержит основное количество всей атмосферной влаги. Далее располагается переходный слой – тропопауза.

Стратосфера. Выше тропосферы, примерно, до высоты 50 км располагается стратосфера. До высоты 20 км наблюдается изотермический слой (-56ºС), а после температура повышается и достигает 0ºС на верхней границе стратосферы. Она охвачена мощной горизонтальной циркуляцией с элементами вертикальных движений.

Особенностью стратосферы является озоновый слой, находящийся на высоте 25-28 км. Озон сильно адсорбирует УФ – лучи, которые  губительны для живых организмов.

В последние годы обнаружено сокращение озона в атмосфере, которое получило название «озоновой дыры». Возможно, что их образование и исчезновение представляет собой естественный процесс развития географической оболочки и планеты в целом.

Мезосфера. Над стратосферой до высоты 80-90 км располагается мезосфера. Температура в этом слое вновь понижается и достигает -107ºС. На высоте 75-90 км наблюдаются «серебристые облака», состоящие из кристалликов льда.

Термосфера. До высоты ≈ 800-1000 км располагается термосфера. Здесь температура воздуха снова повышается: на высоте 100 км она переходит через 0ºС,  достигая +220ºС на высоте 150 км и +1500ºС – на высоте 600 км. Воздух термосферы на высоте 200 км состоит из азота и кислорода в соотношении 45 : 55%. Под действием УФ и космических лучей частицы воздуха электрически заряжены, с чем связано возникновение полярных сияний. Термосфера поглощает рентгеновское излучение солнечной короны и способствует распространению радиоволн.

Экзосфера. Выше 1000 км располагается экзосфера. Скорость движения атомов и молекул газов достигает здесь третьей космической скорости (11,2 км/с), что позволяет им преодолевать земное притяжение и рассеиваться в космическом пространстве. У основания экзосферы температура достигает 2000ºС.

Основные черты воздушной циркуляции в тропосфере. Воздушная циркуляция обусловлена неравномерным распределением атмосферного давления у земной поверхности, следствием чего являются системы ветров – направленных перемещений воздуха из области высокого давления в области низкого.

Барическое поле, создаваемое из различных воздушных масс, состоит из отдельных барических систем, среди которых различают циклоны (облако низкого давления в центре и движение воздуха против часовой стрелки) и антициклоны (область высокого давления в центре и движение воздуха по часовой стрелке); барические депрессии и гребни, ложбины и седловины. Различают постоянные центры действия атмосферы – области высокого и низкого давления, существующие круглый год или в определённый сезон. Преобладающие переносы воздушных масс и их динамика проявляются в пассатных, муссонных, бризовых циркуляциях; в формировании и миграции воздушных  фронтов на поверхности Земли. Особый интерес представляют тропические циклоны, называемые в Атлантическом океане ураганами, в Тихом – тайфунами.

Воздушные массы и атмосферные фронты. Воздух тропосферы в горизонтальном направлении распадается на отдельные воздушные массы – большие движущиеся объёмы воздуха, обладающие однородными свойствами. Свойства воздушных масс зависят от географической широты и характера подстилающей поверхности (материки или океаны). Выделяют следующие типы воздушных масс: экваториальные, тропические, полярные, или воздух умеренных широт и арктические (антарктические).

Экваториальный воздух образуется в экваториальном поясе и характеризуется высокой температурой и влажностью над материками и океанами. Экваториальный воздух заходит в субэкваториальный пояс, принося сюда обильные осадки.

Тропический воздух (морской и континентальный) формируется в тропиках и субтропиках над океанами и материками. Летом образуется континентальный тропический воздух над аридными районами умеренных широт (Средняя Азия, Монголия, Северный Китай, Большой Бассейн в Северной Америке). Этот воздух характеризуется высокой температурой и низкой влажностью. Морской тропический воздух прохладнее континентального, но содержит больше влаги. С поверхности океанов в тропическом поясе происходит сильное испарение.

Воздух умеренных широт, или полярный (морской и континентальный) характеризуется большим разнообразием. Летом воздух сильно прогревается, становится влажным. Зимой континентальный воздух сильно охлаждается и становится сухим. Морской воздух характеризуется  повышенной влажностью и умеренной температурой. Зимой он приносит оттепели и осадки, летом – прохладную  и пасмурную погоду с осадками.

Арктический и антарктический воздух образуется над ледовыми  и снежными поверхностями обоих полушарий в полярных районах. Для него характерны низкие температуры, малое содержание влаги и высокая прозрачность.

Континентальный арктический воздух, формирующийся над ледниками – очень холодный и сухой, а морской – над открытыми океаническими просторами – более тёплый и влажный. Вторжения арктического  (антарктического) воздуха всегда приносит похолодание летом и морозы зимой.

Одновременно в атмосфере формируются различные воздушные массы, контактирующие между собой в пограничных слоях – атмосферных фронтах. Они наиболее динамичные части тропосферы.

Различают следующие области высокого и низкого давления на земном шаре: экваториальный пояс – низкое давление; тропический пояс – высокое; умеренные широты – низкое; полярные широты – высокое давление.

Роль атмосферы в географической оболочке исключительна велика. Атмосфера преобразует поступающую солнечную энергию. Она поддерживает жизнь на Земле, защищая земную поверхность от охлаждения и регулирует распределение тепла и влаги. Она служит щитом против метеоритов и предохраняет организмы от УФ – лучей.

Каждая из составных частей атмосферного воздуха выполняет в географической оболочке свои функции. Кислород участвует в реакции окисления (дыхание, тление, горние). Азот в химических соединениях служит питанием для растений и микроорганизмов.

Современная атмосфера, особенно тропосфера, в значительной степени представляет собой продукт живого вещества биосферы. Полное обновление фотосинтетического кислорода планеты живым веществом происходит за 5200-5800 лет.

5.3. Гидросфера

Гидросфера – совокупность всех вод на Земле: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических и атмосферных. Воды морей и океанов объединяются в океаносферу, или Мировой океан.

Возникновение воды на земле обычно связывают с конденсацией водяных паров вулканических извержений, происходивших с начла формирования планеты. Первичные воды были сильно минерализованы, что связано с растворением в них различных веществ, выделявшихся вместе с водяным паром при вулканизме. Пресные воды появились позднее. Дополнительным источником воды на Земле были ледяные кометы, вторгавшиеся в атмосферу.

Несмотря на многообразие природных вод, гидросфера едина, ибо все её части связаны между собой.

Физико-химические свойства воды. Вода – самое удивительное вещество на Земле. Она тает при 0ºС, кипит при +100ºС, хотя может замерзать при температуре +100ºС и оставаться жидкой при -68ºС. В зависимости от содержания кислорода и атмосферного давления она обладает многими разнообразными (аномальными) свойствами.

В естественных условиях вода встречается в трёх агрегатных состояниях: твёрдом (лёд), жидком (вода) и газообразном (водяной пар).

Пресная вода  не имеет запаха, цвета и вкуса, тогда как морская обладает вкусом, цветом и может иметь запах.

Присутствие солей в воде изменяет её фазовые превращения. Пресная вода на поверхности суши при давлении в 1 атм имеет температуру замерзания 0º С и температуру кипения 100ºС. Морская вода при давлении в 1 атм и при солёности 35‰  имеет температуру замерзания  около -1,9ºС и температуру кипения +100,55ºС. Температура кипения зависит от атмосферного давления: чем больше высота над землёй, тем она меньше.

Вода – универсальный растворитель: она растворяет больше солей и прочих веществ, чем любое другое вещество. Это химически стойкое вещество, которое трудно окислить, сжечь или разложить на составные части. Вода окисляет почти все металлы  и разрушает даже самые стойкие горные породы.

При замерзании вода расширяется, увеличивая объём ≈ на 10%. Плотность пресной воды составляет 1,0 г/см3, морской – 1,028 г/см3 и пресного льда – 0,91 г/см3 (поэтому лёд плавает в воде). При температуре +4ºС вода имеет самую высокую плотность. Она опускается на дно океанов и поэтому там всегда температура около +4ºС.

Вода обладает большой удельной теплоёмкостью, т.е. способностью поглощать большое количество теплоты и сравнительно мало при этом нагреваться. Это свойство чрезвычайно важно, так как вода стабилизирует климат планеты.

Аномальные  свойства воды объясняются строением её молекулы: атомы водорода прикрепляются к атому кислорода не  «классически», а под углом 105°. Вследствие асимметрии одна сторона молекулы воды имеет положительный заряд, а другая – отрицательный. Поэтому молекула воды представляет собой электрический диполь.

Процессы, где участвует вода, чрезвычайно многогранны: фотосинтез растений и дыхание организмов, деятельность бактерий и организмов, генерирующих из воды (главным образом морской) для строительства своих скелетов или аккумулирующих в себе химические элементы (Ca, J, Co), процессы питания и антропогенное загрязнение и многие другие.

Мировой океан (океаносфера) – единая непрерывная водная оболочка, состоящая из морей и океанов. В настоящее время выделяют пять океанов: Тихий, Атлантический, Индийский, Северный Ледовитый (Арктический0 и Южный (Антарктический). Насчитывается 54 моря, среди которых выделяются внутренние и окраинные.

Объём вод мирового океана составляет 1340-1370 млн. км3.

Если бы поверхность Земли была совсем ровной, океан покрывал бы её слоем воды в 2700 м.

Воды Мирового океана составляют 96,5% объёма гидросферы и покрывают около 71% поверхности планеты. Благодаря огромной водной массе Мировой океан оказывает большое влияние на тепловой режим земной поверхности, выполняя функции планетарного терморегулятора.

Химический состав вод Мирового океана. Морская вода – особый тип природных вод. Помимо водорода и кислорода в воде встречается 81 химический элемент.

Важнейшее свойство океанической воды – солёность. Она выражается в промилле (0,1%) и её средняя величина составляет 35‰. Температура воды и солёность определяют плотность морской воды.

Основные составные части морской воды: твёрдые вещества, биогенные элементы, газы и микроэлементы.

Из твёрдых веществ больше всего в морской воде хлора и натрия, а также содержится магний, сера, кальций, калий, бром, углерод. Главные растворённые элементы образуют соединения: хлориды (NaCl, MgCl2) – 88,7%, которые придают морской воде горьковато-солёный вкус; сульфаты (MgSO4, CaSO4, K2SO4) – 10,8%; карбонаты (CaCO3)  – 0,3%.  В пресной воде наоборот: больше всего карбонатов (>60%) и меньше всего хлоридов (>5%).

Биогенные элементы (питательные вещества) представлены фосфором, кремнием, азотом и другими.

Из газов в морской воде содержатся все атмосферные газы: азот (63%), кислород (34%) и углекислый газ (около 3%), присутствует аргон и гелий. В морских районах, где отсутствует кислород, образуется сероводород (например, Чёрное море).

Микроэлементы присутствуют в малых концентрациях.

Географические закономерности распределения температуры воды и солёности. Температура воды понижается в направлении от экватора к полюсам, а для солёности характерны выраженный минимум в приэкваториальной области, два максимума в тропических широтах и пониженные значения у полюсов. Чередование очагов пониженной и повышенной солёности у экватора и в тропиках объясняется обилием атмосферных осадков в экваториальной полосе и превышением испарения над количеством осадков у северного и южного тропиков.

Температура воды с глубиной понижается. Наибольшие изменения происходят в верхнем слое до глубины 50-100 м.

Водные массы – это большие объёмы воды, формирующиеся в определённом районе Мирового океана и обладающие постоянными физическими, химическими и биологическими свойствами.

По вертикали различают поверхностные, промежуточные, глубинные и придонные водные массы. Среди поверхностных выделяют экваториальные, тропические, субтропические, субполярные и полярные водные массы.

Поверхностные воды наиболее активно взаимодействуют с атмосферой. В этом слое происходит интенсивное перемешивание вод, он богат кислородом, углекислым газом и живыми организмами. Их можно назвать водами «океанической тропосферы».

Рельеф дна Мирового океана. В рельефе дна Мирового океана выделяют следующие структуры:

  •  Шельф (материковая отмель) до 200 м, или литораль;
  •  Материковый (континентальный) склон до глубины 2000-3000 м, или батиаль;
  •  Ложе океана глубже до 6000 м, или абиссаль;
  •  Океанические впадины глубже 6000 м.

Роль океаносферы. Разнообразные процессы, протекающие на огромной акватории Мирового океана оказывают существенное влияние на процессы, происходящие на суше и в атмосфере. Химические элементы, входящие в состав морской воды, участвуют в процессах газо-, массо- и влагообмена на границах гидросфера – литосфера – атмосфера. постоянный газообмен с атмосферой регулирует газовый баланс Земли.

Воды суши. Несмотря на сравнительно небольшой объём, воды суши играют огромную роль в процессах функционирования географической оболочки и жизнедеятельности организмов.

Реки – наиболее активный представитель пресных вод суши. Реки (ручьи) – постоянные и относительно крупные водотоки. Рельеф, геологическое строение, климат, почвы, растительность влияют на режим рек и формируют их природный облик. Река имеет исток – место, откуда она начинается, и устье – место впадения реки в водоём (озеро, море, река). Устье образует дельту. Участок по которому протекает река – русло. Главная река с притоками – речная система. Реки, впадающие в Мировой океан, образуют эстуарии – обширные пространства смешения речной и морской воды.

Характер стока рек связан с их питанием, которое бывает дождевым, снеговым, ледниковым и подземным. Реки, преимущественно снегового питания имеют ярко выраженное весеннее половодье и летнюю межень (Волга, Днепр, Днестр, Дунай и др.). Участки земной поверхности и толщи почв и грунтов, откуда река получает питание, называется водосбором.

Реки производят значительную работу, размывая русло, транспортируя и отлагая продукты разрушения – аллювий. Они не только механически разрушают, но и растворяют горные породы. Речные отложения образуют огромные аллювиальные равнины (Амазонская, Западно-Сибирская низменность и др.). Вода в реках обновляется каждые 16 дней, а в Мировом океане – за 2500 лет.

Озёра – естественный водоём суши с замедленным водообменом, не имеющий прямой связи с океаном. Для его образования необходимо наличие замкнутого понижения земной поверхности (котловины). По условиям образования, размерам, химическому составу вод, термическому режиму озёра очень разнообразны. Самым крупным солёным озером является Каспийское море, а пресным – Байкал. Режим озёр характеризуется притоком тепла, колебаниями уровня воды, течениями, условиями водообмена, ледовитостью и др.

Болота – это области суши, характеризующиеся избыточным увлажнением, застойным или слабо проточным режимом вод и гидрофитной растительностью. Возникновение болот связано как с климатическими условиями (избыток влаги), так и с геологическим строением территории (близость водоупорного горизонта). Специфическим образованием болот является торф.

Подземные воды – это воды, находящиеся в горных породах в жидком, твёрдом и газообразном состоянии. Очень много воды находится в горных породах литосферы. Вода скапливается в различных пустотах. Установлено, что ниже уровня грунтовых вод до глубины 4-5 км и более почти все пустоты горных пород заполнены водой.

Совокупность водотоков (рек, ручьи, каналы) водоёмов (озёр, водохранилищ) и других водных объектов (болот, ледников) составляет гидрографическую сеть.

Воды суши сильно преобразованы человеком за счёт ирригации, мелиорации, распашки земель и др., в связи, с чем остро обозначилась проблема питьевой воды.

5.4. Криосфера

Криосфера – прерывистая и непостоянная по конфигурации оболочка Земли в зоне теплового взаимодействия атмосферы, гидросферы и литосферы с отрицательными или нулевыми температурами, при которых вода находится в твёрдой фазе (лёд, снег, иней, мерзлота0 или в переохлаждённом состоянии.

Криосфера занимает особое место среди и внутри геосфер, и она состоит из криолитосферы – зона мерзлых горных пород; криогидросферы – зона морских льдов; и хионосферы – зона отрицательных температур в атмосфере.

Распространение криосферы тесно связано с природными условиями различных районов. Для неё характерна глобальная дисимметрия, когда в районах с холодным морским климатом или влажным континентальным образуются льды наземные (ледники), а в районах холодного сухого континентального климата – льды подземные.

Ледяной покров. Современное оледенение включает: оледенение поверхности суши и верхних горизонтов земной коры и ледяной покров гидросферы – плавучие льды. Лёд следует рассматривать как природный материал, который в течение сезонов года непрерывно меняет свои свойства. Даже в одном географическом районе лёд в разное время года различен по своим физико-механическим свойствам. В природе существует только одна обычная фаза замёрзшей воды – лёд I. Существует ещё ряд типов льда, но могут появиться только при ограниченном давлении, которое может быть получено в лабораторных условиях.

Льды суши встречаются в форме сезонных образований, появляющихся в холодное время года, и в виде многолетнего ледяного покрова, включающего наземные, плавучие и сползающие с берега шельфовые ледники, а также подземные льды в районах вечной мерзлоты.

Ледники покрывают около 10% всей суши (Антарктида, Гренландия и др.). В период максимального распространения ледников – плейстоценовую эпоху оледенения они занимали 32% суши.

По оценке Р. Флинта, объём современных ледников составляет 24 · 106 км3. Если распределить этот объём равномерно по поверхности суши, она окажется под ледяным покровом толщиной 182 м. таяние этих льдов поднимет уровень Мирового океана на 50-60 м.

Практически все горы мира охвачены современным оледенением. Распространение ледников подчиняется широтной географической зональности и высотной поясности. Поэтому все ледники находятся на различной абсолютной высоте. Ледники испытывают движение. Перемещаясь под действием илы тяжести, ледники и вмёрзшие в них  породы производят огромную разрушительную работу – экзарацию поверхности горных пород, транспортируют продуты разрушения и отлагают перенесённый материал в виде морен.

Вечная мерзлота - это часть земной коры, которая характеризуется средней нулевой или отрицательной температурой. 95,7% вечной мерзлоты расположено в Северном полушарии. Максимальной мощности (1500 м) слой вечной мерзлоты достигает в верховьях реки Мархи (приток Вилюя).

Мёрзлые грунты, как и ледники, отражают как и современную климатическую обстановку, так и обстановку прошлых эпох.

Плавучие льды. Образование плавучего льда драматическое событие в жизни природы, поскольку замедляется обмен между океаном и атмосферой.

Плавучий лёд образуется при охлаждении воды ниже точки замерзания, которая различна для пресной и солёной воды. С понижением температуры плотность воды увеличивается, и, опускаясь, холодная вода вытесняет более тёплую к поверхности – такой процесс называется конвекцией. Если охлаждение продолжается, то мощность смешанного слоя будет увеличиваться. Когда поверхностный слой охладится до точки замерзания и перестанет опускаться, начнётся льдообразование. Также лёд может образовываться при наличии ядер кристаллизации.

Солёность льда колеблется от 0 до 15‰, составляя в среднем 3-8‰ .

Плавучие льды классифицируют по происхождению (морские, речные и материковые), типу (ледяные иглы, сало, шуга и др.) и возрасту (молодые, многолетние).

Особое место при рассмотрении ледников занимают айсберги, которые формируются на суше.

Распределение льдов в Мировом океане подчиняется закону географической зональности.

В Северном Ледовитом океане льды сохраняются в течение всего года и находятся в постоянном движении. Ледяное кольцо вокруг Антарктиды имеет ширину от 500 до 2000 км. Колоссальные ледники сползают к урезу воды, формируя своеобразные ледяные берега Южного океана.

Роль ледяного покрова. Вода в твёрдом состоянии также играет важную роль в реализации влаго- и теплообмена земной поверхности.

  1.  ледяной и снежный покровы участвуют в энергетическом бюджете Мирового океана. Вода – хороший поглотитель солнечной энергии, а лёд и снег – очень хорошие отражатели. Чистая вода поглощает около 80% поступающей радиации, то морской лёд может отражать до 80% и более. Вследствие этого суша и океаны получают меньше солнечной радиации, так как значительная часть её отражается ледяной поверхностью.
  2.  образование морского льда в значительной мере уменьшает взаимодействие океана с атмосферой, задерживая распространение конвекции вглубь океана.
  3.  прямые и рассеянные лучи Солнца легко проходят через ледяной покров и, достигая верхнего слоя воды, почти целиком поглощаются. Лёд задерживает длинноволновое излучение и создаёт своеобразный парниковый эффект. Благодаря этому лёд способствует нагреванию лежащих под ним слоёв воды.
  4.  в полярных областях процессы переноса тепла и скрытой теплоты парообразования фактически прекращаются. В итоге разность температуры атмосферы между тропиками и полярными областями резко увеличивается. Это приводит к более энергичной циркуляции в глобальной системе ветров, что в  свою очередь, обусловливает более мощный атмосферный теплоперенос к полюсам.

5.5. Биосфера

Биосфера – это особое пространство географической оболочки, объединяющее практически все геосферы, где существует или существовала жизнь. В широком смысле к биосфере относят не только наружную область Земли, но и все сферы, в разной мере изменённые жизнью. В.И. Вернадский относил к биосфере и верхнюю часть земной коры, включая гранитный слой. Биосфера (в широком смысле)(или «биостром» по Ф.Н. Милькову) – область активной современной жизни организмов, которая охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Биосфера (в узком смысле) – это совокупность живых организмов, населяющих земную поверхность - или «биота» по П. Дювиньо и М. Тангу.

Термин «биосфера» ввёл австрийский геолог Э. Зюсс в 1875 г., понимавший ей как тонкую плёнку жизни на земной поверхности. Создание целостного учения о биосфере принадлежит В.И. Вернадскому, рассматривавшего биосферу как одну из геологических оболочек Земли.

Биосфера – самая крупная (глобальная) экосистема Земли, область взаимодействия живого и косного вещества на планете.

Распространение биосферы. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы Земли, населённые и в значительной степени преобразованной живыми организмами.

Поскольку основным фактором распространения жизни является солнечная энергия и жидкая вода, то все живые организмы распределены главным образом в верхних слоях литосферы и гидросферы, а также во всей тропосфере. Чем лучше та или иная земная оболочка пропускает солнечные лучи, тем на большую глубину она заселена живыми организмами. Однако биосфера не заканчивается там, куда доходит свет.

Жидкая вода является более важным лимитирующим фактором в расселении организмов, чем свет. Пространственная локализация жизни обычно связывается с особенностями функционирования живых организмов. Мощность биосферы асимметрична, так как она в океанической части Земли составляет чуть более 17 км, а на суше уменьшается до 12 км.

В литосфере живые организмы проникают на ничтожную глубину. Основная масса их сосредоточена в верхнем слое почвы мощностью в несколько десятков сантиметров, и редко проникает на несколько метров или десятков метров (корни растений, дождевые черви). Ограничивающим фактором является отсутствие света, механические свойства горных пород, возрастание температуры с глубиной. Однако глубокое бурение показало наличие живых микроорганизмов на глубинах более 3 км, в т.ч. ниже дна океанов.

Растения проникают в нижние слои атмосферы на высоту от нескольких сантиметров до нескольких метров, иногда на десятки метров. На несколько сотен метров в атмосферу проникают насекомые, летучие мыши и птицы. Восходящие потоки воздуха могут поднимать на несколько километров покоящиеся стадии (споры, пыльцу, цисты, семена) животных и растений. Однако организмов, проводящих всю свою жизнь в воздухе, не известно. Протяжённость биосферы ввысь ограничена недостатком воды и низким давлением углекислого газа. Однако, высоко в горах растут и даже цветут хлорофиллсодержащие растения. На высоте 640 метров (Гималаи) обитает лютик бахромчатый. На ещё больших высотах встречаются мхи, лишайники, и некоторые животные (пауки, клещи).

Гидросфера заполнена жизнью по всей толще в отличие от атмосферы и литосферы.

Значительная асимметрия характерна для метабиосферы, охватывающей осадочные породы. Максимальная мощность достигает 30 км. В гидротермах на дне океанов на глубинах около 3000 м обнаружены организмы при температуре +250ºС и давлении 300 атм. (вода не кипит).

Живые организмы обитают практически в любой среде. В рассеянной форме жизнь проникает в глубь Земли: по трещинам земной коры, шахтам и др. животные, растения и бактерии могут опускаться до 3 и более километров. Нефть имеет своеобразную бактериальную флору.

В Атлантическом океане обнаружены красные водоросли на глубине 270 м, где очень низка доля процента освещённости. На дне Тихого океана найден сверхгорячий источник с температурой воды +400…+430ºС в которых обитали бактерии, раковины, моллюски и некоторые виды червей. Живое существо найдено и в толще антарктических льдов.

Жизнеспособность некоторых видов организмов  невероятна. Английские учёные высушили личинки современных комаров при температуре +100ºС, погрузили в жидкий гелий (-269ºС), облучили и вернули обратно. После этого комары продолжили свой биологический цикл.

Организация биосферы. По современной классификации органический мир на Земле на высшем таксономическом уровне делится на два  надцарства: прокариоты (безъядерные) и эукариоты (ядерные). Прокариоты включают Царство Археобактерии и Бактерии (в т.ч. цианобактерии, или сине-зелёные водоросли), а эукариоты – Царства: Животные, Грибы и Растения.

Животный мир можно классифицировать, исходя из функций, выполняемых ими в обмене веществом и энергией. Различают автотрофные и гетеротрофные организмы. К автотрофным относятся зелёные растения и некоторые прокариоты (пурпурные фотосинтезирующие бактерии, сине-зелёные водоросли и хемобактерии). Они создают органическое вещество из неорганических используя в качестве источника энергии солнечную радиацию – фотосинтез. Некоторые бактерии создают органическое вещество за счёт химических реакций – хемосинтез.

Гетеротрофные организмы (животные, грибы, большинство бактерий) питаются готовым органическим веществом, при этом грибы и бактерии используют органические остатки и продукты жизнедеятельности других организмов.

Все организмы обладают подвижностью: перенос ветром спор, семян растений, насекомых; миграции рыб, черепах и др. на огромные расстояния.

На суше обитает до 500 тыс. видов растений, в т.ч. 60 тыс. низших и 259 тыс. покрытосеменных. Животных насчитывается 1,5 млн. видов, из которых около 1 млн. – насекомые. По сравнению с сушей видовое разнообразие фауны и флоры в  океане беднее. В его водах обитает около 10 тыс. видов растений и более 169 тыс. видов животных.

Растения на суше производят органическое вещество и кислород. Животные, грибы и бактерии выполняют свои специфические функции и играют важную роль в функционировании биоценозов. Активнейшим стимулятором биохимических процессов являются микроорганизмы (фиксация атмосферного азота).

Основная жизнь в океане сосредоточена в приповерхностном слое (до 200 м), который называется верхним деятельным слоем. Это связано с распространением света и количеством пищи в толще вод. Наибольшее распространение среди растений имеют водоросли. Животные распространены во всех слоях океана.

Океан благоприятен для обитания гидробионтов, так как

- морские организмы живут в постоянных, стабильных условиях;

- жизнь возможна во всей толще воды;

- воды океана (особенно прибрежные) богаты питательными веществами;

- плотность морской воды обеспечивает физическую поддержку, обитающим в ней организмам;

- морская вода нейтрализует действие силы тяжести.

По условиям существования в океане различают две среды обитания: пелагиаль – толща воды и бенталь – дно. Пелагиаль в горизонтальном направлении делят на неритическую (прибрежную) и океаническую области. По вертикали пелагиаль подразделяют на эпипелагиаль (до глубины 200 м), мезопелагиаль (до 750-1000 м), абиссаль (до 6000 м) и ультрапелагиаль (свыше 6000 м).

По образу жизни морские организмы разделяются на три группы: планктон, нектон и бентос.

Внутренняя организация биотического сообщества. На любом участке земной поверхности всегда обитает комплекс видов, находящийся с природой в определённых взаимоотношениях. Каждый организм испытывает воздействие экологических факторов – абиотических (факторов среды) и биотических (внутривидовых). Результаты действия факторов выражаются в изменении жизнедеятельности организмов. Эту зависимость изображают в виде графика толерантности организмов к диапазону изменчивости абиотических условий, где выделяется зона оптимума и зоны пессимума (угнетения).

Функционирование сообщества и его стабильность зависит от разнообразия видов и их взаимоотношения, распределения организмов в пространстве и характера взаимодействия с внешней средой – всё это составляет внутреннюю организацию биотического сообщества.

Адаптация организмов к внешним условиям обусловливает их эволюцию и биоразнообразие.

Минимальной единицей биосферы является биогеоценоз, который представляет единство биоценоза (живой части) и биотопа (среды), приуроченного к определённому участку земной поверхности. Сообщества различаются по видовому составу. Каждый вид на земном шаре образует ареалы, а затем расселяется.

Мозаичность биосферы проявляется в наличии специфичных географических зон, в разных скоростях развития отдельных ландшафтов и разной их продуктивностью.

Биомасса и биопродуктивность. Биомасса – совокупность организмов (живых и отмерших) в экосистеме и выражается числом и массой особей, или в калориях.

Биопродуктивность – это скорость продуцирования биомассы. В её производстве участвуют продуценты, консументы, а также редуценты.

Основной закономерностью биомассы является неоднородное распределение биомассы по вертикали и горизонтали, а также концентрация биомассы на границе контакта контрастных сред.

Главной контактной зоной географической оболочки является граница суши и океана с атмосферой. По величине сухого органического вещества материки превосходят океаны.

На суше величина биомассы тесно связана с водно-тепловыми условиями, что проявляется в широтной зональности и вертикальной поясности. Максимальные показатели характерны для влажных тропических лесов от которых биомасса убывает в сторону тропических пустынь, полярных районов и высокогорий.

В океане распределение биомассы зависит от циркумконтинентальной и горизонтальной зональности. Циркумконтинентальная зональность проявляется в уменьшении биомассы от прибрежных зон к центральным частям океанов, что объясняется снижением количества питательных элементов в воде.

Горизонтальная зональность связана с закономерностями распределения и характером циркуляции вод. Незначительное количество биомассы характерно для тропических морей и центральных частей Северного Ледовитого  океана, а наиболее высокое – районы умеренного пояса в северной части Атлантического и Тихого океанов.

Таким образом, продуктивность океанов ниже продуктивности материков в результате того, что микроскопические продуценты погружены в воду и удалены друг от друга, а также  тем, что солнечное излучение в большей мере поглощается водой, чем поверхностью суши.

Эволюция биосферы. Своеобразие эволюции биосферы стоит в том, что она происходит в рамках уже сложившихся уровней организации живого вещества.

Основными вехами эволюции биосферы являются:

  •  Быстрое (в геологическом масштабе времени) освоение жизнью земного пространства;
  •  Постепенное преобразование геологических и геохимических круговоротов вещества в биологические и биогеохимические;
  •  Преобразование первичной атмосферы и стабилизации её газового состава;
  •  Замена восстановительного фона геохимической среды окислительным;
  •  Возникновение почвообразовательного процесса и создание почвенной структуры;
  •  Детерминация химической активности природных вод (создание зональной структуры гидросферы и вод зоны гипергенеза).

Центральным событием эволюции было возникновение окислительной среды, в результате чего уменьшилась кислотность вод и превращение океанической среды в щелочную, изменилась подвижность химических элементов, обогатились кислородом все оболочки, примыкающие к земной поверхности.

Показателем эволюции биосферы служит изменение способности живого вещества концентрировать химические элементы, соединений и энергию (концентрационная функция живого вещества).

Тенденциями эволюции биосферы являются:

- увеличение разнообразия жизненно необходимых химических элементов, и изменение соотношений между ними (например, образование рудных месторождений в определённые эпохи);

- усложнение строения и функциональных свойств живых организмов, что привело к биоразнообразию.

Эволюция энергетики биосферы состояла в прогрессивном накоплении запасов ассимилируемой солнечной энергии. Источниками органического вещества являются водяной пар и углекислый газ, которые являются антагонистами и в результате их соединения выделяется значительное количество энергии. То есть, сколько в биосфере органического вещества и кислорода, столько же в ней запасено и потенциально активной (превратимой) энергии.

Одной из основных тенденций развития биосферы на биогеоценотическом уровне является стремление дольше сохранить вещества, созданные продуцентами в биохимическом круговороте и повысить его интенсивность. При этом важнейшими событиями были возникновение и эволюция основных типов питания (хемотрофного, автотрофного, гетеротрофного), типов экологического взаимодействия (хищничество, паразитизм, конкуренция, кооперация) и становление биотического круговорота (взаимодействие продуцентов, консументов и редуцентов).

Вся история существования и развития географической оболочки была неразрывно связана с жизнедеятельностью организмов.

5.6. Кора выветривания

На дневной поверхности происходит постоянное преобразование минералов и горных пород под воздействием экзогенных факторов, т.е. выветривания. Результатом выветривания является кора выветривания – комплекс вторичных рыхлых горных пород, возникших в верхней части литосферы в результате преобразования горных пород под влиянием внешних процессов. По вещественному составу кора выветривания представляет собой элювий – продукты выветривания горных пород, остающиеся на месте первоначального образования и созданные за счёт физического разрушения, химического и биогенного преобразования.

На формирование коры выветривания влияют климат, рельеф и состав материнских пород. Климат регулирует скорости процессов выветривания. Рельеф контролирует водный режим и характер перераспределения вещества. Состав материнских пород влияет на формирование минералов коры выветривания и остаточные продукты.

Исходя из этого выделяют геохимические типы коры выветривания: латеритный, сиаллитный, окисленных руд, обломочный. В зависимости от минерального состава конечных продуктов выделяют виды кор выветривания: гиббситовый, каолинитовый, монтмориллонитовый, сульфидный и др.

Основным признаком, позволяющим отличить кору выветривания от почвы, обычно служит отсутствие в коре выветривания биогенной аккумуляции элементов под влиянием растений (гумусообразование), хотя при этом кора выветривания остаётся биокосной системой.

Поведение элементов в коре выветривания зависит от химических свойств, типа ландшафта и особенностей горных пород. Например, кальцит, гипс, доломит устойчивы в коре выветривания в аридном климате, но неустойчивы (выщелачиваются) в гумидном.

Для коры выветривания характерны процессы окисления и гидратации. Окисление связано с изменением валентности некоторых элементов. Гидратация проявляется в том, что почти все минералы коры выветривания содержат воду. При интенсивном выветривании большая часть твёрдых составляющих переходит в глинистое вещество. При этом возрастает площадь соприкосновения частиц, что активизирует процессы ионного обмена.

Кора выветривания формируется среди различного рельефа, в любых гидроклиматических условиях и на разных горных породах. Мощность её колеблется от нескольких десятков сантиметров до сотен метров.

В условиях тёплого и относительно влажного климата, где преобладает химическое и биогенное выветривание, конечными продуктами являются глины. В арктических пустынных районах кора выветривания состоит из грубообломочного материала и песка. Зависимость процессов выветривания от водно-теплового режима определяет зональный характер в распределении кор выветривания: для экваториально-тропического пояса характерна латеритная кора; для полярных областей – обломочная.

Существуют также и реликтовая кора выветривания, образовавшаяся в ранние периоды геологической истории.

Процессы размыва, сноса и переотложения рыхлых продуктов выветривания действуют повсюду, но с разной скоростью.

При выветривании происходит не только разрушение, но и образование новых растворов, минералов, горных пород и полезных ископаемых.

5.7. Почвенный покров

Почва – это поверхностный слой земной коры, возникший в результате преобразования коры выветривания под действием воды, воздуха и живых организмов. Почва состоит из минеральных частиц, почвенной влаги, почвенного воздуха, организмов и воздуха.

Представление о почве как самостоятельном природном объекте было сформулировано в конце XIX в. В.В. Докучаевым. Как правило, почва постепенно переходит в кору выветривания или изменённую материнскую породу. «Почва - зеркало ландшафта» - В.В. Докучаев. В зависимости от генезиса и условий формирования материнские породы характеризуются различным составом и свойствами, что существенно отражается на процессах почвообразования и плодородии формирующихся почв. Воздействия воздуха, воды и организмов первоначально на материнские породы и кору выветривания, а затем и на почву формируют её свойства и проявляются в почвенном профиле.

Учение о факторах почвообразования является, по выражению самого В.В. Докучаева, краеугольным камнем почвоведения как науки. Изучение почвы в отрыве от изучения факторов почвообразования может привести к неправильным выводам.

К пяти факторам почвообразования, установленным В.В. Докучаевым, - почвообразующим породам, растительным и животным организмам, климату, рельефу и времени – позже были добавлены воды (почвенные и грунтовые) и хозяйственная деятельность человека. С учётом этих добавлений докучаевское определение почвы можно выразить в виде формулы, показывающей функциональную зависимость почвы от почвообразующих факторов во времени:

П = ƒ(П.П., Р.О., Ж.О., Э.К., Р., В., Д.Ч.) · t,

где П – почва; П.П. – почвообразующие породы; Р.О. – растительные организмы; Ж.О. – животные организмы; Э.К. – элементы климата; Р. – рельеф; В. – воды; Д.Ч. – деятельность человека; t – время.

В процессе почвообразования формируются почвенные горизонты – слои почвы, различающиеся по цвету, структуре, содержанию гумуса и механическому составу. Важнейшим процессом, обеспечивающим дифференциацию почвенного слоя на горизонты, является вертикальное перераспределение вещества при инфильтрации влаги и почвенных растворов, их капиллярном поднятии, перемещении питательных веществ корневыми системами растений и др. Мощность почвенных горизонтов достигает до десятков сантиметров, а почвенного слоя – до нескольких метров.

Глобальные функции почвы. Почвенный покров (педосфера) выполняет ряд важных глобальных функций.

  1.  Обеспечивание жизни на Земле. В почве концентрируются питательные элементы. Она является субстратом для укоренения растений и средой обитания животных. Обладая плодородием, почва является бесценным природным ресурсом.
  2.  Обеспечение постоянного взаимодействия круговоротов веществ на земной поверхности. Почва – это связывающее звено и регулирующий механизм в системах геологической и биологической циркуляции элементов в географической оболочке.
  3.  Регулирование состава атмосферы и гидросферы. Из почвы в приземные слои атмосферы поступают различные газы.
  4.  Регулирование интенсивности биосферных а процессов. Почва влияет на плотность и продуктивность организмов на поверхности суши и в приобретённой части акваторий.
  5.  Накопление на земной поверхности активного органического вещества – гумуса и связанной с ним химической энергии.
  6.  Защитная роль литосферы. Почва защищает литосферу от интенсивного действия эндогенных сил.

 

5.8. Антропосфера

Антропосфера – это особая сфера, формирующаяся в географической оболочке путём изменения её составляющих. Она развивается главным образом за счёт биосферы при усиливающимся влиянии человека. Человек давно и целенаправленно изменяет географическую оболочку, используя природные ресурсы и богатства, создавая новые объекты в процессе жизнедеятельности. Потребности человека привели к усилению его контактов с биосферой, нарушая естественный ход её развития и придавая ей специфические черты. Различные изменения географической оболочки привели к возникновению антропосферы. До определённого момента антропосфера могла существовать с окружающей природой, образуя географическую среду человека. Усиливающаяся антропогенная нагрузка на географическую оболочку привела к тому, что географическая среда оказалась не в состоянии ассимилировать продукты человеческой деятельности. Так возникла техносфера – чуждое природе формирование, и которое постоянно трансформирует географическую оболочку Земли, создавая внутри неё саморазвивающуюся и саморегулируемую социально-техническую систему, которая становится своеобразной средой обитания живых существ, включая и человека.

Теоретически обосновано, что разум человека может обеспечить формирование ноосферы – новой целесообразной для человека и руководимой им системы организации вещества планеты. Однако существующий опыт отношений человека и природы свидетельствует о том, что идея В.И. Вернадского о ноосфере, скорее всего, останется фантазией, во всяком случае в обозримом будущем.

ГЛАВА 6

ЗАКОНОМЕРНОСТИ СТРОЕНИЯ И СТРУКТУРЫ

ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ

Землеведение рассматривает мир как целостную систему, детальное изучение которого даёт каждая частная географическая наука. Общие законы развития природы и закон всеобщей связи явлений проявляются как специфические законы развития и целостности географической оболочки Земли. В землеведении мы имеем дело с природными системами, плавно переходящими одна в другую на разном уровне организации.

6.1. Целостность географической оболочки

В географии общие законы диалектики – закон развития и закон всеобщей связи явлений, - проявляются как специфические законы развития и целостности географической оболочки Земли.

Единство и целостность географической оболочки проявляются в том, что нельзя выделить её часть  (геосферу), не нарушив целое и не разрушив самой части, которая не может существовать вне целого.

Каждый компонент географической оболочки существует и развивается по своим законам. Однако ни один из них не существует и не развивается изолированно от других компонентов. взаимодействие всех компонентов связывает их в единую материальную систему, где все части зависят и влияют одна на другую. Непрерывный обмен вещества и энергии между отдельными частями географической оболочки определяет её целостность, которая настолько велика, что изменение в одном звене неизбежно отразится на остальных.

Географическая оболочка – это поразительно сложный организм. Масштаб изменения системы зависит от масштаба изменения её составных частей. Скорости развития разнокачественных компонентов не совпадают. По степени консервативности их можно расположить в убывающий ряд: литосфера – рельеф – климат – воды – почва – растительность – животный мир. Кроме того, динамичность зависит от обстановки, в которой они находятся: деревья в тропиках растут быстрее, чем в умеренном климате. Компоненты могут тормозить эволюцию других составляющих и системы в целом, либо, напротив, усиливать её.

Например, таяние льдов приведёт к поднятию уровня  Мирового океана (на 60 м) → усилению эрозионной работы рек → изменения во внутренних районах континентов … ; а также система пустыня Атакама + течение Эль-Ниньо.

Явление Эль-Ниньо. Характеристика западного побережья Южной Америки. Вдоль побережий Южной Америки в течение всего года устремляются мощные потоки холодного антарктического воздуха, вызывающие такое же по силе течение поверхностных вод с юга на север. Температура воздуха достигает +16ºС. Когда-то эти холодные воздушные и водные массы завлекли антарктических пингвинов и морских львов на север до расположенных на самом экваторе Галапагосских островов, где они сейчас живут большими колониями, перемешавшись с местными представителями тропиков – гигантскими черепахами и ящерами-игуанами, укрывшимися под сенью древовидных кактусов. Над холодным пассатным течением постоянно висят низкие серые облака.

По мере продвижения на север Перуанское холодное течение и воздушные массы над ним отклоняются на северо-запад, а потом и на запад, включаясь в пассатную систему экваториального пояса тихого океана. Частичное отклонение, а в северной половине и полное, ветров и течений в западную сторону обусловливает постоянный сгон прибрежных поверхностных вод от берега. В связи с этим беспрерывно происходит подъём у побережий кверху глубоких слоёв воды, более богатых биогенными веществами (фосфатами, нитратами, силикатами).

Хотя Перу лежит в тропических широтах, где солнце жарко светит весь год, побережье страны совсем не похоже на джунгли. Перевалив через Анды, юго-восточный пассат теряет влагу на склоне гор и становится горячим сухим ветром. И почти 2,5 тысячи километров побережья Перу (шириной около 40 км) заняты сухой бесплодной пустыней – Атакама – это одно из самых засушливых мест мира. Мощный пассат сдувает в океане поверхностные тёплые воды, вызывая тем самым в прибрежной зоне подъём (апвеллинг) глубинных, холодных, богатых биогенными соединениями вод (скорость подъёма от 20 до 100 м в месяц.

Верхний слой прибрежных вод пополняется фосфатами, нитратами, нитритами и силикатами, которые стимулируют развитие мельчайших планктонных водорослей (морское сено) – начального звена океанической пищевой цепи. Интенсивность фотосинтеза в зоне апвеллинга почти в 50 раз выше, чем в близлежащих водах. Быстро прирастающий фитопланктон – мельчайшие водоросли – основная пища анчоуса, важнейшего звена местной пищевой цепи. Анчоус захватил подавляющую долю энергии экосистемы и даёт огромное количество живого вещества (до 20 млн. т в год).

Перуанский анчоус – это небольшая рыбка, живущая около трёх лет. В первый год жизни она вырастает до 11 см и весит около 10 г. По образному выражению советского ихтиолога Ю.Ю. Марти, жизнь анчоуса напоминает стойловое содержание скота: апвеллинг приносит ему фитопланктон так же, как животноводы приносят пищу в стойла. Рыбка нерестится здесь же, не тратя энергию на миграцию. И численность анчоуса в отдельные годы вблизи Перу колоссальна – тысячи миллиардов экземпляров.

Основной конкурент рыбаков в добыче анчоуса – крупные птицы (пеликаны, бакланы и олуши), образующие на островах вблизи побережья птичьи базары. Численность птиц, питающихся перуанским анчоусом, громадна: до 30 млн. особей. Подсчитано, что птицы лишь одного острова за день проглатывают тысячу тонн анчоуса. Средняя же добыча анчоуса всеми птицами в последние годы исчисляется примерно в 2,5 млн. тонн; примерно столько же вылавливают и рыбаки.

За многие тысячелетия на некоторых островах птичий помёт слежался в пятидесятиметровую толщу. Под жарким тропическим солнцем помёт превращается в гуано – лучшее в мире естественное удобрение.

Огромное количество органики, создаваемое этими мощными процессами, только частично используется другими организмами (кстати сказать, анчоус совсем не имеет в этих водах хищников). Отмирающие организмы при разрушении требуют на окисление большого количества кислорода, а процессы эти здесь настолько мощны, что его на них и не хватает. Поэтому от самого берега далеко в сторону океана распространяется слой кислородного дефицита на глубинах от 30-50 до 500-800 метров, что является характерной особенностью вод юго-восточной части Тихого океана. В результате и в самой воде, и особенно в грунтах на дне образуются массы органических веществ, не прошедших до конца процессов разложения и минерализации.

Здесь происходит усиленный подъём на поверхность глубинных холодных вод. Эти воды несут с собой питательные вещества, так необходимые организмам биогенные вещества, например фосфор, азот и др. В пределах действия Эль-Ниньо жизнь расцветает.

Проявление явления Эль-Ниньо. Явление Эль-Ниньо – это очень мощное возмущение климата Земли. Обычно оно возникает во время праздников, посвящённых рождеству; отсюда и произошло название от испанского Эль-Ниньо – «младенец», «дитя».

На Земле существуют так называемые южные осцилляции. Их суть заключается в следующем. В те годы, когда атмосферное давление над Западной и Северной Австралией повышается, на другом конце планеты, в южной части Тихого океана у берегов Южной Америки, происходит понижение атмосферного давления, и наоборот.

С южными осцилляциями связано периодическое возникновение у берегов Эквадора, Перу и Чили явления Эль-Ниньо.

Эль-Ниньо – так называемое небольшое океаническое тёплое течение, идущее к югу от экватора примерно на 3-5º вдоль побережья Эквадора и Перу. Обычно оно возникает каждые 4-7 лет в декабре-январе, прекращается в марте – апреле. Подобные сезонные течения наблюдаются также у берегов Калифорнии, Юго-Западной Африки, Западной Австралии и Вьетнама.

Тёплое течение катастрофически усиливается, проникая более чем на тысячу километров южнее обычной границы, что приносит бедствия не только Перу, но и другим государствам Южной Америки. При таком южном броске Эль-Ниньо Перу заливают дожди, на побережье гибнут птицы, резко уменьшается количество гуано, поверхность океана разогревается на 4-7º выше средней температуры.

Быстрое вторжение тёплых вод далеко на юг – влечёт за собой появление теплолюбивых рыб – жёлтопёрого тунца, летучих рыб, манты и рыбы-молота. Но высокая температура воды гибельна для большинства местных рыб и планктона, в первую очередь для анчоуса. После продвижения Эль-Ниньо апвеллинг затихает, анчоус из-за бескормицы и повышения температуры воды гибнет и частично рассеивается. Зачастую появляются сильные западные ветры, вызывающие штормовые нагоны вод на побережье. Множество птиц умирает от голода, а часть улетает прочь, покидая неоперившихся птенцов.

Из-за высокой температуры воды меняется видовой состав водорослей. Жгутиковые дают «красный прилив», заполняют воду, которая от их выделений становится ядовитой. Это ещё больше увеличивает смертность рыб, беспозвоночных, черепах и мелких морских существ. Разлагающиеся водоросли и трупы выделяют сероводород, который даже меняет окраску судов: сероводород, соединяясь со свинцом, входящим в состав, которым окрашивают подводную часть судов, образует чёрный сернистый свинец.

Но беда в Южной Америке, как по цепочке, тянет за собой другие катастрофы. На Индию обрушивается засуха, так как резко сокращается количество дождей, связанных с муссонами. Происходят и другие глобальные изменения. С повышением температур вод в тропической части Атлантики связано появление засухи в северо-восточной части Бразилии.

В настоящее время доказано, что засухи, время от времени происходившие в Китае, связаны с существованием аномально тёплых вод в западной тропической части Тихого океана (Ясаманов Н.А., 1989.

За последнее время (1965, 1972, 1976-1977, 1982-1983 гг.) Эль-Ниньо несколько раз серьёзно ухудшало экономику Перу. Улов анчоуса упал с 12,3 млн. т до 2-3 млн. т в год. До катастрофы 1972 года Перу занимало первое место в мире по вылову рыбы (20% мирового улова и 30% бюджетных поступлений страны; около 40% мирового производства рыбной муки). Сокращение уловов в Перу вызвало повышение цен на рыбу и рыбную муку, что в свою очередь повлияло на цены других продуктов не только в Перу, но и в США – главном импортёре рыбной муки: подорожали птица, мясо, яйца и молоко. Так, в 1967 году рыбный промысел Перу и Чили дал 12 миллионов тонн рыбной продукции, причём это получено с небольшой прибрежной полосы этих стран. Но что ещё более удивительно, этот улов на 97,7% состоит из меленьких рыбок 10-15 см длиной – анчоуса (по перуански анчоветы), родной сестры нашей азово-черноморской хамсы. Весь мировой морской промысел даёт около 50 миллионов тонн рыбы, т. е. перуано-чилийский анчоус составляет почти четвёртую часть всего мирового вылова морских рыб.

Правильный прогноз сроков действия Эль-Ниньо, его интенсивности и продолжительности важен не только для Перу, но и для других стран Тихого океана. Подмечено, что во время продвижения Эль-Ниньо восточная половина тропической части Тихого океана гораздо теплее, а западная, наоборот, холоднее, чем обычно. Полагают, что образование Эль-Ниньо – это реакция Тихого океана на глобальные аномалии в атмосферной циркуляции.

Таким образом, в этом регионе в тесной взаимосвязи протекают атмосферные, гидрологические, гидрохимические, биологические и геологические процессы.

Практическое значение закона целостности. Закон целостности географической оболочки – основа рационального природопользования. Вторгаясь в природу, человек порождает в ней цепную реакцию. Закон целостности предупреждает о необходимости предварительного и тщательного изучения структуры всякой территории и акватории, подвергающихся воздействию.

В природе существуют целые системы взаимосвязей, игнорирование которых приводит к экономическим и экологическим просчётам. Воздействия человека, направленные, как правило, на ограниченные регионы (звенья), распространяются на значительные территории и акватории, и в итоге на всю географическую оболочку.

6.2. Зональность географической оболочки

Важнейшей особенностью географической оболочки является зональность – закономерное изменение природных компонентов и географических ландшафтов по широте (от экватора к полюсам). Основные причины зональности – шарообразная форма и положение Земли относительно  Солнца, вследствие чего солнечные лучи падают на земную поверхность под разными углами, постепенно уменьшающимися в обе стороны от экватора. Очевидно, что если бы Земля была плоскостью, как угодно ориентированной к потоку солнечных лучей, они падали бы на неё всюду одинаково и равномерно её нагревали.

Таким образом, наличие зональности на земном шаре обусловлено планетарно- космическими причинами.

Сферы проявления зональности. По причине зонального распределения солнечной лучистой энергии на земле зональны: температуры воздуха, воды и почвы, испарение и облачность, атмосферные осадки, барический рельеф и системы ветров, свойства воздушных масс, климаты, характер гидрографической сети и гидрологические процессы, особенности геохимических процессов, выветривания и почвообразования, типы растительности и жизненные формы растений и животных, скульптурные формы рельефа, в известной степени типа осадочных пород и географические ландшафты, вместе с ландшафтными зонами.

По мере удаления от земной поверхности зональность постепенно затухает.

Мировой закон зональности отражает лишь общие закономерности. Земная поверхность сложна и мозаична и зональные черты выделяются путём относительной генерализации более мелких структурных подразделений.

Радиационные пояса. Количество солнечной радиации, получаемое Землёй, зависит от расстояния между Землёй и Солнцем и угла падения солнечных лучей на земную поверхность. Ближе всего от Солнца Земля находится в начале января, дальше всего – в начале июля. Угол падения солнечных лучей зависит в свою очередь от географической широты и высоты Солнца над горизонтом. Различный приход солнечной радиации на разных широтах позволяет выделить радиационные пояса: жаркий (между тропиками), два умеренных (между тропиками и полярными кругами) и два холодных (между полюсами и полярными кругами). Их иногда изображают в виде поясов освещённости Земли.

Тепловые пояса. Помимо географической широты, на распределение тепла на Земле влияют соотношение площадей суши и моря, состояние атмосферы, рельеф, высота местности над уровнем моря, морские и воздушные течения. В качестве границ тепловых поясов принимают изотермы: годовые – для выделения пояса, в котором годовые амплитуды температуры воздуха малы, и самого тёплого месяца – для выделения поясов, где колебания температуры в году более резкие. По этому принципу выделяют тепловые пояса: тёплый, или жаркий, ограниченный в каждом полушарии годовой изотермой +20°С, проходящей вблизи 30-й северной и 30-й южной параллели, два умеренных, которые в каждом полушарии лежат между годовой изотермой +20°С и изотермой +10°С самого тёплого месяца, два холодных, в которых средняя температура самого тёплого в данном полушарии месяца менее +10°С.

Климатические пояса. В формировании природных зон участвуют не только прямая солнечная радиация, но и такие важные элементы климата, как адвективное тепло и влага. В.В. Докучаев установил, что для каждой природной зоны характерно определенное количество тепла и годовое количество осадков, а также соотношение между ними. Это было подтверждено А.А. Григорьевым и М.И. Будыко, т.е.  основным фактором формирования географических зон является климат.

Атмосферная и океаническая циркуляция и влагооборот влияют на тепловые условия земного шара. Каждый из перечисленных факторов зависит от географической широты места, высоты над уровнем моря и характера земной поверхности. Широта определяет величину солнечной радиации. с высотой меняются температура и давление воздуха, содержание в нём влаги, режим ветров. Так как основные климатообразующие факторы имеют тенденцию к зональности, то и климаты зональны.

На земной поверхности выделяют 13 климатических поясов: экваториальный, субэкваториальный (2), тропический (2), субтропический (2), умеренный (2), субарктический и субантарктический, арктический и антарктический.

Географические пояса. Климатические пояса служат основой для выделения географических поясов – наиболее крупных зональных подразделений географической оболочки. По числу и названиям географические пояса совпадают с климатическими. Однако, границы совпадают не везде, что связано со сложной  организацией географических поясов.

В пределах географических поясов выделяют географические, или ландшафтные зоны, которые характеризуются господством одного зонального типа ландшафта. Зоны в меньшей степени, чем пояса, имеют широтную ориентацию и протяжённость, так как условия увлажнения обусловлены не только климатическими факторами, но и структурой самого ландшафта.

Ландшафтные географические зоны с течением времени меняют своё положение на земной поверхности.

К.К. Марков установил два типа зональности, которые сменяли друг друга во времени. В геологические эпохи, когда средняя температура земной поверхности была сравнительно высокой, формировалась простая, обычно субширотная зональность с сильным развитием тропических областей. В холодные периоды общее число географических зон и поясов увеличивалось, внутритропическое пространство сужалось, их границы двигались в сторону экватора, за счёт чего расширялись внетропические пространства.

Наиболее широко распространённой классификацией  географических поясов и зон является следующая (табл. 1):

Таблица 1

Классификация географических поясов и зон

Название

Географический пояс

Зона

Арктический (антарктический)

Арктических и антарктических пустынь

Арктических тундр

Субарктический (субантарктический)

Тундры

Лесотундры

Умеренные

Тайги

Смешанных лесов

Широколиственных лесов

Лесостепей

Степей

Полупустынь

Пустынь

Субтропические

Гемигилей и влажных субтропических лесов

Широколиственных лесов субтропиков

Муссонных смешанных лесов

Средиземноморских лесов и кустарников

Прерий, саванн и кустарников

Степей

Полупустынь и пустынь

Тропические

Тропических лесов

Саванн, редколесья и кустарников

Полупустынь и пустынь

Субэкваториальные

Субэкваториальных лесов

Саванн, редколесья и кустарников

Опустыненных саванн, редколесья и кустарников

Экваториальный

Влажных экваториальных лесов (гилей)

Общая физическая география (Общее землеведение) М., 1967., С. 158-184.

Секторность. Широко вытянутые географические пояса суши, выделенные по режиму тепла, основным воздушным массам и характеру их циркуляции, неоднородны внутри себя по увлажнению, континентальности и морфоструктурам.

В основе секторности лежат различия в соотношении тепла и влаги.

В большинстве географических поясов на материках выделяются два приокеанических и один континентальный сектор. Есть также переходные сектора.

Секторность отражает влияние высшего регионального фактора – разделение земной поверхности на сушу и океаны. Тепловые различия суши и океана обусловливают возникновение сезонных центров действия атмосферы и придают общей циркуляции атмосферы поясно-секторный характер.

Общий план географической зональности природных ландшафтов суши обусловлен совокупностью поясных и секторных закономерностей (А.М. Рябчиков, 1972).

Арктический пояс. В полярных областях и полярных поясах недостаток тепла почти повсеместно вызывает переувлажнение. Секторность выражена слабо.

Субарктический пояс. Выделяется в Северной Америке и Евразии по два приокеанических и одному континентальному сектору, относительно более тёплому и сухому летом.

Умеренный пояс. Для умеренного пояса характерен западный перенос воздуха и ослабевающая к востоку циклоническая деятельность. На восточном побережье материков  вследствие термических различий возникает внетропическая муссонная циркуляция. Зимой ветер дует с охлаждённой суши (зимний антициклон) в океан, а летом – с океана на сушу. При поступлении влажного воздуха с океана на нагретую сушу возникает неустойчивая стратификация и выпадают циклонические осадки.

Выделяется три основных сектора: западный приокеанический, континентальный и восточный приокеанический, или муссонный. В приокеанических секторах преобладает  меридиональное простирание зон, в континентальном – широтное.

Субтропический пояс. В нём происходит сезонная смена воздушных масс. Зимой преобладает умеренный воздух, западный перенос и циклоническая деятельность, ослабевающая к востоку. Осенью и весной циклоническая деятельность очень активна (на востоке ураганы, тайфуны). Летом господствует тропический воздух. На восточной периферии материков развивается внетропический муссон, где летом выпадает большое количество осадков. На остальной части пояса характерно  антициклональное состояние погоды.

Выделяется три основных сектора: западный приокеанический, или средиземноморский, с зимним увлажнением; континентальный со скудным увлажнением круглый год (пустыни и полупустыни) и восточный приокеанический, или муссонный.

Тропический пояс. В тропических поясах западный перенос выражен слабо, господствует антициклональное состояние погоды. По восточным перифериям движущихся на восток антициклонов возникают пассаты. Благодаря этому зоны пустынь и полупустынь выходят на западе материков к океану. Береговые пустыни имеют повышенную относительную влажность воздуха (туманы), но конденсация незначительная. На восточной периферии тропических поясов проявляется муссонная циркуляция.

Выделяется два основных сектора: континентальный, или пустынный, простирающийся до самого западного побережья, и восточный, или муссонный с летним увлажнением. Для восточных секторов характерно меридиональное простирание зон.

Субэкваториальный пояс. Для него типична зимне-летняя смена воздушных масс из соседних поясов, вызванная сезонным смещением термического экватора и устойчивостью центров действия атмосферы. зимой господствует тропический воздух и дует пассат, обусловливающий сухой сезон, на восточном побережье выпадают дожди. Летом доминирует экваториальный воздух. Противоположно пассатам дует экваториальный муссон.

Выделяется два сектора: восточный приокеанический, увлажняемый зимой и летом, и летне-влажный сектор, включающий остальную, большую часть пояса.

Экваториальный пояс. На материках намечается два сектора: восточно-приокеанический сезонно-влажный и постоянно влажный сектор, занимающий большую часть экваториального пояса.

Периодический закон географической зональности. Климатические условия географических поясов и зон можно оценить с помощью показателей: коэффициента увлажнения Высоцкого-Иванова (k) и радиационного индекса сухости Будыко (r).

Значения показателей могут повторяться в зонах, относящихся к разным географическим поясам. При этом коэффициент увлажнения определяет тип ландшафтной зоны, а величина радиационного индекса сухости – конкретный характер и облик зоны.

Например, при k > 3 во всех случаях указывает на тип пустынных ландшафтов, но в зависимости от величины годового радиационного баланса облик пустыни меняется при:

R = 0-50 ккал/см2 в год  - это пустыня умеренного климата;

R = 50-75 ккал/см2 в год  - это пустыня субтропического климата;

R = > 75 ккал/см2 в год  - это пустыня тропического климата.

Если k близок к 1, это значит, что осадков выпадает столько же, сколько может испариться.

В низких широтах (0º – 30º) фактором, ограничивающим произрастание растительности, является влага. Здесь наблюдаются следующие зоны: влажные экваториальные леса, тропические леса, листопадные леса, саванны, опустыненные саванны,  тропические пустыни.

В высоких широтах (65º и выше) лимитирующим фактором является теплота. Здесь сформировались лесотундры, тундры и арктические пустыни.

Между высокими и низкими широтами в условиях субтропических и умеренных поясов наблюдаются разные сочетания тепла и влаги.

Хотя на каждом материке расположение зон имеет свои особенности, можно выделить главные закономерности. На модели идеального материка, где отсутствуют горы видна близкая к широтной ориентация поясов, тогда как зоны ориентированы более разнообразно. Анализ данной схемы позволяет выделить сходные географические зоны в разных поясах. Например, лесные зоны есть в экваториальном, субэкваториальном, тропическом, субтропическом и умеренном поясах. В нескольких поясах встречаются степные, полупустынные и пустынные зоны, а также зоны переходного типа между лесными и степными (высокотравные саванны, редколесья, лесостепи и др.). Эта особенность позволила А.А. Григорьеву и М.И. Будыко во 2-й половине XX века сформировать  периодический закон географической зональности, согласно которому наличие одинаковых ландшафтных зон в разных поясах связано с повторением одинаковых соотношений тепла и влаги. Изложенные закономерности справедливы для равнинных территорий.

В горных районах с высотой понижается температура, изменяется количество атмосферных осадков. Соответственно этому изменяются и водно-тепловые условия, что приводит к смене ландшафтных зон с высотой. Закономерная смена природных условий и ландшафтов с высотой получила название высотной поясности (высотная, или вертикальная зональность).

6.3. Ландшафтные зоны суши

Ландшафт – это территория, природные условия которой относительно однородны. Типы ландшафтов определяют своеобразие природных, или ландшафтных зон – крупных подразделений земной поверхности внутри географических поясов.

Названия природных зон даны по ландшафтно-ботаническому признаку. Растительный покров придаёт ландшафту характерный облик и является индикатором разнообразных природных условий.

Классификации ландшафтных зон и ландшафтов Земли многоуровенны и неоднозначны по содержанию. Различают классификации ландшафтных зон Земли по С.В. Калеснику, А.Г. Исаченко, А.М. Рябчикову и др.

6.4. Зонально-азональные черты Мирового океана

Географическая поясность Мирового океана выражена более чётко, чем на суше, благодаря большей однородности океанической поверхности и ограниченному воздействию рельефа. Районирование Мирового океана проводится по распределению водно-тепловых условий акваторий на основании выделения поясов и зон. Важным фактором географической зональности в океане является система постоянных ветров и морских течений, обусловленная распределением атмосферного давления. Таким образом, районирование мирового океана проводится по распределению водных масс.

Районирование поверхности и глубин океана проводится раздельно.

Зональность Мирового океана – главная закономерность  распределения ландшафтов поверхностной толщи океана, дна, морских мелководий и связанных с ними сообществ гидробионтов.

6.5. Вертикальная поясность географической оболочки

Геосферы пространственно проникают друг в друга. В вертикальном распределении их свойств наблюдаются различия, следствием которых является вертикальная поясность (ярусность) как  самих геосфер, так и географической оболочки в целом.

В соответствии с гравитационной дифференциацией нижний ярус географической оболочки занят земной корой, состоящей из наиболее плотного вещества. Земная кора стратифицирована по удельному весу: верхняя часть представлена слоем осадочных пород, который с глубиной сменяется гранитным и далее базальтовым слоями. Верхний ярус географической оболочки составляет атмосфера, которая осложняется морскими и материковыми льдами. Живые организмы не образуют сплошного слоя, а распределяются в почве, воде и воздухе.

Ярусность проявляется в вертикальном строении всех геосфер. На суше по характеру рельефа выделяют ярусы низменных равнин, низкогорный, среднегорный и высокогорный. Ярусность атмосферы проявляется в высотном изменении температуры, влажности и давления воздушных масс. Проявляется ярусность и в Мировом океане, наблюдаемая в подразделении водных толщ на зоны в связи с условиями обитания гидробионтов.

Гравитационная стратификация нарушается (например, наличие в земной коре и почве воды и воздуха, в атмосфере – аэрозолей, влаги и др. Это свидетельствует о том, что существуют процессы, определяющие перемещение вещества против силы тяжести.

Наиболее наглядно вертикальная стратификация проявляется в горах, где изменение типов ландшафтов происходит по закону высотной поясности, установленному В.В. Докучаевым.

Азональность  - распространение какого-либо природного явления  вне причинной связи с зональными особенностями данной территории. Азональность может проявляться по отношению к системам  как природных (климатических, почвенных, растительных, ландшафтных и др.) зон на равнинах, так и высотных поясов в горах. Азональны главным образом те природные явления, которые полностью или в значительной мере обусловлены внутренними силами Земли: геологическая структура, морфоскульптуры рельефа и т.п. влияние азональных факторов наиболее резко проявляется в горах. Наряду с зональностью азональность определяет формирование региональных ландшафтных комплексов.

Например, отсутствие зоны тундр и тайги в Южном полушарии; северный Ледовитый океан и Антарктида; в ботанико-географическом отношении Антарктида – полярная пустыня, а в аналогичных широтах (66°-78°) Северного полушария преобладают лесотундра и тундра; в Арктике обитают наземные млекопитающие, а в Антарктиде полное их отсутствие.

6.6. Общие черты строения земной поверхности (Асимметрия)

В основе построения мира находится симметрия – правильное расположение объектов, поскольку исходные первоосновы мира (поля, тела, потоки) симметричны. Но так как интенсивность связей в различных частях географической оболочки неодинакова, наблюдаются очаги взаимодействия, в пределах которых связанность явлений больше, чем за их пределами. наблюдается также несимметричность взаимодействий: в некотором направлении воздействие сильнее, чем в обратном.  Таким образом, одной из основных закономерностей строения географической оболочки  является асимметрия. Различают глобальную и локальную асимметрию.

Глобальная асимметрия является следствием неравномерного распределения различных масс вещества и их разных состояний. Главная особенность строения земной поверхности – асимметрия в распределении материковых и океанических масс: суша в Северном полушарии занимает 39%, а в Южном – всего 195. Асимметрия этого проявляется в асимметричности земной коры, географических зон, высот и глубин, а также в полярной асимметрии Земли, фигуре Земли, планетарных распределениях барического поля и системе ветров, температуры воздуха, воды, океанической циркуляции, криогенных областей (криосфера и гидросфера). Локальная асимметрия присутствует в любой геосфере и на любом  иерархическом уровне: меандры и ринги в океане, циклоны и антициклоны в атмосфере, рельеф земной поверхности и морского дна, распространение флоры и фауны и др. Окружающий нас мир целиком асимметричен и состоит из отклонений (аномалий), что проявляется в многообразии и неповторимости географических процессов и явлений.

6.7. Нуклеарные структуры

Обобщая многочисленные факты влияния географических объектов на окружение, А.Ю. Ретеюм сформулировал  концепцию о нуклеарных (ядерных) структурах, которые представляют собой некое единство объекта и парагенетически связанного с ним окружения.

В качестве ядровых (собирающих вокруг себя) выступают самые разнообразные по размерам,  происхождению, составу и структуре тела. Это материки, океаны, ледники, горные хребты, магматические тела, озёра, холмы, города, лесные массивы и др.

Каждое тело в силу его свойств и местоположения определяет расположение вокруг себя многих объектов. Например, горный хребет влияет на распределение атмосферных осадков в пределах нескольких десятков и даже сотен километров. Это выражается в увеличении количества осадков над самим хребтом и в прилегающих районах (предгорьях, межгорьях, долинах). Если горный хребет стоит на пути влагонесущих воздушных потоков, то возникает асимметричное поле: на наветренных склонах осадков выпадает больше, чем на подветренных.

Одной из разновидностей нуклеарных структур является циркумконтинентальная зональность. Каждый континент представляет собой гигантскую материковую глыбу, окруженную водами Мирового океана. Многие характеристики подводных ландшафтов прямо или косвенно определяются расстоянием от материка. Например, распределение донных отложений и биомассы. Ближе к материкам откладываются чаще всего осадки терригенного происхождения (обломки пород и минералов, поступающих с суши), которые сменяются преимущественно биогенными илами. Центральные части океанического дна покрыты полигенными осадками, состоящими из глубоководных красных глин. Наибольшая биомасса характерна для прибрежной зоны, наименьшая – для центральных частей океана.

6.8. Контактные зоны

Географическая оболочка – это гигантская контактная зона, с одной стороны, твёрдой части Земли, с другой – атмосферы, океаносферы и Космоса. Внутри географической оболочки существуют контактные зоны разного пространственного уровня – от глобальных (граница материк – океан, атмосфера и океанические фронты, приледниковые зоны и кромки материковых или морских льдов) до локальных (берега рек, опушки леса, края ледников и др.). на каждом пространственном уровне взаимодействие контактирующих объектов имеет свою специфику, обусловленную особыми свойствами контактных зон. Контактные зоны – это зоны взаимодействия обычно различных сред или состояний вещества, для которых характерны определённые процессы и явления.

В зонах контактов повышается интенсивность процессов и возникает избыточная поверхностная энергия. Наиболее впечатляющими являются пограничные эффекты в твёрдых телах. Пограничная поверхность вода – твёрдое вещество составляет самую большую по суммарной площади поверхность раздела фаз в океане. Второе место по площади занимает граница вода – живое вещество. У поверхности идёт борьба за существование структуры вещества, происходят химические реакции, создаются и разрушаются молекулы, рвутся и возникают связи, выделяется и поглощается энергия.

Одной из самых активных контактных зон географической оболочки является береговая зона – побережье с прилегающими частями океанов, морей, рек и других водоёмов. Берег является множественной границей, на которой контактируют тела разной вещественной природы: вода - воздух, вода – суша, вода – дно, вода – взвешенные вещества, суша – воздух, вода – живое вещество и др. для береговой зоны свойственно большое разнообразие растительного и животного мира, форм рельефа, геологических отложений. Продолжением побережья в море является шельф. В его пределах добывается основная масса морепродуктов, нефть, газ, сера, железная руда, россыпные полезные ископаемые, песок, гравий и др.

На границе океана и атмосферы в верхнем миллиметровом слое океана происходит множество сложных процессов. С его поверхности испаряется вода, в связи с чем осуществляется теплоперенос скрытой теплоты парообразования в атмосферу. Здесь возникает наибольший во всём океане градиент плотности за счёт выпаривания и концентрации солей. Через верхний слой в океан поступает углекислый газ, т.е. реализуется функция океана как планетарного буфера в карбонатной системе океан – атмосфера – зелёный покров Земли – техногенез. Здесь же сосредоточено максимально количество простейших живых организмов – нейстона, основного продуцента биомассы океана. Нейстон, перемешивая воду своими жгутиками увеличивает испарение воды с поверхности и активизирует газообмен океана с атмосферой.

Своеобразными контактными зонами являются приледниковые области и кромки льда в океанах. Для них характерны скопления жизни. Концентрация организмов в ледовом пограничном слое океана до 1000 раз выше, чем в подлёдной воде. У кромки льда развитие фитопланктона начинается гораздо раньше, чем в открытом океане.

Поверхностный слой объекта обладает исключительными свойствами:  избыточной свободной энергией, повышенной потенциальной активностью, большим разнообразием условий. По мере преобразования поверхностного слоя твёрдых тел резко увеличивается общая площадь поверхности (кора выветривания, почва) и поэтому возрастает эффект взаимодействия.

К активным зонам относятся и очаги взаимодействия энерго- и влагообмена, осуществляемые разными природными процессами и явлениями. Это реки, эстуарии, сейсмически активные районы, атмосферные и океанические фронты и др.

Активными точками можно назвать подземные и подводные источники, вулканы, устья рек, каньоны, некоторые проливы.

Контактным зонам свойственен краевой эффект, проявляющийся в обогащении их природных ресурсов (флоры, фауны) за счёт проникновения объектов из соседних зон (феномен опушки).

Таким образом, контактные зоны являются наиболее активными и продуктивными участками географической оболочки.

6.9. Проблема границ и иерархичности в геосистемах

Любая геосистема обладает свойствами дискретности и континуальности. Дискретность геосистемы состоит в том, что каждая из них занимает определённую площадь и объём, имеет свои свойства и отделена от соседних систем границами, которые могут быть линейными или расплывчатыми, чётко выраженными или затушёванными, стабильными или мобильными.

Континуальность геосистем проявляется в непрерывности их распространения, особенно в тех случаях, когда между ними или их подразделениями существуют более или менее широкие области перехода для обмена веществом и энергией.

С проблемой границ напрямую связана проблема иерархии геосфер. Л.С. Берг указывал, что охарактеризовать и выделить какой-либо географический ландшафт можно лишь тогда, когда мы установили границы, отделяющие один ландшафт от другого.

6.10. Барьеры в географической оболочке

Барьерами называют участки географической оболочки, которые оказывают существенное влияние на поля и потоки вещества и энергии, задерживая, трансформируя, усиливая или ослабляя их. Барьеры – характерная черта окружающего мира. Повышенная концентрация некоторых типов вещества на барьерах представляет особый интерес и стимулирует их изучение.

По своей природе барьеры можно подразделить на механические, физико-химические, биогеохимические и техногенные.

Механические барьеры разрушают географический объект или препятствуют его распространению. Например, горные системы представляют собой масштабные и заметные естественные барьеры. Такие барьеры трансформируют воздушные массы, расчленяют почвенно-растительный покров, определяют тепловой режим территории. Любое превышение рельефа изменяет скорость ветра, что обусловливает перераспределение снега.

Физико-химические барьеры изменяют свойства контактирующих объектов, вызывая эмерджентность (например, смешение различных воздушных масс в зоне атмосферного фронта) или препятствуя обмену между веществом и энергией вследствие их различий. Среди этих барьеров наиболее заметны геохимические барьеры – участки земной коры, где на коротком расстоянии происходит смена природной обстановки с изменением свойств среды (окислительная – восстановительная, кислая – щелочная), что определяет интенсивность миграции химических элементов и их возможные концентрации (а также формирование месторождений некоторых полезных ископаемых).

На земной поверхности широко распространены биогеохимические барьеры (кислородные, глеевые, сероводородные и др.), связанные с соответствующими средами в географической оболочке.

Глеевый барьер сформировался до появления зелёных растений, когда не было свободного кислорода на Земле. Геохимическая обстановка носила восстановительный (глеевый) характер: железо и марганец легко мигрировали, в почве и коре выветривания развивались процессы оглеения, отмершее органическое вещество захоронялось, не окисляясь.

Кислородный (окислительный) барьер возникал в краевых частях болот и местах разгрузки глубинных глеевых вод. С появлением зелёных растений (≈ 3,5 млрд лет назад) атмосфера обогатилась свободным кислородом, который окислял железо и марганец и переводил их в труднорастворимые соединения. При встрече кислородных вод с глеевой обстановкой, создавался восстановительный барьер, где накапливались элементы (Va, Se, Mo и др.), восстановленные формы которых обладают плохой растворимостью.

Сероводородный (восстановительный) барьер характерен для солончаков и илов соляных озёр степей и пустынь и др. При попадании кислородных и глеевых вод в сероводородную обстановку формируется сероводородный восстановительный барьер. Для него характерна  аккумуляция металлов (Fe, Cu, Zn, Pb и др.), образующих нерастворимые сульфиды.

Возникновение барьеров связано также с щёлочно-кислотными условиями, которые  определяются концентрацией ионов водорода в воде. При большей pH формируются щелочные барьеры, при меньшей pH – кислые.

Техногенные барьеры отражают результат антропогенного вмешательства и представлены плотинами, дамбами и др. объектами.

Барьеры возникают при смене типов подстилающей поверхности, которая приводит к трансформации и изменению структуры ландшафтов.

Специфическим барьером является экватор.

Роль естественных барьеров в органическом мире. Биота наиболее чувствительна к изменчивости окружающей обстановки. Географическое распространение видов тесно связано с их экологической пластичностью. На пути неограниченного увеличения численности популяций и расширения ареала встают внешние факторы: географические, экологические и биологические, которые могут представлять для биоты естественные барьеры.

В качестве географических факторов выступают крупные элементы строения земной поверхности, играющие роль преград на пути расселения организмов (горные хребты, моря, океаны, суша и др.).

Физико-химические параметры внешней среды, играя роль экологических факторов, в то же время могут выступать в качестве крупных естественных барьеров (жаркие и сухие пустыни, температурный фактор, солёность и др.).

В роли биологических факторов выступают видовые, главным образом конкуренция и хищничество.

6.11. Ландшафтные системы

Ландшафт – одно из фундаментальных понятий современной географии, в основе которого лежит идея о взаимосвязи и взаимообусловленности всех природных явлении земно  поверхности.

Ландшафт – это обширный географический участок земной поверхности с однотипными условиями. Представляет собой сложную, комплексную систему, состоящую из множества экологических и геосферных компонентов: рельефа, геологического строения, почв, климата, вод, флористического и фаунистического сообществ. Все компоненты тесно взаимосвязаны и взаимодействуют они как единое целое.

Ландшафтная сфера – тонкий слой прямого соприкосновения, контакта и энергичного взаимодействия земной коры, воздуха тропосферы и гидросферы. Это центр географической оболочки и её активное ядро. По насыщенности органической жизнью ландшафтная сфера представляет биологический фокус географической оболочки Земли.

Формы рельефа, горные породы, климаты, поверхностные и подземные воды, почвы и сообщества организмов взаимосвязаны и образуют закономерные природные комплексы. Эти комплексы (территориальные и аквальные) являются результатом процессов, происходящих в конкретных ландшафтных системах разного ранга. Каждая ландшафтная система производит физико-географические продукты: почву, кору выветривания, фито- и зоомассу, грунтовый и речной стоки и др. компоненты. Она поглощает солнечную радиацию и трансформирует её в энергию природных процессов, осуществляет влагообмен, разрушение и минерализацию органического вещества и многие другие процессы.

Наиболее полный набор ландшафтных компонентов имеют наземные и земноводные ландшафты. В ледовых ландшафтах при почти полном отсутствии минеральных веществ мало возможностей для развития органической жизни. Ландшафты поверхности океана (до глубины 200 м) отличаются особыми условиями: отсутствие фиксированной поверхности и почвенного покрова, высокая динамичность за счёт морских течений, волн и ветра, специфическая флора и фауна и др.

Подводные (донные) ландшафты не менее специфичны: свет на глубину более 200-300 м почти не проникает, в связи, с чем фотосинтез отсутствует или очень замедлен. Живые  организмы представлены консументами (зоопланктон, зообентос, нектон, бактерии), которые питаются в основном мёртвым органическим веществом, поступающим из поверхностных слоёв океана.

Климатические и гидрологические элементы определяют мобильность наземных ландшафтов, выполняют обменные и транзитные функции. Они связывают данный ландшафт с другими ландшафтными системами, а также с внешними средами: атмосферой, гидросферой и литосферой. Под влиянием воздушных и водных потоков границы ландшафтов приобретают некоторую расплывчатость. Биотические компоненты также выполняют функцию переноса вещества и энергии.

Функции и значение компонентов ландшафта различны, но и в то же время все компоненты равноценны. В.Н. Солнцев сформулировал принцип равной важности ландшафтных компонентов: «У каждого компонента неповторимая биография и уникальная специальность в ландшафте». Иногда в формировании конкретного ландшафтного комплекса приоритет принадлежит одному из факторов: климатогенному, тектоногенному, вулканогенному, криогенному, эоловому, биогенному и др.

Каждый ландшафтный комплекс развивается по своим законам, образуя собственные ванты в пространстве. Например, многие явления в атмосфере и океане (циклоны, антициклоны, смерчи, бризы) по своей природе различны, но взаимосвязаны через круговорот воды и оказывают совместный эффект на ландшафт. Несмотря на развитие по собственным законам, геокомпоненты не могут существовать вне ландшафтных систем и вне связей с другими компонентами. С увеличением размеров ландшафтные системы становятся менее однородными.

В каждый момент  характеристики ландшафтных компонентов могут принимать  различные значения: постоянно изменяются температура и влажность воздуха, скорость ветра, состояние ветра и другие параметры среды. Несмотря на выраженную изменчивость средообразующих факторов, главные компоненты ландшафтов – почва, растительность, рельеф, геохимическая обстановка – сохраняются на протяжении долгого времени.

Состояние ландшафтов. Ландшафтные системы находятся в определённом состоянии, которое описывают набором характеристик: температура и влажность воздуха и почвы, фенологические фазы доминирующей флоры, наличие или отсутствие снегового покрова и др. параметры характеризующие состояния ландшафтов, условно разделяются а две категории: средообразующие (воздух, вода, горные породы, биота) и остальные компоненты, определяющие характер протекания физико-географических процессов в данной обстановке. Состояние ландшафта зависит от свойств и элементов комплекса, сохраняющихся на протяжении конкретного отрезка времени.

Состав ландшафтов. Ландшафтные системы образуют ландшафтную сферу – часть географической оболочки, в которой наиболее активно взаимодействуют геосферы. Она соответствует приповерхностному слою мощностью до первых сотен метров.

В географической оболочке ландшафтные системы образуют закономерные комбинации. Их чередование в пространстве связано с многими факторами: горными породами, рельефом, атмосферой и океанической циркуляцией, условиями поступления тепла и влаги, геохимической обстановкой и др. Например, водно-тепловой режим определяет главные закономерности распределения зональных типов ландшафтов. Средообразующие факторы, влияя на ландшафты, сами в той или иной степени являются продуктами их функционирования. Горные породы выполняют в ландшафте роль материальной основы. Скорость преобразования горных пород вследствие различных процессов, по сравнению с преобразованием других компонентов, невелика. Поэтому горные породы препятствуют быстрому изменению свойств ландшафта. Вместе с рельефом, горные породы придают ландшафтам фиксированное положение и пространственную обособленность, связывая их с геологическим прошлым данной территории. У молодых ландшафтов зависимость от горных пород наиболее заметна. По мере развития ландшафта происходит формирование почв и коры выветривания, которые как бы изолируют ландшафт от материнской породы.

Динамика ландшафтов обусловлена потоками вещества  и энергии, которые объединяют компоненты ландшафта и его морфологические части (фации, урочища и др.) в единую систему. Совокупность процессов обмена и преобразования энергии и вещества в ландшафте называют функционированием ландшафта.

Ландшафт непрерывно изменяется. Некоторые изменения обратимы, цикличны и не приводят к преобразованию структуры ландшафта (например, сезонные ритмы). До тех пор пока подобные изменения повторяются из года в год, структура ландшафта остаётся неизменной. Такие динамические изменения подчёркивают устойчивость ландшафта, ибо свидетельствует о его способности возвращаться к прежнему состоянию. Возможны, и эволюционные (необратимые) изменения.

Устойчивость ландшафта относительна, так как  он развивается непрерывно, но с разной скоростью, и нужен длительный срок, чтобы его трансформация стала заметной. Развитие ландшафта могут стимулировать как внешние причины (тектонические движения, климатические изменения), так и внутренние (саморазвитие, в механизме которого основную. Особую роль играет эволюция растительного покрова и его взаимодействие с абиотическими компонентами.

Устойчивость и изменчивость – два диалектически взаимосвязанных свойства ландшафта. Всем ландшафтным системам присущи ритмические колебания различной продолжительности.

Систематизация ландшафтов. В географии существует два подхода к систематике ландшафтов: иерархический и типологический.

Физико-географическое районирование – это переход от ландшафта к укрупнённым территориальным системам более высоких рангов (физико-географическое районирование). Главный критерий  - связь, пространственные отношения, территориальное единство составных частей и общность их исторического развития.

Типологическая классификация – это объединение объектов по признакам качественного сходства. В ландшафтной оболочке все природные процессы подчинены зональности, вследствие чего она разделяется на ландшафтные зоны и подзоны. Другой закономерностью ландшафтной оболочки является секторность – соотношение взаимодействия океанических и континентальных воздушных масс обусловливает континентальность климата, и азональность, которая определяется высотой территории над уровнем моря, наличием крупных форм рельефа, петрографическим составом горных пород, неотектоническими движениями, что обусловливает выделение физико-географической страны.

Структура ландшафтов. Ландшафтные системы (ландшафты) представляют один из видов геосистем. Они характеризуются относительно однотипными взаимодействиями компонентов. Различают три  уровня ландшафтных геосистем: локальный, региональный и глобальный.

I. Локальный уровень – образуют геосистемы, формирование которых связано с местными факторами, имеющими небольшой радиус действия. Элементарная ландшафтная система и неделимая географическая единица называется фацией. Для фации характерна высокая однородность условий местоположения и местообитания (поверхность склона с одинаковым уклоном, западины и др.), однородный микроклимат и водный режим, одна почвенная разность, один биоценоз. Она охватывает пространство от нескольких десятков метров до нескольких сотен – в поперечнике.

Фации группируются в более сложные территориальные системы. Совокупность фаций, приуроченных к мезоформе рельефа, образует урочище (овраг, берега морской бухты и др.). Урочища объединяются в местности, которые соответствуют комплексам положительных или отрицательных форм рельефа (равнина, возвышенность), имеющие в поперечнике от нескольких тысяч метров до нескольких десятков километров.

Фация, урочище и местность – это единицы внутриландшафтного подразделения.

II. Региональный уровень образуют региональные системы (физико-географические районы, округа, провинции, области, подзоны, зоны), которые формируются в результате влияния факторов с более широким радиусом действия (неравномерное распределение солнечной радиации и тектонических движений по поверхности Земли и формы макрорельефа (горы, равнины, материковые выступы и океанические впадины).

III. Глобальный уровень представлен ландшафтной оболочкой, которая охватывает взаимопроникающие и постоянно взаимодействующие тропосферу, гидросферу, верхние слои литосферы и биосферу. Геосистемы регионального и локального уровней служат структурными частями ландшафтной оболочки. Знание процессов в локальных геосистемах необходимо для понимания планетарных процессов.

Классификация естественных ландшафтов (по А.Г. Исаченко) основана на сравнении их по многим критериям – генезису, структуре, функционированию, ландшафтнообразующим факторам. Важнейшие функциональные черты ландшафтов (влагооборот, почвообразование, продуцирование биомассы, биогенный круговорот веществ, сезонная динамика и др.) определяются количеством тепла и влаги. Поэтому наиболее общими признаками ландшафтов, которые могут служить основанием для их объединения в высшие классификационные категории – типы ландшафтов обусловлены соотношением тепла и влаги. Следующей классификационной единицей являются подтипы ландшафтов, имеющие подзональный характер, далее следуют классы ландшафтов (равнинные и горные), критерием которых служит гипсометрический фактор. Классы подразделяются на подклассы ландшафтов, которые отражают ярусную дифференциацию ландшафтов. Далее выделяются виды ландшафтов, критерием которых является фундамент ландшафта -  его структурные особенности, состав горных пород, формы рельефа. Ландшафтам одного вида присуще наибольшее число общих признаков, максимальное сходство в генезисе, характере компонентов, структуре, морфологии. Видовые признаки ландшафтов крайне многообразны. Конечными объектами описания чаще служат не виды ландшафтов, а их объединения, генерализованные в зависимости от изученности, характера распространения и др. Условно их называют группами ландшафтов.

Также предлагаются классификации в ландшафтных системах – природно-территориальные и природно-аквальные комплексы.

Классификация антропогенных ландшафтов. В настоящее время, современные ландшафты по степени изменения структуры естественных ландшафтов производственной деятельностью человека можно разделить на 6 групп:

  1.  практически неизменные природные ландшафты (неэксплуатируемые леса и луга, ледники, полярные пустыни, многие заповедные ландшафты и др.);
  2.  слабоизменённые ландшафты, в которых основные природные связи не нарушены (рационально эксплуатируемые леса, пастбища, водоёмы, национальные парки и др.);
  3.  нарушенные ландшафты вследствие длительного нерационального использования первичных ландшафтов (вторичные обеднённые леса, мелколесья и кустарники, а также участки природной растительности которые появились в результате примитивных систем земледелия);
  4.  сильно нарушенные ландшафты, или антропогенный бедленд, возникший в результате неустойчивого равновесия природных процессов (эрозионные участки, антропогенный карст, участки вторичного засоления и заболачивания, заброшенные горные выработки и отвалы и др.);
  5.  преобразованные, или культурные ландшафты (поля, сады, многолетние насаждения, лесопосадки, зоны отдыха и др.);
  6.  искусственные ландшафты, созданные человеком на природной основе (города, сёла, промышленные узлы, коммуникации, горные выработки, каналы, плотины и др.).

6.12. Пространство и время в географической оболочке

Географическая оболочка и её составные части наряду с вещественно-энергетическими обладают и пространственно- временными характеристиками.

Пространство и его характеристики. Самым общим свойством пространства географической оболочки является его сферичность. Это означает, что кратчайшим расстоянием является отрезок дуги  большого круга, пространство замкнуто и в нём есть верх и низ. Последнее качество сопряжено с тем, что в поле силы тяжести Земли наблюдается выраженная анизотропность (неравнозначность) вертикальных движений), а из-за суточного вращения Земли – неравнозначность западного и восточного направлений (сила Кориолиса).

Благодаря наличию полюсов и экватора пространство географической оболочки  обладает зеркальной симметрией относительно плоскости экватора (фигура Земли, географические пояса, системы циркуляции воздуха и воды и др.).

Асимметрия – является показателем неравновесного состояния Земли и географической оболочки.

Наиболее общая пространственная характеристика геосистем – размеры. Диапазон размеров географических объектов велик: диаметр магнитосферы около 100 тыс. км, окружность земли – 40 тыс. км, а размеры наименьших геосистем (фаций) – несколько десятков метров.

Таким образом, весь пространственный диапазон геосистем определяется величинами от 10 до 107 м.

Время и его характеристики. Наиболее общей временной характеристикой географической оболочки и геосистем является длительность их существования. В относительной геохронологической шкале она включает криптозой и Фанерозой, а в физической – несколько миллиардов лет. Это время сопоставимо с возрастом Земли (4-5 млрд. лет) и Вселенной (15-20 млрд. лет). Минимальный временной интервал, который сохраняет ещё географический смысл, составляет десятки секунд.

Фундаментальным географическим понятием является характерное время – последовательность событий от появления географической системы до её исчезновения. В данную последовательность входят стадии эволюции системы, которые называются по аналогии с живым организмом юностью, зрелостью и старостью. Процесс самопроизвольного движения системы по шкале собственного времени называется саморазвитием.

Пространственно-временные меры. Пространственные и временные масштабы геосистем обычно даются в метрических мерах, введённых в физике. Однако нередко удобнее использовать иные меры и шкалы. Так, расстояние между объектами оценивают не в единицах длины, а в затратах времени (один день пути) или энергии (водным или воздушным потоком) на его преодоление. В метеорологии сила ветра часто даётся по 12-балльной шкале Бофорта.

Из физических мер только год и сутки имеют географический смысл.

Однако для понимания географических процессов в геосистемах важны также временные отрезки, как время возвращения системы в равновесное состояние (время релаксации), время становления геосистемы, период полного колебания её основных параметров, период на протяжении которого система проходит полный цикл (период циклический) изменений, различный для всех компонентов и др.

Пространственно-временная интеграция геосистем. В такой сложной геосистеме, как ландшафт, сочетаются молодые, зрелые и реликтовые элементы. Собственное время каждого элемента различно, поэтому стадии их саморазвития не будут совпадать.

Пространственно-временные ряды географических явлений. Пространственная структура ландшафтных зон позволяет раскрыть их динамику во времени. При изменении климата ландшафтные зоны будут смещаться в высокие (при потеплении) или в низкие (при похолодании0 широты, что действительно имело место в разные исторические эпохи. В каждой точке смена зон во времени будет соответствовать их пространственной последовательности. Например, по потеплении лесостепная зона сменяется степной, а затем полупустынной, при похолодании на смену лесостепной придёт лесная, а затем лесотундровая зоны.

Пространственно-временная эмерджентность. Взаимодействия порождают эффект эмерджентности – появление у взаимодействующих объектов новых свойств или качеств, отсутствующих ранее у каждого из них. Эмерджентные свойства появляются по-разному. Если объединяются однотипные объекты (участки леса – в лесную зону, отдельные водотоки в речную систему и др.), то характер взаимодействия внешне не меняется. Однако при этом происходят значительные изменения свойств геосистем. Например, в лесу, расчленённом на отдельные небольшие массивы, ослаблено влияние  растительности на микроклимат, более активна борьба древесной и травянистой растительности, чем в сплошном лесу.

Сравнение однотипных объектов, которые различаются длиной, площадью и объёмом, показывает, что при изменении их пространственных характеристик происходит изменение свойств самих объектов:

  •  Увеличение площади материка приводит к возрастанию континентальности его климата (Евразия);
  •  Рост площади и объёма ледника способствует их саморазвитию, в то время как малые ледники «самодеградируют»;
  •  Чем больше длина реки, тем более сглаженный у неё паводок;
  •  Уменьшение площади острова до некоторой критической величины приводит к резкому снижению численности и видового разнообразия растений и животных, упрощению структуры биоценозов.

На свойства геосистем влияет и другая пространственная характеристика – форма. Форма выражает соотношение периметра и площади, площади и объёма. Чем больше это соотношение, тем активнее воздействует на данный объект внешняя среда. Так, для разных типов побережья характерны разные режимы волнения, прибоя, ветра, температура прогрева вод, а следовательно и характер взаимодействия суши и моря.

Форма в сочетании с географическим положением и ориентацией может иметь огромное значение для географических ландшафтов не только на региональном, но и на глобальном уровне. Например, влияние горных цепей в качестве климатических разделов: на одной широте пустыня Атакама в Южной Америке и Ленкоранская низменность в Азербайджане.

Новые качества могут появиться в зависимости от расположения взаимодействующих систем. Чем контрастнее соседствующие элементы, тем богаче и разнообразнее выраженное взаимодействие и сложнее структура комплексов.

Свойства эмерджентности возникают и в связи с разновременностью событий. Например, чередование дождливых и сухих периодов в летнее время, сумма положительных темпператур, количество часов солнечного сияния и др.

Компенсация и дополнительность. В условиях ограниченного замкнутого пространства географической оболочки неизбежно возникают компенсационные явления. Известен закон компенсации воздымательных и опускательных движений земной коры, в соответствии с которым воздымание горных цепей сопровождается компенсационными погружениями (впадинами и прогибами земной коры). Компенсационные явления характерны для климата Земли.

Пространственные компенсационные явления  обнаруживаются в строении земной поверхности (материки и океаны, положительные и отрицательные формы рельефа), увлажнении ландшафтов (зоны с избыточным и недостаточным увлажнением).

Временные компенсационные явления проявляются в чередовании засушливых и влажных, урожайных и неурожайных, периодов вспышек вредителей леса и сельскохозяйственных растений и др.

Пространственные и временные компенсационные явления находят своё выражение в единстве. О чередовании погодных и климатических процессов во времени и в пространстве писал ещё А.И. Воейков. Например, установлено, что засухи в пределах Русской равнины, как правило, соответствуют хорошему увлажнению на территории северного Казахстана, и наоборот.

Принцип компенсации является одним из основополагающих в устройстве географической оболочки. Этот принцип определяет возникновение и существование круговоротов вещества и энергии как одну из важнейших форм организации географических систем в условиях ограниченного пространства земной поверхности.

Близкий смысл имеет принцип дополнительности, суть которого сводится к тому, что для устойчивого существования геосистем географической оболочки в целом необходимо такое пространственное и временное состояние их частей, которое обеспечивает их устойчивое функционирование.

Дополнительными частями являются горная система, предгорье и прилегающая равнина, животные, растения и микроорганизмы в биоценозе и др. в более широком смысле друг друга дополняют материки и океаны, экватор и полярные области, циклоны и антициклоны и др.

Знание принципов компенсации и дополнительности позволяет использовать их в исследованиях окружающей среды. Эти принципы необходимо учитывать при эколого-географической экспертизе проектов (например, обширная мелиорация Средней Азии в 60-80-х годах XX века привела к компенсационному прогрессу усыхания Аральского моря.

Метахронность, или «чередование времени». Метахронность проявляется  в том, что наступление и чередование фаз и стадий развития геосистем происходит несинхронно в разных частях земного шара, даже если геосистемы располагаются на одной широте и имеют сходные параметры.  

Например, установлено, что формирование ледникового щита Антарктиды началось значительно раньше, чем оледенение Северного полушария. Ледниковый щит Антарктиды возник после её отделения от Южной Америки и Австралии и образования циркумполярного течения западных ветров, которое изолировало Южный океан от притока тёплых вод из низких широт.

ГЛАВА 7

ДИНАМИКА ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ

Важнейшее свойство материальных объектов – движение. В основе движения лежит способность объектов окружающего мира взаимодействовать между собой. Движения совершаются постоянно и включают изменения всех форм. Каждый физико-географический процесс есть совокупность многих физических, химических и биологических процессов.

В географической оболочке выделяется несколько основных типов движения. Развитие – процесс, приводящий к качественным, необратимым и направленным изменениям в системе. Функционирование – процесс, при котором в условиях постоянного энергомассообмена со средой система сохраняет свои характерные свойства за счёт относительной устойчивости структуры и определяющих её состояние параметров. Чем сложнее геосистема, тем более сложным и гибким является «механизм» обеспечения функционирования. При направленных внешних воздействиях система может совершать переходы из одного состояния в другое. Такие переходы обычно обратимы. Динамика – совокупность переходов системы из одного состояния в другое. Примерами динамических процессов являются колебания всех географических параметров в широком пространственно-временном диапазоне.

7.1. Источники энергии в географической оболочке

В географической оболочке энергия поступает из Космоса, недр Земли и выделяется при гравитационном взаимодействии планеты с Луной и Солнцем. В зависимости от этого энергетические источники разделяются на эндогенные и экзогенные.

Эндогенная энергия – это энергия земных недр, которая поступает в географическую оболочку в двух формах: теплового потока (теллурические токи) и путём механических перемещений вещества. Величина теплового потока в среднем в 10-5 раз меньше потока электромагнитной солнечной энергии.

Тепловой поток распределён на земной поверхности неравномерно, что связано с характером тектонических структур и возрастом земной коры. Наибольшие значения теплового потока наблюдаются в зонах срединно-океанических хребтов, в сейсмоактивных и вулканических районах, а наименьшее – в тектонически спокойных регионах.

Источниками эндогенной энергии являются:

  •  Гравитационная дифференциация земного вещества по плотности;
  •  Распад радиоактивных элементов;
  •  Внутреннее трение масс вещества;
  •  Приливное трение.

Определённую часть эндогенной энергии составляет солнечная энергия, поступившая на земную поверхность ранее и сохранившаяся в горючих полезных ископаемых, горных абиогенных породах и рассолах, законсервированных в земной коре. В прошлом радиоактивная и приливная составляющие эндогенной энергии были большими.

Экзогенная энергия – это энергия, поступающая на Землю из Космоса. Она на 97% состоит из электромагнитного излучения Солнца – солнечной радиации. Солнечная постоянная – это поток солнечной радиации, поступающий на границу верхней атмосферы на 1 см2 в минуту. Она составляет 1,98 кал/(см2 · мин).

Электромагнитное излучение Солнца содержит широкий спектр волн разной длины. Ультракоротковолновая радиация на высоте 100-200 км задерживается в ионосфере; жёсткая ультрафиолетовая – поглощается на высоте 25-28 км озоном. В тропосферу и непосредственно к земной поверхности поступают  мягкая ультрафиолетовая радиация и инфракрасное излучение. Одновременно в географическую оболочку поступает радиоволновое излучение. Наряду с электромагнитными потоками в атмосферу проникает корпускулярный поток заряженных частиц – «солнечный» и «космический» ветер, который почти полностью поглощается магнитосферой и верхними слоями атмосферы. Его изменчивость, обусловленная пульсациями солнечной активности, вызывает возмущения геомагнитного поля, что отражается на биологических объектах.

Суммарное воздействие эндогенной и экзогенной энергии изменяет вещество земной коры, создаёт форму и рельеф Земли. Самые грандиозные преобразования на поверхности планеты вызывает эндогенная энергия. Однако вклад экзогенной энергии не менее значителен:

  •  Солнечная энергия сохраняется в геохимических аккумуляторах земной коры;
  •  Неравномерность распределения лучистой энергии на земной поверхности приводит в движение атмосферу, а через неё и гидросферу.

Влияние внутренней энергии на функционирование географической оболочки. Внутренняя энергия обнаруживает себя в разнообразных, но взаимосвязанных движениях земной коры. Выделяют вертикальные (колебательные) и горизонтальные (тангенциальные) движения, которые сопровождаются целой серией вторичных движений.

Колебательные (вертикальные) движения земной коры проявляются в волнообразных поднятиях или опусканиях огромных участков литосферы. Среди них выделяют медленные (вековые) движения мало контрастные и относительно быстрые (активные) контрастные.

Медленные колебательные движения, которые происходят в течение длительного времени, называют эпейрогеническими. При этом залегание пластов горных пород практически не нарушается, но изменяется их абсолютная, а иногда и относительная высота. Эти движения прослеживаются по положению береговой линии, когда граница между сушей и морем смещается. Если море отступает, то процесс называется регрессией, если море наступает, то трансгрессией.

Признаки поднятия берегов наблюдаются по террасам, остаткам морских организмов вдали от берега, удалённые от моря причалы и др. признаки опускания суши – затопленные речные долины, состав донных отложений, стоящие в воде или затопленные строения. С трансгрессиями и регрессиями связаны эвстатические колебания уровня Мирового океана. Эвстатические движения – движения  уровня моря или океана, вызываемые изменением ёмкости подводных впадин (вследствие провалов или заполнения впадин осадками и т.п.) или изменением объёма вод (изъятие части вод из круговорота  в эпохи оледенения). Процесс незначительного наступления моря на сушу, когда затапливаются только её пониженные участки, называют ингрессией. При этом образуются специфичные типы побережий с изрезанными очертаниями (лиманные, фьордовые, шхерные идр.0.

Значительное увеличение площади суши или моря сказывается на климате, который становится более морским или более континентальным. Изменяется органический мир. Облегчается миграция флоры и фауны. При трансгрессии увеличивается интенсивность абразии – размывание берегов, пляжей и др.

При быстрых и контрастных движениях происходят значительные нарушения залегания горных пород и создание специфичных возвышенных и пониженных структур. Такие движения называют орогеническими, или дислокационными.

Тангенциальные (горизонтальные) движения земной коры вызывают изменение залегания пластов горных пород. Наиболее часто они вызывают образование складок (складчатые деформации) – волнообразных изгибов пластов. Выпуклая часть складки называется антиклиналью, вогнутая – синклиналью. В связи с развитием гипотезы литосферных плит горизонтальным движениям придаётся большое значение.

Существуют также разрывные деформации, связанные с перемещениями земных масс, предварительно разбитыми на отдельные блоки. Поднятые блоки называют горстами, опущенные – грабенами. Складчатые и разрывные деформации сопровождаются магматизмом и землетрясениями. Если магма застыла на глубине с образованием специфических тел имеет место интрузивный магматизм. При излиянии магмы на поверхность и образовании вулканов, лавовых потоков и покровов имеет место эффузивный магматизм. В этом случае в географическую оболочку поступает большое количество энергии. На начальных этапах развития Земли магматическая деятельность сыграла решающую роль в возникновении и развитии земных сфер: каменной, жидкой и газообразной.

В истории земли выделяют периоды интенсивных движений земной коры – эпохи тектонической активности. В процессах тектонической активизации высвобождается огромное количество внутренней энергии планеты, которая реализуется в деформации горных пород и участвует в экзогенных процессах.

Эпохи тектонической активизации – это время усиления экзогенных процессов. Усиливается тепловое поле земной поверхности, приземного слоя атмосферы и части гидросферы, что ускоряет физико-химические и механические процессы и биологические реакции. Повышенная дегазация земных недр с выбросами горячих и энергетически ёмких веществ также отражается на географических процессах.

В истории Земли выделяют несколько эпох тектонической активизации, приведших к созданию складчатых поясов и горных систем:

  •  Байкальская (конец протерозоя – начало палеозоя);
  •  Каледонская (ранний палеозой);
  •  Герцинская (поздний палеозой);
  •  Киммерийская (середина мезозоя);
  •  Альпийская (кайнозой).

Движения альпийской тектонической эпохи не закончились и называются они новейшими.

7.2. Радиационный баланс Земли

Распространение солнечной радиации. Источником большинства земных процессов является лучистое излучение Солнца, поступление которого изменяется в течение года и зависит от географической широты. В географической оболочке солнечная радиация разделяется на отражённую, прямую и рассеянную. Отношение отражённой радиации к суммарной (прямой и рассеянной) называется альбедо, и вычисляется по формуле

a = (Qотр. /Q + q) · 100%, где

a – альбедо (% или доли единицы); Qотр – отражённая солнечная радиация; Q + q – суммарная (прямая и рассеянная) солнечная радиация.

Альбедо зависит от: высоты Солнца, облачности, характера подстилающей поверхности, времени года. Альбедо суши в среднем больше, чем альбедо водной поверхности. Планетарное альбедо Земли – 0,3-0,35.

Земная поверхность и нижние слои атмосферы, поглощая солнечную радиацию, нагреваются и сами становятся источниками излучения.

Кроме прямой (от Солнца) и рассеянной (от небосвода) радиации на земную поверхность  поступают потоки и противоизлучения атмосферы (от нагревания её от земной поверхности). Разность между поступлением и потерей радиации земной поверхностью составляет радиационный баланс Земли, рассчитываемый по формуле

R = S +D – Qотр.- EЗ. + EА,

где R – радиационный баланс; S – прямая солнечная радиация; D – рассеянная солнечная радиация; Qотр – отражённая солнечная радиация; EЗ. – излучение земной поверхности; EА – противоизлучение атмосферы.

Земля находится в состоянии лучистого равновесия. Только сравнительно малая часть энергии накапливается в органическом веществе и в геохимических аккумуляторах.

Влияние атмосферы на распространение солнечной радиации. На Луне 7% Солнечной радиации отражается, а 93% отражается в виде невидимой длинноволновой инфракрасной радиации. На Земле распределение солнечной радиации сложнее, так как она окружена атмосферой, которая избирательно пропускает электромагнитное излучение.

Атмосферный воздух состоит из постоянных газов (азота, кислорода и аргона) и небольших количеств CO2,  CH4 и водяных паров. Постоянные газы прозрачны для инфракрасной радиации, а другие – поглощают до 50% длинноволновой радиации. Чем короче длина волны, тем интенсивнее рассеяние, поэтому больше рассеиваются лучи синей части спектра, придавая небу голубой цвет в ясную погоду.

Схема радиационного баланса. Вся солнечная энергия, излучаемая Солнцем, и достигающая Земли распределяется следующим образом. Ультрафиолетовые лучи, составляющие 3%, поглощаются озоновым слоем на верхней границе географической оболочки. Лучистая энергия (39%) взаимодействует с облаками из которой 19% отражается и 15% рассеиваются и достигают поверхности Земли как рассеянная радиация. 17% солнечной радиации отражается и рассеивается пылью и водяными парами. В итоге 24% приходит прямой солнечной радиации на земную поверхность и 26% (15 + 11) – рассеянной солнечной радиации.

Большая часть эффективного излучения (72%) составляет длинноволновая радиация, а остальная  - коротковолновая.

Распространение солнечной энергии в Мировом океане имеет некоторые особенности, так как она поглощается избирательно толщей воды. Лучистая энергия красной части спектра поглощается почти целиком в верхнем слое до 1 м. На глубине 100 м остаётся около 1% энергии, смещённой в сторону сине-зелёной части спектра (вследствие этого предметы на морском дне имеют соответствующую окраску). Глубина проникновения солнечного света во многом зависит от прозрачного воды и состояния поверхности моря.

7.3. Тепловой баланс Земли

Земная поверхность, поглощая солнечную радиацию и нагреваясь, сама становится источником излучения тепла в атмосферу и через неё в мировое пространство. Чем выше температура поверхности, тем выше излучение. Собственное длинноволновое излучение Земли большей частью задерживается в тропосфере, которая при этом нагревается и излучает радиацию – противоизлучение атмосферы. Разность между излучением земной поверхности и противоизлучением атмосферы называется эффективным излучением. Оно показывает фактическую потерю тепла поверхностью Земли и составляет около 20%.

Атмосфера в отличие  от земной поверхности больше излучает, чем поглощает. Возникающие между низкими и высокими широтами температурные контрасты сглаживаются за счёт адвекции – переноса тепла и воздушными течениями от низких широт к высоким.

Уравнение теплового баланса. Количество тепла описывается уравнением теплового баланса. Его важнейшим компонентом является радиационный баланс земной поверхности. Солнечная радиация расходуется на нагревание почвы и воздуха (и воды), испарение, таяние снега и льда, фотосинтез, почвообразовательные процессы и выветривание горных пород. равенство между приходом энергии и её расходом выражается уравнением теплового баланса:

R = LE + A ± P ± B + F + C, или  R = (Q + q)(1 – α) - I,

где R – радиационный баланс; LE – тепло, затрачиваемое на испарение воды и таяние снега или льда (L – скрытое тепло испарения или парообразования; E – скорость испарения или конденсации); A – горизонтальный перенос тепла воздушными и океаническими течениями или турбулентным потоком; P – теплообмен земной поверхности с воздухом; B – теплообмен земной поверхности с почвой и горными породами; F – расход энергии на фотосинтез; C – расход энергии на почвообразование и выветривание; Q + q – суммарная радиация;  α - альбедо; I - эффективное излучение атмосферы.

На долю энергии, расходуемой на фотосинтез и почвообразование, приходится менее 1% радиационного бюджета, поэтому эти составляющие в уравнении часто опускаются. Эта энергия обладает способностью аккумулироваться и преобразовываться в другие виды (превратимая энергия). В географической оболочке скопилось огромное количество энергии в виде рассеянного органического вещества в осадочных породах, каменного угля, нефти, сланцев.

Перенос и распределение тепла. Перенос тепла от поверхности в атмосфере происходит тремя путями: тепловое излучение, нагревание или охлаждение воздуха при контакте с сушей, испарение воды. Водяные пары, поднимаясь в атмосферу, конденсируются и образуют облака или выпадают в виде осадков, а выделяемое при этом тепло поступает в атмосферу. Поглощённая атмосферная радиация и тепло конденсации водяных паров задерживают потерю тепла земной поверхностью. Над засушливыми районами это влияние уменьшается (наличие больших суточных и годовых амплитуд температуры). Наименьшие амплитуды температуры присущи океаническим районам.

Являясь огромным резервуаром, океан хранит больше тепла, что ослабляет годовые колебания температуры, вследствие высокой удельной теплоёмкости воды.

Структура теплового баланса зависит от географической широты и типа ландшафта. Она существенно изменяется при движении от экватора к полюсам и при переходе с суши на море. В океане летом тепло распространяется на глубину до нескольких сотен метров, а на суше – всего нескольких метров. Благодаря большому запасу тепла, океан зимой охлаждается меньше, чем суша.

До 80% энергии, поглощаемой океаном, расходуется на испарение воды, а остальная – на турбулентный теплообмен с атмосферой.

Изменение радиационного и теплового баланса. Годовая сумма радиационного баланса почти всюду на Земле положительна, за исключением Гренландии и Антарктиды. Среднегодовые его значения уменьшаются в направлении от экватора к полюсам.

Радиационный баланс над океаном больше, чем над сушей, что связано с меньшим альбедо водной поверхности и повышенным влагосодержанием в экваториальных и тропических широтах.

Сезонные изменения радиационного баланса происходят на всех широтах. В низких широтах она определяется режимом осадков, а в умеренных и высоких – термическим режимом.

Для сохранения энергетического баланса Земли должен существовать перенос тепла в направлении полюсов. Около 1/3 тепла переносится океаническими течениями, остальное – атмосферой. Различия в нагревании Земли обусловливают её действия как географической тепловой машины, в которой происходит передача тепла от нагревателя к холодильнику. В природе этот процесс реализуется в виде планетарных системы ветров и морских течений и перераспределения тепла и влаги на земном шаре.

Таким образом, от экватора в направлении к полюсам потоками воздуха или океаническими течениями переносится тепло, а к экватору – холодные воздушные или водные массы.

Распределение температуры. На горизонтальное распределение температуры влияют географическое положение, рельеф, подстилающая поверхность, океанические течения и характер атмосферной циркуляции. Средняя температура земной поверхности составляет около +15ºС. Самые высокие температуры наблюдаются  на термическом экваторе – линии, соединяющей точки с наиболее высокой среднегодовой температурой (выше +28ºС), которая примерно соответствует параллели +5º с.ш. на океанах и +10º  с.ш. на суше.

Вертикальное распределение температуры зависит от тепловых свойств вещества, слагающего геосферы, и высотного уровня стратификации. В тропосфере с высотой температура понижается и термическая ступень составляет 0,6º на каждые 100 м. в литосфере температура повышается с глубиной в среднем на 1-3º на каждые 100 м. для океаносферы (средняя температура составляет +4ºС) характерна двухслойная стратификация вод: верхний однородный слой, в котором происходят перепады температуры и основная масса вод Мирового океана с температурой от +1 до +2,5ºС.

Земля как тепловая машина. Основа атмосферной циркуляции – неравномерное распределение теплоты в атмосфере. Атмосфера – наиболее подвижная часть географической оболочки. Существует, так называемое учение В.В. Шулейкина о географических тепловых машинах.

Самой большой географической тепловой машиной первого рода является система «экватор – полюсы». С ней связаны крупномасштабные движения в атмосфере. Разность температуры постоянно поддерживается неравномерным поступлением солнечной радиации на поверхность Земли.

Тепловые машины второго рода – возникают в результате различия в нагревании материков и океанов (муссоны).

Тепловые машины третьего рода – образуют горизонтальные круговороты воды – циклонические и антициклонические кольца океанической циркуляции.

Тепловые машины четвёртого рода – происходит вертикальный перенос тепла от земной поверхности в атмосферу. Атмосфера в целом холоднее, чем земная поверхность: средняя температура тропосферы около   -18ºС, а в приземном слое - +14ºС.

Тепловые машины пятого рода – представлены тропическими циклонами.

Тепловые машины шестого рода - образуют синоптические вихри (ринги), возникающие в океанах на границах течений.

Циркуляция атмосферы складывается из горизонтальных (зональных и меридиональных) и вертикальных движений. Зональные переносы преобладают. Средняя температура в районе Северного полюса составляет     -19ºС, а Южного - -36,5ºС.

7.4. Круговорот вещества и энергии – одно из основных свойств динамики географической оболочки

Важнейшей особенностью географической оболочки являются круговороты вещества и энергии. Они обеспечивают многократность одних и тех же процессов и явлений, а также направленный характер их развития.

Круговорот веществ – многократное участие вещества в процессах, протекающих в геосферах планеты.

Круговорот энергии – использование энергии в геосистемах для обеспечения круговоротов вещества.

Круговороты вещества и энергии в географической оболочке носят открытый характер. Преобладание в них приходной или расходной частей свидетельствует о тенденциях развития данной системы, её устойчивости или неустойчивости. В развивающихся природных системах всегда преобладает приходная составляющая, что обеспечивает расширенное осуществление процессов и явлений.

Межструктурные круговороты вещества и энергии. Межструктурный круговорот – взаимодействие структурных частей географической оболочки (атмосферы, гидросферы, литосферы и биосферы) между собой в виде единого целого (географической оболочки Земли). Это общегеографический (глобальный) круговорот вещества и энергии, или по В.И. Вернадскому и А.Е. Ферсману – большой геохимический , или большой географический круговорот веществ.

Исходным звеном общегеографического круговорота вещества и энергии является земная поверхность. Под влиянием солнечной энергии здесь возникают динамические явления в тропосфере и гидросфере, сопровождаемые переносом тепла и влаги, формируются зона активной жизни и кора выветривания – структурные части географических ландшафтов.

Общегеографический круговорот протекает медленно даже по геологическим масштабам. Он представляет собой синтез частных круговоротов, главные их которых  - литосферный (геологический) круговорот, круговорот воды, биологический круговорот.

Литосферные круговороты. Они проявляются двояко, как:

  •  «круговорот горных пород» - перемещение вещества самыми разнообразными механическими путями;
  •  «геохимический круговорот» - изменение вещественного состава перемещаемых или пребываемых в состоянии покоя горных пород (перенос минеральных веществ в земной коре).

Круговорот горных пород. Возникшие продукты выветривания коренных пород и биогенные накопления в земной коре превращаются в комплексы осадочных пород. Под влиянием высоких температур и давления, а также воздействия глубинных растворов, осадочные породы подвергаются  метаморфизации. На больших глубинах возникает магма. Находящаяся под давлением магма, насыщенная газообразными продуктами недр, прорывается в верхние слои земной коры и, охлаждаясь, переходит в изверженные магматические кристаллические породы или изливается на поверхность Земли. В зоне гипергенеза (выветривания) вновь происходит разрушение горных пород. Продукты выветривания переносятся водой, льдом или ветром, и отлагаются (на суше или на дне водоёмов) в виде рыхлых осадочных отложений, которые уплотняются в процессе диагенеза. Диагенез- химические и физические изменения, которые испытывают рыхлые отложения после своего образования, превращаясь в плотные горные породы. На продуктах выветривания формируются ландшафты - начальное звено нового общегеографического цикла.

Геохимический круговорот. Следствием многих круговоротов в литосфере является изменение химического состава горных пород вследствие миграции – переноса минерального вещества и перераспределения химических элементов. Этот процесс осуществляется потоками воды (твёрдый и ионный сток рек, перенос океаническими течениями), воздуха (вынос солей с моря на сушу, перенос в атмосферу пыли и продуктов горения и др.), ледниками, оползнями, грязевыми потоками, а также растениями и животными.

Механическая миграция – перемещение вещества, происходящее без изменения его химического состава. Этот процесс начинается с разрушения вещества – физического выветривания, и в дальнейшем осуществляется агентами миграции – воздухом, водой, ледниками и др. В результате часть твёрдого вещества удаляется с континентов в океаны или перемещается от возвышенных участков суши к понижениям и формирует кластические горные породы (гравий, щебень, конгломерат, пески и глины), на которые приходится свыше 90% массы осадочных горных пород. Кластические, или обломочные породы образуются при накоплении продуктов выветривания горных пород и переотложении их текучей водой или другими агентами. Механическая миграция составляет верхнюю (надземную) часть большого литосферного круговорота.

Химическая миграция – изменение свойств перемещаемого вещества и его химического состава. Этот процесс начинается с разрушения вещества за счёт химического выветривания воздушными и водными мигрантами. Воздушные мигранты – элементы, которые могут вступать в химические соединения – H2, O2, C, N. Их атомы совершают очень быстрые круговороты через живое вещество, почву и гидросферу. Водные мигранты – это подвижные анионы серы, хлора, бора, брома. Они образуют легкорастворимые соли, которые накапливаются  в воде при испарении и легко поглощаются организмами (сера входит в состав белков). Результатом их аккумуляции являются залежи соли, гипса, мирабилита и соляные корки в пустынях.

В целом баланс минерального вещества континентов резко отрицательный. Он компенсируется общим поднятием материков в связи с действием механизма изостазии.

Многие химические элементы земной коры выходят за её пределы и участвуют в других круговоротах. В связи, с чем выделяется особая категория – биогеохимические круговороты.

Глобальный круговорот воды. Круговорот воды – это непрерывный процесс циркуляции влаги, охватывающий атмосферу, гидросферу, литосферу и биосферу. Схема круговорота следующая:

  •  выпадение атмосферных осадков;
  •  поверхностный и подземный сток;
  •  инфильтрация;
  •  испарение;
  •  перенос водяного пара в атмосфере;
  •  его конденсация;
  •  повторное выпадение атмосферных осадков.

Движущей силой является солнечная энергия. Основной источник поступления влаги (85%) в атмосферу – поверхность Мирового океана. Выделяют круговороты воды в атмосфере, между атмосферой и поверхностью Земли, между земной поверхностью и недрами литосферы, внутри недр литосферы, в гидросфере. Различают малый и большой круговороты воды в природе.

Круговорот воды не замыкается только на Земле. Молекулы водяного пара, поднятые в высокие слои атмосферы под действием УФ-лучей распадаются на атомы кислорода и водорода. Вследствие высоких температур в термосфере частицы водорода преодолевают земное притяжение и уходят в межпланетное пространство.

В природном круговороте воды можно выделить три основные звена:

  •  материковое,
  •  океаническое,
  •  атмосферное.

Материковое звено круговорота воды. Попадая на поверхность суши в виде атмосферных осадков, вода либо просачивается в почву (инфильтрация), либо стекает по поверхности, формируя поверхностный и речной сток, и затем поступает в озера, моря и океаны. Часть воды испаряется как с поверхности почвы, водоёмов и надземных органов растений, так и из почвы, коры выветривания и горных пород после подъёма по капиллярам к поверхности. Часть просочившейся в почву влаги перемещается в виде внутрипочвенного стока, а также грунтовых и подземных вод. Грунтовые и подземные воды иногда выходят на земную поверхность на склонах, в местах выклинивания водоносных горизонтов, а также в руслах рек. Часть подземных вод пополняют водные запасы глубоких подземных горизонтов.

Специфический элемент континентального звена круговорота воды составляют ледники. Во время оледенений огромные массы воды изымались из океана в виде льда. В некоторые периоды уровень Мирового океана снижался на 100 м и более.

Океаническое звено круговорота воды. Океан нагревается главным образом, сверху за счёт поглощения солнечной радиации и теплового  противоизлучения атмосферы. Геотермический поток, идущий из недр Земли, невелик. Нагревание воды океана сверху придаёт ей гидростатическую устойчивость, вследствие чего вертикальные движения в океане выражены слабо (т.к. верхние слои, тёплые, имеют меньшую плотность, чем нижележащие – холодные).

Совокупность перемещений воды в океане складывается из движений и круговоротов различных пространственных и временных масштабов. Периоды движений колеблются от нескольких секунд до сотен лет, а пространственные – от нескольких миллиметров до тысяч километров.

В океаническом звене участвуют морские течения, турбулентные явления, поверхностные и внутренние волны, приливные явления, меандры и вихри, явления апвеллинга и даунвеллинга.

Апвеллинг – подводное океаническое течение, поднимающее холодные донные воды вверх по материковому склону в область шельфа.

В соответствии  с зональным распределением солнечной энергии по поверхности планеты, в океане и атмосфере создаются генетически взаимосвязанные циркуляционные системы, состоящие из однотипных водных и воздушных масс. Важнейшим механическим фактором  возникновения океанической циркуляции является ветровое трение о поверхность воды, благодаря чему океан получает механическую энергию от атмосферы (образование дрейфовых течений). Также существуют плотностные течения.

Одной из характерных особенностей циркуляции поверхностных вод Мирового океана является система круговоротов отдельных элементов. Морские течения образуют в каждом океане циркуляционные системы, которые почти полностью повторяют сложившуюся в том или ином районе мирового океана главные системы ветров.

Антарктическое циркумполярное течение (течение Западных ветров), образует непрерывный ток воды вокруг земного шара в средних широтах Южного полушария, у которого нет аналога в Северном полушарии.

Вертикальный обмен масс воды связывает поверхностные течения с глубинными. На глубине во многих случаях наблюдаются глубинные противотечения, направленные в сторону, противоположную распространению поверхностных вод.

Океан обладает большой тепловой и динамической инерцией и его реакция на воздействие атмосферы запаздывает.

Атмосферное звено круговорота воды. Содержание воды в атмосфере невелико: при выпадении на Землю всей воды содержащейся в атмосфере, образовался бы слой в 25 метров. Однако скорость влагооборота выше: за год влага сменяется около 45 раз (в среднем 1 раз за 8 дней). В результате на земную поверхность за год выпадает в среднем слой атмосферных осадков, равный 1,1 м.

Влага в атмосферу поступает за счёт испарения. Около 88% влаги испаряется с поверхности океана. На испарение затрачивается 80% радиационного бюджета. Столько же энергии выделяется при конденсации влаги в атмосфере на уровне облаков. Водяной пар, перемещаясь на сотни и тысячи километров, переносит и большое количество тепла. Выделение в атмосферу скрытого тепла парообразования при конденсации – важнейший энергетический источник атмосферных процессов.

Обмен воздухом, содержащим влагу, между экватором и полюсами достигается в основном за счёт горизонтального переноса воздушных масс.

Хозяйственное звено круговорота воды. Главными потребителями воды (обычно пресной) являются сельское хозяйство, промышленность и население. Различные количества воды безвозвратно покидают речную сеть.

Мировой водный баланс. Водный баланс – количественное выражение глобального круговорота воды; или соотношение между количеством воды, поступающей на земную поверхность в виде осадков, и уходящей с неё за счёт испарения в определённый интервал времени. Среднегодовые количество осадков и испарение взаимно уравновешивают друг друга.

На поверхность Мирового океана выпадает около 90% воды, испарившейся с его поверхности. Остальные 10%  влаги переносится на континенты, и вместе с водой, испарившейся на суше, формирует атмосферные осадки. Часть выпавшей на суше влаги снова вовлекается в испарение, другая часть формирует сток, который направляется в океан, компенсируя превышение атмосферных осадков над испарением.

Общая схема круговорота воды на поверхности Земли описывается уравнениями водного баланса:

для поверхности Мирового океана  Eо = Xо+ ƒ;

для поверхности суши                       Eс = Xс – ƒ,

где Eо – испарение с поверхности океанов; Eс – испарение с поверхности суши;  Xо – атмосферные осадки над океаном; Xс – атмосферные осадки над сушей; ƒ – сток с континентов.

Водный баланс связан с тепловым через испарение, так как на него затрачивается тепло, которое освобождается при конденсации водяного пара. Влагооборот сопровождается перераспределением тепла между геосферами и отдельными районами Земли, что важно для функционирования географической оболочки.

Биологические круговороты. Процессы создания и разрушения органического вещества образуют биологические круговороты.

Они связан с круговоротами воды, воздуха, энергии, минеральных веществ и составляют с ними единый механизм.

Биологический круговорот -  поступление химических элементов из почвы, воды и воздуха в живые организмы, их превращение в новые соединения и возвращение в окружающее пространство в процессе жизнедеятельности организмов. Это явление непрерывное, циклическое, неравномерное во времени и пространстве. Оно сопровождается более или менее значительными потерями вещества, энергии и информации в пределах экологических систем различного уровня организации – от биогеоценоза до биосферы.

Круговороты в биосфере имеют свою специфику, так как у каждого живого организма свой собственный биологический цикл и его вовлечённость в общегеографический круговорот. Круговороты в биосфере очень сложные. Полного круговорота веществ в пределах геосистем не происходит, так как часть веществ всегда уходит за их пределы.

Исходная ветвь биологического круговорота – фотосинтез, в результате которого создаётся органическое вещество. Одновременно с фотосинтезом в растении идёт обратный процесс – дыхание. При гибели растений образуется мёртвое органическое вещество, которое разлагается – минерализуется. В нормально развивающихся фитоценозах количество создаваемого органического вещества превышает ту его часть, которая разрушается, т.е. существует положительный баланс органического вещества.

Темпы биологического круговорота определяют важнейшие черты миграции химических элементов в ландшафтной оболочке и характер связей между атмосферой, гидросферой и литосферой.

Трофические (пищевые) цепи. Неотъемлемой частью биологического круговорота является процесс питания. Часть вновь создаваемого органического вещества вовлекается в трофические цепи. Такие цепи состоят из последовательного ряда организмов, каждый из которых является источником пищи для последующего.

Организмы, которые синтезируют необходимые им питательные им вещества из неорганических соединений называют автотрофными, впищевой цепи – продуцентами. Фотосинтезирующие автотрофы (зелёные растения, пурпурные бактерии) используют солнечную энергию, которая запасается в органическом веществе и затем расходуется всеми участниками трофической цепи. Хемосинтезирующие автотрофы (некоторые виды бактерий) получают энергию за счёт окисления или разложения химических соединений (аммиака, сероводорода, пирита и др.).

Организмы, которые питаются готовыми органическими веществами называют гетеротрофными, в пищевой цепи они разделяются на консументы и редуценты. К консументам относятся – животные (растительноядные и плотоядные, а также всеядные). К редуцентам относятся грибы и некоторые бактерии – они разлагают органические соединения на простейшие минеральные. Они как бы замыкают биологический круговорот веществ. Различается также особый тип гетеротрофного питания – паразитизм.

Трофические цепи не изолированы друг от друга и, переплетаясь, они составляют пищевые сети. Принцип образования пищевых сетей состоит в том, что каждый продуцент имеет несколько консументов. В свою очередь консументы пользуются несколькими источниками питания.

Биогеохимические круговороты. Биогеохимический круговорот – часть биологического круговорота, составленная обменными циклами химических веществ, тесно связанных с жизнью – главным образом углерода, воды, азота, фосфора, серы и биогенных катионов.

В ходе реализации биогеохимического круговорота биогенная аккумуляция минеральных соединений (превращение CO2, H2O, NH3, SO3 и других соединений в сложные, богатые энергией органические вещества) сменяется минерализацией органических соединений с освобождением энергии.

Посредством пищевых цепей происходит распределение энергии. Некоторые вещества в пищевой цепи накапливаются. Живому организму необходимо30-40 химических элементов, около половины, встречающихся в природе. Разные элементы требуются живому организму в различных количествах. Такие химические элементы, как углерод, кислород, водород и азот требуются в больших количествах. Все элементы участвуют в биогеохимических круговоротах.

Каждый химический элемент, совершает круговорот в экосистеме за счёт энергии и попеременно элементы переходят из органической формы в неорганическую и наоборот.

Круговорот углерода. Круговорот углерода – процесс освобождения и связывания CO2, включая растворение его в воде океанов, идёт по двум циклам – океаническому и континентальному, объединение между которыми происходит через атмосферный цикл CO2.

Баланс углерода в атмосфере в настоящее время положительный.

Углерод – основной химический элемент живой материи. Он образует устойчивые соединения, состоящие из молекул сложного строения. Углерод поглощается из атмосферы или воды зелёными растениями в процессе фотосинтеза и выделяется растениями и животными при дыхании, а также при бактериальном разложении их остатков.

Зелёные растения земного шара в течение 4-х лет поглощают весь запас углерода в атмосфере и за 300 лет – весь запас углерода гидросферы. Круговорот углерода обратим не полностью. Часть его атомов в форме соединений – органических (уголь, нефть, горючие газы, торф, сапропель) и неорганических (карбонат кальция и др.) – захороняется в осадках. Концентрация углерода в органических и неорганических породах значительно превышает его содержание в водах океанов, атмосфере и живом веществе. При извержениях вулканов и горообразовательных процессах захоронённый углерод возвращается в географическую оболочку и снова вовлекается в биогеохимический круговорот.

Критическими моментами биогеохимических циклов являются захват (уровень продуцентов) и возврат (уровень редуцентов) веществ из физической среды. Эти моменты связаны с реакциями восстановления и окисления. Восстановление  химических веществ осуществляется за счёт энергии солнечного излучения. На каждом этапе переноса энергии происходит её рассеивание, заканчивающееся на уровне редуцентов, которые окисляют элементы до состояния, в котором они уже могут быть захвачены продуцентами. Таким образом проявляется цикличность – важнейшее свойство потоков в экосистемах.

Вещества в экосистемах совершают практически полный круговорот, попадая сначала в организмы, а затем в абиотическую среду и вновь возвращаются в организмы, но часто в других количествах и состояниях. Между круговоротами элементов существует тесная связь.

Особенностью биогеохимических круговоротов является то, что в них участвуют не только биогенные элементы, но и посторонние, в том числе многие загрязняющие вещества, которые имеют способность к накоплению.

Некоторые особенности круговоротов. Круговороты в пространстве всегда трёхмерны (вертикаль, горизонталь, время).

Все описанные круговороты не вполне замкнуты, конечная стадия его вовсе не равна его начальной стадии. Например, растения отдают почве больше веществ, чем получают о неё, так как органическая масса создана в основном за счёт CO2 атмосферы, а не за счёт элементов, поступивших из почвы через корневую систему. Извержённую породу можно расплавить, но при этом не образуется исходная магма, так как материнская магма, кристаллизуясь и превращаясь в твёрдое тело, отдаёт многие летучие вещества в атмосферу и гидросферу.

Процессы фотосинтеза, идущие с помощью молекул хлорофилла, вливают в организм поток энергии солнечных лучей вместе с веществами неживой природы, создавая материальную и энергетическую базы всей жизни на Земле и отдавая в окружающее пространство часть свободного кислорода.

Процессы дыхания, осуществляемые с помощью молекул гемоглобина, освобождают энергию, связанную фотосинтезом, и возвращают в неживую природу часть связанного кислорода, углерода и водорода.

Круговороты охватывают все геосферы. Движение вещества может носить характер своеобразного «разделения труда». Так, кислородом ышат все аэробные организмы, а возвращают его в атмосферу только зелёные растения. В биогеоценозе продуценты создают органическое вещество из минерального, консументы питаются готовыми органическими веществами, а редуценты разрушают живое или мёртвое органическое вещество и переводят его в минеральное.

По степени сложности круговороты различны. В их основе могут быть:

  •  механические движения (циркуляция атмосферы, морские течения);
  •  смена агрегатного состояния вещества (круговорот воды);
  •  химическая трансформация (биологический круговорот).

В промежуточных звеньях круговорота происходит преобразование вещества и энергии, то есть вещество перестраивается, изменяя своё физическое или химическое состояние. Например, свободный кислород, поглощённый из воздуха растением при дыхании, связывается внутри него и, перестаёт быть свободным. В атмосферу растение выделяет свободный кислород иного происхождения, полученный в процессе фотосинтеза путём расщепления молекулы воды.

При анализе круговоротов веществ следует помнить об их естественной изменчивости, связанной с разным состоянием геосфер и ритмичностью (цикличностью) природных процессов и явлений. порядки и ритмика различных сред и процессов могут быть синхронными и асинхронными, что обусловливает наложение (интерференцию) или ослабление (релаксацию) эффектов.

7.5. Ритмические процессы в географической оболочке

Географическая оболочка направленно развивается во времени. Однако ей свойственны ритмические колебания, при которых состояния геосистем периодически (с большей или меньшей правильностью в чередовании ритмов) повторяются.

Понятие о ритмах. Ритмические процессы (ритмика) – это повторяющиеся во времени явления, которые каждый раз развиваются в одном направлении. Это одна из закономерностей существования и развития географической оболочки. Выделяют два вида ритмических движений: периодические и циклические.

Периоды – ритмы одинаковой длительности (вращение Земли вокруг оси, обращение Земли вокруг Солнца).

Циклы – ритмы различной продолжительности, цифры означают только среднюю продолжительность изменчивости явления (11-летний цикл колебания солнечной активности).

Таким образом, периодичность означает равновеликий характер временных интервалов, а цикличность – возвращение системы в исходное состояние через определённые промежутки времени. Следовательно, ритмичность, одновременно включает свойства цикличности и периодичности, не обладает хронологической строгостью и не возвращает систему в исходное  состояние.

Ритмов в природе очень много, продолжительность их разная, происхождение неодинаково.

Проявляясь одновременно, ритмы накладываются друг на друга, что приводит к усилению одних ритмов другими или к их взаимному ослаблению. Различна и скорость ответной реакции отдельных компонентов географической оболочки на внешние ритмические воздействия.

Изменчивость процессов в географической оболочке обусловливают внешние и внутренние источники. К ним относят астрономические, тектоно-геологические, климатические и другие возмущения, которые непосредственно влияют на процесс, вызывая колебания среды.

Классификация ритмических движений. Колебания параметров, характеризующих свойства геосфер, обусловлены многими причинами. Среди колебаний обнаруживаются циклы от нескольких сотен миллионов лет до минут, секунд и менее.

Самая крупная единица установленной периодичности – геологические циклы. Они отразились в смене режимов осадконакопления,  вулканизма и магматизма, эпохах расчленения и выравнивания рельефа, периодах формирования кор выветривания и элювиальных образований, в чередовании морских трансгрессий и регрессий, ледниковий и межледниковий, в изменении климата планеты и содержании атмосферных газов. Элювий – продукты выветривания горных пород, остающиеся на месте первоначального  образования. Геологические ритмы часто называют «волнами жизни».

Геологическая история Земли подразделяется на циклы в сотни миллионов лет, которые в свою очередь дифференцируются на более мелкие (десятки миллионов, миллионы, сотни тысяч лет и т.д.) циклы, природа которых различна.

Галактический год – наиболее продолжительны астрономический период – время между двумя последовательными прохождениями Солнца через одну и ту же точку галактической орбиты (180-200 млн. лет).

Периоды – колебательные движения земной коры (распределение суши и моря) с периодичностью 35-45 млн. лет, это так называемые «сезоны» галактического года. К ним приурочены: крупные тектоно-магматические циклы, эпохи трансгрессий и регрессий, выравнивания и расчленения суши, возникновение глобальных ледниковых эпох и др.

Космическое полугодие – смена положения плоскости эклиптики Солнечной системы относительно такой же плоскости Вселенной, продолжительностью 85-90 млн. лет.

Эклиптика – видимый путь Солнца среди звёзд, большой круг, наклоненный к экватору под углом 23º27″и пересекающий его в точках весеннего и осеннего равноденствий.

Утроенный галактический год – доказательства крупных деформаций земной коры и её поверхности периодичностью 500-570 млн. лет.

История развития Земли за последние 570 млн. лет делится на 3 этапа:

  •  Каледонский (кембрий, ордовик, силур) длительностью около 200 млн. лет;
  •  Герцинский (девон, карбон, пермь) длительностью 150-190 млн. лет;
  •  Альпийский (мезозой, кайнозой) длительностью около 240 млн. лет, разделяется на раннеальпийский (киммерийский) продолжительностью около 170 млн. лет и позднеальпийский (альпийский) начавшийся около 70-90 млн. лет назад.

Эти этапы обладают общими чертами:

- начало каждого этапа характеризуется общим опусканием земной коры, а завершение её поднятием;

- в эпоху опусканий господствует морской режим и однообразный климат;

- в эпоху поднятий широко распространены суша, мощные складкообразовательные и горообразовательные движения, разнообразные климаты;

- средняя (170-190 млн. лет) продолжительность этих этапов примерно соответствует длительности галактического года.

Предположительное существование цикличности Великих оледенений, повторяющихся примерно через 150-160 млн. лет, что соответствует длительности галактического года.

Механизм, управляющий ритмическими движениями земной коры может быть связан с внутренними особенностями развития Земли или обусловлен длительностью галактического года. Различают сверхвековые, внутривековые, внутригодовые и внутрисуточные ритмы.

Сверхвековые ритмы. Продолжительность сверхвековой ритмики составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч лет.

Чётко выражен ритм продолжительностью 1800-1900 лет (например, смена влажного и засушливого климата Сахары). Согласно А.В. Шнитникову в каждом цикле (1850 лет) выделяю три фазы:

  •  Трансгрессивная – фаза прохладно-влажного климата; развивается быстро и энергично, но она относительно короткая – 300-500 лет;
  •  Регрессивная – фаза сухого и тёплого климата; развивается медленно и вяло, продолжительностью 600-800 лет;
  •  Переходная, продолжительностью 700-800 лет.

Переход от регрессии к трансгрессии – чёткий и быстрый, а от трансгрессии к регрессии – сглаженный. В трансгрессивную фазу усиливается оледенение, увеличивается сток рек, повышается уровень озёр; в регрессивную – ледники отступают, реки мелеют, уровень озёр понижается.

В климатических рядах хорошо просматриваются колебания (удвоенные ритмы) с периодами 3500-4500 лет.

Со строгой периодичностью изменяются некоторые астрономические факторы:

  •  Периодичность наступления равноденствий составляет 21 тыс. лет;
  •  Изменение наклона эклиптики от 24º 36' до 21º 58' происходит с интервалом в 40 тыс. лет и влияет на положение тропиков и полярных кругов, что обусловливает заметные климатические циклы продолжительностью 40,4-40,7 тыс. лет.

Внутривековые ритмы. Многие исследователи считают, что большинство наблюдаемых в природе внутривековых ритмов имеет космическое происхождение.

Для годовых колебании системы атмосфера-океан-суша выделены следующие циклы: 11 лет, 80-90 лет, 44 года, 35-40 лет, 22 года, 11 лет, 6-7 лет, 3-4 года, 2 года.

Солнечная активность ответственна за возникновение в географической оболочке ритмов средней продолжительности в 2-3 года, 5-6 лет, 11 лет, 22-33 года, 44 года, 80-90 лет. Они установлены во многих явлениях:

  •  Толщина годичных колец у деревьев;
    •  Периодичность снегонакопления в Антарктиде;
    •  Размножение саранчи;
    •  Повторяемость магнитных бурь и полярных сияний;
    •  Изменчивость гидрометеорологических параметров;
    •  Урожайность зерновых культур;
    •  Чередование вспышек жизнедеятельности ряда организмов;
    •  Заболеваемость людей;
    •  Геологические отложения и др.

Огромный вклад в изучение солнечно-земных связей внёс А.Л. Чижевский.

В изменении интенсивности природных процессов (колебание горных ледников, активизация внезапной деятельности вулканов и сейсмической активности, катастрофические наводнения равнинных рек и др.) наблюдается ритм продолжительностью около 90 лет.

Установлены ритмы, обусловленные изменениями приливообразующей силы в результате взаимного положения Земли, Луны и Солнца. Наиболее известный из них лунный период в 18,6 лет, а также в 1-2 года, 8-9 лет и около 111 лет.

Установлено (Брюкнер, 1890), что почти везде на земном шаре климат испытывает циклические колебания со средней продолжительностью одного цикла около 30-35 лет. За это время серия влажных и прохладных лет сменяется серией тёплых и сухих. Также отмечено потепление климата на обширных территориях Земли в 20-х годах XX века, что явилось результатом нарушений в интенсивности общей циркуляции атмосферы. Установлено, что в периоды повышения солнечной активности в тропосфере активизируются меридиональные формы циркуляции и ослабевает зональный перенос.

Сейсмическая активность Земли носит ритмический характер при средней продолжительности ритмов в 22-23 года.

Эль-Ниньо – аномальное продвижение тёплых экваториальных вод южной ветви Межпассатного противотечения далеко на юг вдоль побережья Южной Америки при ослаблении юго-восточного пассата. Такие вторжения тёплых вод резко меняют океанические и метеорологические условия в прибрежных районах Чили и Перу и приводят к массовой гибели холодолюбивых промысловых рыб, катастрофическим ливням и штормам большой силы. Периодичность Эль-Ниньо в 2,4-5 и 8 лет.

Нестабильность вращения Земли (изменение скорости её вращения и колебания земной оси) порождает в океане и атмосфере полюсной прилив, который в свою очередь влияет на движение атмосферы и океана и протекающие в них процессы. Вся система Земля-атмосфера-океан совершает согласованные колебания с периодичностью 3 и 6 лет.

Внутригодовые ритмы. Эти ритмы, характеризующие сезонные колебания, наиболее выражены в высоких и умеренных широтах и в некоторых районах (например, муссонная зона Индийского океана).

Внутригодовая, или сезонная, ритмика проявляется в смене времён года, ходе климатических элементов, гидрологических явлениях, почвообразовательных и геоморфологических процессах и др. Эта изменчивость свойственна любой географической зоне, но определяется различными причинами: в умеренных широтах – преимущественно ходом температуры, в субэкваториальных областях – режимом увлажнения, в полярных районах – световым режимом.

Внутримесячная ритмика, связана с изменчивостью периода обращения Солнца, изменением фаз и склонений Луны, обусловливает соответствующие колебания атмосферы, гидрологических и биологических процессов. Внутримесячные колебания скорости вращения Земли обнаруживают периодичность в 27, 14 и 9 суток.

Внутрисуточная ритмика проявляется в изменении всех гидрометеорологических параметров, приливо-отливных явлениях, фотосинтеза, биологической активности животных и др., а также в физическом выветривании и процессах почвообразования.

Бризы и горно-долинные ветры – это проявление суточной ритмики движения воздуха, вызванной изменением его плотности при нагревании и охлаждении. Под влиянием освещённости происходят суточные миграции планктона: днём на глубину, ночью – к поверхности.

По классификации А.С. Монина и др. (1974) пространственно-временные масштабы явлений в атмосфере и гидросфере включают:

- Мелкомасштабную (от долей секунды до десятков минут),

- Мезомасштабную (от часа до суток),

- Синоптическую (от нескольких суток до недели – для атмосферных и до нескольких месяцев – для океанологических процессов),

- Крупномаштабную (многолетнюю) изменчивости.

Общие особенности ритмов. Закон целостности географической оболочки исключает возможность существования изолированной ритмики отдельных компонентов. Ритмичность явлений – это форма своеобразного «дыхания» географической оболочки как целостной системы.

Вследствие пространственной изменчивости своей структуры географическая оболочка реагирует неодинаково на синхронные (одновременные) и периодические внешние возмущения. Поэтому наблюдается сдвиг фаз ритмов во времени и пространстве, что придаёт природе определённую мозаичность.

Ритмические процессы, как и круговороты вещества, не замкнуты. Всякий географический ландшафт изменяется  с возрастом, поэтому ритмические явления не могут повторить в конце ритма первоначальное состояние – каждый географический процесс происходит только один раз. Поэтому при исследовании ритмики и установлении их средних величин к числовым значениям добавляют частичку «квази», что означает «как бы».

Методы и способы изучения ритмики различны и во многом зависят от длины временного ряда, который анализируется. Продолжительные ритмы чаще всего не фиксируются прямыми наблюдениями, но проявляются при палеогеографических исследованиях или их изучают по косвенным признакам.

7.6. Динамика биоты

Динамика биоты неразрывно связана с формированием и распространением ареала. Новые виды образуются в результате естественного отбора. Последнее проявляется в виде прогрессирующего биоразнообразия. Виды, попадающие в условия географической изоляции, дают начало ветвям филогенетического древа. Таким образом, формируются неповторимые черты биосферы, отличающиеся не только по составу видов, но и родов и семейств. Однако каждый вид существует только определённое время.

В.И. Вернадский отметил огромную внутреннюю потенцию живого вещества к растеканию по земной поверхности и назвал это явление «давлением жизни». Огромная энергия жизни определяется быстротой размножения. Если нет внешних препятствий, всякий вид в определённое для него время может покрыть весь земной шар. Например, скорость расселения организмов следующая: у бактерий – менее 1,8 суток, насекомые – 203-366 суток, клевер ≈ 11 лет, рыбы (карп) около 12 лет, крысы около 8 лет и др.

Мегаритмы в развитии органического мира тесно связаны с геологическими циклами. Различают эпохи появления, расцвета и господства, и вымирания группы организмов. Например, трилобиты в раннем палеозое, панцирные рыбы в среднем палеозое, рептилии в позднем палеозое – мезозое, млекопитающие и птицы – в кайнозое. У растений эра папоротников продолжалась до середины перми, эра голосеменных – до середины мела, эра покрытосеменных зародилась в меловом периоде и продолжается в наши дни.

7.7. Саморегулирование в географической оболочке

Характерная черта динамики географической оболочки и её компонентов – саморегулирование, которое базируется на принципе всеобщей связи явлений. благодаря саморегулированию географическая оболочка сохраняет свою устойчивость и многие параметры геосистем находятся в состоянии динамического равновесия несмотря на резкие колебания внешних факторов. Примером саморегулирования может служить солевой состав вод Мирового океана.

Основная причина постоянства – всеобщая взаимосвязанность концентраций веществ. В соответствии с принципом Ле-Шателье-Брауна, нельзя изменить концентрацию одного компонента замкнутой термодинамической системы без изменения содержания остальных компонентов: если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, оказывать внешнее воздействие, то в системе усиливается то направление процесса, течение которого ослабляет данное воздействие, и положение равновесия смещается в том же направлении. В определённой мере этот принцип применим к открытой термодинамической системе, каковой является географическая оболочка.

Во многих случаях динамическое равновесие принимает форму автоколебаний (колебание величины относительно среднего её значения). Таковы суточные и годовые колебания большинство физико-географических параметров. Например, процессы природной системы солнечная радиация-испарение-облачность.

Перемещения вещества и энергии в географической оболочке связывают её составляющие в целостную систему, в которой изменение одной части приводит к изменению остальных.

В географической оболочке связи осуществляются неравномерно  в пространстве и во времени. Горизонтальные перемещения вещества и энергии обычно в сотни и тысячи раз превышают вертикальные. Имеет место несимметричность взаимодействий: в одних направлениях перенос сильнее, чем в других. Перемещение разных субстанций происходит с разной скоростью. Всё это определяет наличие участков, относительно слабо связанных с другими, с небольшими скоростями обмена вещества и энергии, - болота, замкнутые морские котловины, глубоководные части Мирового океана. Наряду с этим существуют регионы, отличающиеся большими скоростями обмена веществом и энергией – морские побережья, русла рек, предгорья, фронтальные зоны в океане, энергоактивные зоны в литосфере.

ГЛАВА 8

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ

Географическая оболочка стала формироваться с того момента, когда растущая планета приобрела возможность саморазвития, т.е.по завершении в основном образования ядра и мантии.

Историю Земли подразделяют на два этапа (эона): криптозой (время скрытой жизни) и Фанерозой (время явной жизни).

Фактологических данных о начальном этапе возникновения  географической оболочки практически нет. Земные процессы и явления того времени происходили в условиях интенсивного космического энергетического воздействия, а также бомбардировки метеоритами и другими телами, которые легко достигали земной поверхности при отсутствии существенной атмосферы. в этих условиях  (остаточной атмосферы первичной туманности), началось формирование планет. Земля как самостоятельная планета образовалась 4,5-4,7 млрд. лет назад.

В начале криптозоя (катархей и ранний архей) вулканогенные горные породы базальтового состава создали первичную земную кору. Поступающие из недр соединения углерода, серы, аммиака, водорода и др. газов и радона стали замещать постоянно улетучивающуюся остаточную водородно-гелиевую атмосферу и формировать первичную земную атмосферу, а выделяющиеся при дегазации недр водяные пары и др. жидкости могли конденсироваться и дать начало образованию поверхностных вод гидросферы.

В дегазируемом веществе мог находится  и свободный кислород, но он быстро связывался с другими элементами. Конденсация жидкостей из горячих паров скорее всего происходила вблизи земной поверхности и в толщах лавы и пепла.

8.1. Реконструкция литосферы

Наиболее древние из обнаруженных горных пород имеют возраст 3,8-4,1 млрд. лет. Они существуют на западе Австралии, юге Африки и Гренландии, востоке Европы, Антарктиде и др. наиболее типичными образованиями являются гнейсы с залегающими на них осадочно-вулканогенными отложениями.

В это время на поверхности планеты существовала гидросфера. На суше развивалась эрозионно-денудационная деятельность, существовали различные химические условия осадконакопления, появляется свободный кислород в связи с возникновением фотосинтезирующих организмов, начались процессы осадконакопления.

Нахождение остатков организмов в древних осадочно-метаморфизованных породах свидетельствует об их более раннем происхождении и связи с водной средой.

8.2. Образование атмосферы

На первоначальном этапе формирования планетных образований существовала остаточная атмосфера первичной туманности, состоящая из водорода и гелия.

При дегазации мантийного вещества в атмосферу начали поступать соединения углерода, серы, аммиака, водорода и др. газов, и радон, в результате чего начала образовываться первичная атмосфера. Затем она стала замещаться вторичной атмосферой, где уже преобладали азот и кислород в свободном состоянии. В раннем палеозое концентрация кислорода в атмосфере составляла меньше половины от современной. В конце девона-карбона в связи с активным вулканизмом и бурным развитием наземной растительности, содержание кислорода резко увеличилось, превысив современный уровень. На протяжении позднего палеозоя содержание кислорода снизилось и с мезозоя (юра) концентрация его сравнялась с нынешней.

С такой же интенсивностью изменилось и содержание углекислого газа в атмосфере. В начале фанерозоя его было в 10 раз больше чем в современной атмосфере, к началу девона – снизилось, а затем количество его начало резко изменяться в связи с проявлением вулканизма, различной активностью фотосинтезирующих организмов, температурой Мирового океана и др.

Газовый состав атмосферы, гидросферы и литосферы является функцией жизнедеятельности организмов, главным образом процесса фотосинтеза, и основным источником, дегазации мантийного вещества Земли. С течением времени в земной атмосфере происходило уменьшение количеств CO2 при возрастании содержания азота и кислорода. Процесс этот обусловлен ритмичным проявлением природных процессов.

8.3. Реконструкция гидросферы

Установлено, что первичные воды были кислыми из-за активных вулканических процессов и углекислого состава атмосферы, поставлявшей основные осадки. Пресные воды появились позднее, очевидно, в результате резких климатических изменений – ледниковых периодов и межледниковых эпох.

Одним из спорных вопросов является вопрос об объёме земных вод. Очевидно, что первоначально не могло возникнуть такого огромного количества воды – не было источника. Кроме того, все первичные водоёмы докембрия носили эпиконтинентальный характер – это была бывшая суша, залитая водой. Океаны современные стали возникать с середины мезозоя (180-200 млн. лет назад). Они образовывались за счёт раздвигания земной коры по зонам рифтогенных разломов с внедрением мантийного вещества основного и ультраосновного составов и одновременным заполнением водами  атмосферными и глубинными. Для океанов характерно наличие срединно-океанических хребтов. Процесс продолжается до настоящего времени.

С возникновением атмосферы и гидросферы начались выветривание первичных пород земной коры, перенос минерального вещества и образование осадочных пород. В настоящее время известно всего несколько районов выхода на дневную поверхность древнейших горных пород. осадочные и магматические породы попадая в условия высокого давления и температуры, превращались в кварциты, гнейсы, сланцы, формируя гранито-гнейсовый слой континентальной земной коры. По мере их развития древнейшие участки земной коры становились щитами, возникали территории осадочной аккумуляции, которые впоследствии образовали чехол докембрийских платформ. Неоднородное проявление таких процессов привело к образованию современной структуры материков – сочленению платформ разного возраста, разделённых складчатыми поясами и областями более молодого осадконакопления.

8.4. Реконструкция органического мира

Установлена связь между содержанием кислорода в атмосфере в разные геологические эпохи и возникновением и количеством жизненных форм организмов. Новейшие исследования показали наличие остатков живых организмов в породах с возрастом 3,5-3,2 млрд. лет, а время начального фотосинтеза установлено на рубеже 3,5-3,8 млрд. лет.

Быстрое развитие органического мира началось в конце протерозоя – начале палеозоя.

В ордовике появились первые представители позвоночных животных – панцирные рыбы.

В силуре растения и животные вышли на сушу, с чем связывают увеличение содержания кислорода в атмосфере, достигшее половины его современного уровня.

Появился озоновый слой, защищающий приповерхностные слои Земли от излучения.

Выход сравнительно высокоразвитых организмов на сушу явился революцией в развитии органического мира и всей природы земной поверхности. Многообразие экологических условий на суше стимулировало биологическую эволюцию. Резко возросла масса живых организмов, усилились и приобрели большое разнообразие биогеохимические круговороты.

В девоне чётко оформилась дифференциация физико-географических обстановки: появились лесные, болотные и аридные ландшафты, лагунное соленакопление, возникла окислительно- восстановительная контрастность географической оболочки.

С карбона стала отчётливо проявляться географическая зональность, следы которой известны ещё с протерозоя.

В мезозое продолжались дифференциация и усложнение физико-географических условий.

На рубеже палеозоя и мезозоя произошла резкая смена животного мира – началось бурное развитие пресмыкающихся (ящеров).

В юре появились покрытосеменные (цветковые) растения, а в мелу они стали господствующими. В конце мела гигантские ящеры вымерли. Возникли степи и саванны.

К мезозойской эре относятся крупные изменения в строении поверхности Земли (раскол земной коры вплоть до мантии с образованием океанических впадин, возникновение современный конфигурации континентальных и океанических глыб). Такой контрастный рельеф появился впервые в истории Земли.

События кайнозоя оказали огромное влияние на современный облик земной поверхности. Одним из важнейших событий явилась альпийская складчатость, начавшаяся в палеогене. От неогена начинается новейший, или неотектонический этап развития земной коры, который ознаменовался интенсивным поднятием материков (до 500 метров в среднем).

Рост площади и высоты материков способствовал охлаждению земной поверхности. В Антарктиде в миоцене образовался ледниковый покров. около них образовались перигляциальные зоны (с холодным сухим климатом и тундрово-степной растительностью.

Последний четвертичный период характеризуется появлением человека (антропогенный) и усилением похолодания и распространением ледников в Северной Америке и Европе. На Русской равнине ледники достигали 49º с.ш., а в северной Америке - 37º с.ш.

Время, когда ледники занимали большие площади, называют ледниковыми эпохами, когда отступали – межледниковыми эпохами. Современная эпоха – голоцен, наступившая 10-12 тыс. лет назад, скорее всего, соответствует очередному межледниковью.

Литература

Горелов А.А. Концепции современного естествознания. - М.: Гуманитарный издательский центр ВЛАДОС, 2000. – 512 с.

Рябчиков А.М. Структура и динамика геосферы. – М.: Мысль, 1972. – 224 с.

Селиверстов Ю.П. Бобков. Землеведение. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 304 с.

Калесник С.В. Общие географические закономерности Земли. – М.: Мысль, 1970. – 284 с.

Мильков Ф.Н. Общее землеведение. – М.: Высшая школа, 1990. – 335 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………..3

       ГЛАВА 1. ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЗЕМЛЕВЕДЕНИЯ……………………………………………………………...6

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В ЗЕМЛЕВЕДЕНИИ9

                       2.1. Эмпирические знания……………………………….9

                       2.2. Теоретические знания……………………………...11

      ГЛАВА 3. ЗЕМЛЯ ВО ВСЕЛЕННОЙ………………………………13

                      3.1. Вселенная…………………………………………….13

                      3.2. Солнечная система……………………………….....17

                                3.3. Земля………………………………………………….22

                      3.4. Взаимодействие Земли и Космоса…………………23

ГЛАВА 4. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ…………………………………………………………………….28

                     4.1. Географическая оболочка как объект землеведения……………………………………………………………………28

                               4.2. Понятие системы в естествознании………………..29

                               4.3. Законы географической оболочки…………………31

                               4.4. Механические взаимодействия в географической оболочке………………………………………………………………………….32

                               4.5. Геофизические поля. Магнитное поле земли……..34

                               4.6. Электрическое поле Земли………………………….39

                     4.7. Тепловое поле Земли…………………………………39

                     4.8. Геохимические процессы……………………………40

ГЛАВА 5. СОСТАВ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ………..42

                     5.1. Литосфера……………………………………………..42

                     5.2. Атмосфера……………………………………………..45

                     5.3. Гидросфера……………………………………………49

                     5.4. Криосфера………………………………………….…52

                               5.5. Биосфера……………………………………………....55

                     5.6. Кора выветривания……………………………….....60

                     5.7. Почвенный покров…………………………………...61

                               5.8. Антропосфера………………………………………....62

ГЛАВА 6. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СТРОЕНИЯ И СТРУКТУРЫ

ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ…………………………………………64

                     6.1. Целостность географической оболочки…………..64

                               6.2. Зональность географической оболочки…………...68

                     6.3. Ландшафтные зоны суши …………………………..73

                     6.4. Зонально-азональные черты Мирового океана…………………………………………………………………………....74

                     6.5. Вертикальная поясность географической оболочки………………………………………………………………………..74

                               6.6. Общие черты строения земной поверхности (Асимметрия)…………………………………………………………………..75

                     6.7. Нуклеарные структуры…………………………….75

                       6.8. Контактные зоны…………………………………..76

                       6.9. Проблема границ и иерархичности в геосистемах……………………………………………………………………..78

                       6.10. Барьеры в географической оболочке…………..78

                                 6.11. Ландшафтные системы…………………………..80

ГЛАВА 7. ДИНАМИКА ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ……89

                      7.1. Источники энергии в географической оболочке..89

                                7.2. Радиационный баланс Земли………………………92

                      7.3. Тепловой баланс Земли……………………………..93

                      7.4. Круговорот вещества и энергии – одно из основных свойств динамики географической оболочки…………………96

                               7.5. Ритмические процессы в географической оболочке………………………………………………………………………...104

                     7.6. Динамика биоты…………………………………….109

                     7.7. Саморегулирование в географической оболочке………………………………………………………………………...110

ГЛАВА 8. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ…………………………………………112

                     8.1. Реконструкция литосферы……………………..….112

                     8.2. Образование атмосферы ……………………….….113

                     8.3. Реконструкция гидросферы…………………….....113

                     8.4. Реконструкция органического мира……………..114

ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………………115

Садыкин Александр Васильевич

Землеведение/Курс лекций

Учебное пособие

Редактор Садыкин А.В.

Компьютерная вёрстка

Сдано в набор в 2008 г. Подписано в печать в 2008 . г.

Формат 60x90 /16. Печать офсетная.

Условно печатных листов 9,8. Тираж   20 экз.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

24405. Системы этического знания: теоретическая и нормативная этика 102 KB
  Системы этического знания: теоретическая и нормативная этика. Этика – наука изучающая феномен морали. Слово этика от греч. В целом же слова этика мораль нравственность продолжают употребляться как взаимозаменяемые.
24406. Система этического знания 30 KB
  Этика обычай нрав характер это совокупность принципов и норм поведения принятых в данной эпохе и в данной социальной среде. Этика зарождается в обществе как результат осознания роли и сущности моральных отношений и в развитом состоянии представляет собой науку о морали содержащую две составляющих: теоретические исследования теоретическая этика и нормативные разработки нормативная этика. Теоретическая этика исследует происхождение и сущность морали ее роль и место в обществе функции механизм действия ее...
24407. Профессиональная этика. Этика управления. Взаимоотношения руководителя и подчиненных 32.5 KB
  Профессиональная этика. Этика управления. Профессиональная этика – это совокупность определенных обязанностей и норм поведения поддерживающих моральный престиж профессиональных групп в обществе. Профессиональная этика вырабатывает нормы стандарты требования характерные для определенных видов деятельности.
24408. Этика делового общения 34 KB
  Этика делового общения Умение вести себя с людьми надлежащим образом является одним из важнейших если не важнейшим фактором определяющим шансы добиться успеха в бизнесе служебной или предпринимательской деятельности. В этом контексте легко объяснимы попытки многих исследователей сформулировать и обосновать основные принципы этики делового общения Джен Ягер выделяет шесть следующих основных принципов: 1. Во втором случае оно проходит с помощью переписки или технических средств а первом при непосредственном контакте субъектов общения....
24409. Деловой этикет - это установленный порядок поведения в сфере бизнеса и деловых контактов 34.5 KB
  Деловой этикет это установленный порядок поведения в сфере бизнеса и деловых контактов. Деловой этикет включает в себя следующие разделы: Технологии невербального общения: жесты хорошего тона походка как правильно сидеть вход и выход из автомобиля рукопожатие и пр. Этикет если понимать его как установленный порядок поведения помогает избегать промахов или сгладить их доступными общепринятыми способами. Поэтому основную функцию или смысл этикета делового человека можно определить как формирование таких правил поведения в обществе...
24410. Имидж и его свойства 41 KB
  Имидж складывается в ходе личных контактов человека на основе мнений высказываемых о нем окружающими. Многие индивиды от природы обладают привлекательным имиджем наделены обаянием. Однако отсутствие внешней привлекательности не должно мешать созданию благоприятного имиджа.
24411. Архитектура безопасности. Модели безопасности ее оценки. Общие критерии 44.5 KB
  Данные файла занимают весь первый кластер и только один байт второго остальная же часть второго кластера ничем не заполнена однако недоступна для других файлов эта незанятая область поанглийски называется slack. В следующем доступном кластере могут размещаться данные другого файла. Если под данные этого файла не хватит второго кластера файл будет продолжен в следующем доступном кластере. DOS использует FAT для хранения информации необходимой для доступа к файлам записанным на диске.
24412. Типы процессов, развитие процесса в системе (ОС) 662.5 KB
  Каждый вычислительный процесс характеризуется набором действий набором информационных объектов последовательностью обработки и начальными состояниями говорят о наличии полного процесса в системе. Состояние системы определяется действиями производимыми процессами которые могут затребовать захватить или освободить ресурсы. В этом случае типы отношений предшествования которые возможны между процессами можно представить в следующем виде: Развитие процесса P представляется направленной дугой графа.
24413. Понятие семафора, назначение семафора, операции P(Q) и V(Q) 90 KB
  Ее можно проводить из любой точки Интернета в адрес любого сервера а для отслеживания злоумышленника потребуются совместные действия всех провайдеров составляющих цепочку от злоумышленника до атакуемого сервера VPN Потребительская сущность VPN виртуальный защищенный туннель или путь с помощью которого можно организовать удаленный защищенный доступ через открытые каналы Интернета к серверам баз данных FTP и почтовым серверам. VPN это: защита трафика основанная на криптографии; средство коммуникации с гарантией защиты доступа к...