Возникновение атмосферы и гидросферы Земли и их роль в появлении жизни. Гидросфера

Гидросфера

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

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

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

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

Таким образом, мантия – единственный источник воды на Земле.

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

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

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

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

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

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

5. Образование пресной воды на Земле .

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

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

Планета Земля состоит из металлического ядра и охватывающих его двух концентрических оболочек: мантии и земной коры. Залегающая под земной корой мантия имеет переменную температуру от 1000 до 3000 °С, плотность от 3,2 до 5 г/см 3 и состоит из полностью или час-тично расплавленных минералов горных пород, способных течь как высоковязкая жидкость. Мантийное вещество состоит преимущественно из силикатов, испытывающих фазовые переходы при изме-нении температуры и давления. Мантия постоянно подогревается со стороны горячего ядра, вследствие чего в ней непрерывно образуют-ся мощные конвективные потоки. Кроме того, на перемешивание рас-плавленного вещества мантии существенное влияние оказывает при-ливное воздействие Луны.

Земная кора — это менее плотное вещество, которое более тяже-лая мантия вытолкнула из себя. Плотность горных пород укладывается в диапазоне от 2 до 3,2 г/см 3 . С позиций геохимика — это наружная оболочка планеты, имеющая по сравнению с мантией избыток кремнезема, щелочи, воды и недостаток магния и железа. Средний химический состав земной коры следующий: SiO, 2 — 53,5%; А1 2 0 3 — 15,9%; СаО — 9,4%; FeO — 7,6%; MgO —5,4%; Na 2 O —2,7%; С0 2 — 1,0%; H z O — 0,78%. С позиций геофизика земная кора — это относительно рыхлый чехол, лежащий на более плотной мантии. С позиций гидролога — это область, в которой вода может находить-ся в жидкой фазе.

С позиций гидротехника земная кора — это прочная горная по-рода, способная выдержать нагрузку в миллиарды тонн, создаваемую весом водохранилища и плотины. Однако земная кора не является абсолютной «твердью», она «плавает» в подкоровом субстрате горяче-го мантийного вещества и при этом стремится к достижению изоста- зии - состоянию гидростатического равновесия. Достаточно значи-мые изменения гравитационной нагрузки на земную кору приводят к изменению изостатического равновесия. Создание крупных водохранилищ вызывает не только осадку припо-верхностной части земной коры (геологической среды), но и проги-бает всю толщу земной коры как упругую пластину, плавающую в тя-желой жидкости.

Схематический разрез земной коры

а — состояние изостазии; б— состояние прогиба;
1 — область влияния силы веса водохранилища на геологическую среду;
2 — прогибающаяся земная кора; 3 — "граница Мохо";
4 — погружение подошвы земной коры в малтийное вещество

Из земных недр ежегодно выносится на поверхность около 9 ·10 9 т магмы, пепла, паров и газов. Если всю массу, вынесенную за всю ис-торию вулканических извержений, равномерно распределить по по-верхности Земли, то получится слой толщиной в 34 км. Это означает, что земная кора является продуктом длительной переработки веще-ства верхней мантии посредством физического и химического вывет-ривания, переосаждения, а также преобразования растениями и живыми организмами.

Вся история геологического развития Земли связана с выделени-ем или поглощением тепла. Земля — это огромная тепловая машина. Через поверхность Земли теряется часть ее внутреннего тепла. Сред-непланетарное значение удельного потока тепла, поступающего из недр, равно 59 мВт/м 2 . Характеристика энергетических процессов, происходящих в геосферах Земли, приводится в таблице ниже.

Энергетика сильных возмущений в геосферах

Мощность падающего на Землю солнечного излучения
Энергия вращения Земли
Мощность теплового потока через земную поверхность
Мощность приливного воздействия Луны
Энергия землетрясений с магнитудой 8,5
Энергия вулканических извержений	До 10 18 Д ж
Энергия обрушений склонов и лавин
Энергия подводных оползней
Энергия смерчей, ураганов, торнадо, циклонов
Энергия, потребляемая человечеством за сутки
Энергия ядерного взрыва	До 2,4 · 10 17 Дж

С позиций современной гидротехнической науки земная кора — это прочная горная порода, способная без каких-либо перемещений выдержать нагрузку в миллиарды тонн, создаваемую весом водохра-нилищ и плотин. Однако земная кора не является «твердью», она пла-вает в подкоровом субстрате горячей мантии и при этом стремится к достижению состояния изостазии. В задачах тектонофизики земную кору рассматривают как упругую пластину, плавающую в тяжелой высоковязкой жидкости, которая чутко реагирует на приложение внешних сил и напряжений.

Любые значимые нагрузки на земную кору приводят к изменению изостатического равновесия. В частности, такими нагрузками явля-ются крупные водохранилища весом в десятки и сотни миллиардов тонн. К 2010 г. на Земле построено и эксплуатируется более 50 водо-хранилищ, объем каждого из которых превосходит 25 млрд м 3 . Свой-ство изостазии современная гидротехника во внимание не принима-ет. В то же время многолетний прогиб всей толщи земной коры может быть одной из причин необъясненных процессов, происходящих в створах больших плотин.

Литосфера (земная кора и постилающая ее верхняя мантия) — это сложное многослойное образование с нерегулярно меняющимися свой-ствами. В качестве примера в таблице ниже представлены свойства струк-турных элементов земной коры в районе Саяно-Шушенской ГЭС.

Мощность h эффективно-упругой части литосферы (земной коры), в пределах которой она заметно проявляет упругие свойства и слабо проявляет вязкие свойства, для разных районов Земли составляет примерно 35—40 км. На этих глубинах температура горных пород приближается к 600—800 °С, поэтому здесь породы пе-реходят из класса упругих в класс пластичных и упруговязких. Мо-дуль упругости Е массива горных пород в пределах толщи земной коры может изменяться от 2 . 10 4 до 12 . 10 4 МПа. Среднее значение модуля Юнга для земной коры Е = 10 11 Па. Изгибная жесткость EJ зем-ной коры может изменяться в пределах от 5 -10 22 до 35 . 10 22 Н. м 2 .

На глубинах более 30—40 км температура горных пород приближа-ется к температуре солидуса, легкоплавкие минералы плавятся, в ре-зультате вязкость мантийного вещества снижается на несколько поряд-ков. Считается, что ниже подошвы земной коры (упругой части литос-феры) вязкость горячего мантийно-астеносферного вещества характеризуется величинами порядка 10 18 — 10 20 Па. с.

Подвижность мантийного вещества является основной причиной возникновения больших горизонтальных напряжений и тектоничес-ких движений в земной коре. Извержения вулканов, землетрясения, образование разрывов и складок — это проявления внутренней ак-тивности Земли. Изливающаяся на поверхность магма —- это флюид-но-силикатный расплав, содержащий соединения с кремнеземом и растворенные летучие вещества, а также присутствующие в виде пу-зырьков газа. Кристаллизация магмы происходит постепенно по мере падения ее температуры. Вначале выделяются высокотемпературные минералы с образованием таких горных пород, как базальты и габ-бро, затем — низкотемпературные минералы с образованием диори-тов и андезитов, затем гранитов и риолитов и т.д. Наличие в магме легкоотделяемых компонентов приводит к вулканическим процессам, а наличие трудноотделяемых — к интрузивным процессам.

Свойства структурных элементов земной коры в районе СШГЭС

Характеристика слоя	Мощность слоя, км	Коэффициент Пуассона η	Е · 10 4 МПа
Зона выветривания и разгрузки
Приповерхностная часть верхнекорового гранитного комплекса
Приповерхностная часть верхнекорового метаморфического комплекса
Пхубинная часть верхнекорового комплекса
Среднекоровый мегакомплекс
Нижнекоровый мегакомплекс
Верхняя мантия

О вязкости горячей магмы можно судить по вязкости изливающей-ся лавы. Жидкие базальтовые лавы имеют температуру 1000—1200 °С и плотность до 2,8 г/см 3 . Высоковязкие лавы имеют температуру 700—900 °С и плотность 2,2 г/см 3 . Коэффициент вязкости горячей магмы примерно равен 1000 Па. с, что в миллион раз больше вязкости воды. Для сравнения можно сказать, что коэффициент вязкости рас-плава стекла при 1400 °С равен 1350 Па. с. Вязкость магмы резко воз-растает по мере ее остывания и соответствующего увеличения в ее объеме доли затвердевших кристаллов. При увеличении в магме объем-ной доли кристаллов до 0,6 ее вязкость увеличивается до 10 10 Па. с.

Нижним ярусом континентальной земной коры является тол-стый базальтовый слой, на котором покоится гранитный слой, по-крытый мощным чехлом осадочных пород. На долю интрузивных и эффузивных магматических пород приходится примерно 95 % объе-ма земной коры. Граница между корой и мантией подвижна: повы-шение температуры мантии смещает границу вверх, а понижение температуры — вниз.

Границей раздела земной коры и мантии принято считать «по-верхность М», залегающую на глубинах 30—60 км на континентах и 5—10 км под дном океана. Эта поверхность определяет-ся глубиной, на которой происходит резкое увеличение скорости сей-смических волн от 7 до 8 км/с. Особое значение границы М заключа-ется в том, что на ее уровне примерно соблюдается архимедово рав-новесие земной коры, плавающей в мантийном веществе.

Ниже «поверхности М» залегает также астеносфера — слой верх-ней мантии с повышенной электропроводностью и пониженной вязкостью. Эта особенность астеносферы объясняется плавлением мантийного вещества в пределах 1—2 %, которое проявляется в виде тонкой пленки, обволакивающей кристаллы при температуре около 1200 °С. Астеносферный слой расположен ближе всего под океанами и глубже под континентами.

Земля — единственная планета Солнечной системы, на поверх-ности которой вода может находиться в жидком состоянии. Масса воды в современной гидросфере достигает 1,51 - 10 18 т. Большая часть воды сосредоточена в Мировом океане — 1,42 . 10 18 т и в мате-риковых льдах — 0,023 . 10 18 т. На пресные воды суши приходится около 0,001 . 10 18 т. Помимо свободной воды часть ее в виде грунтовых вод пропитывает континентальную и океаническую кору. Суммарная масса таких вод достигает 0,066 . 10 18 т. Средняя соленость океаничес-ких вод достигает 35 %о (промилле или тысячных долей процента).

Кроме жидкой фазы часть воды (0,713 . 10 18 т) связана в гидроси-ликатах земной коры. Всего же на Земле в ее верхних геосферах со-средоточено примерно 2,233 . 10 18 т воды. Воды океанов и морей по-крывают около 2/3 поверхности Земли, средняя глубина Мирового океана близка к 3,8 км. В океанской воде растворены практически все химические элементы, главными из которых являются катионы натрия, магния, кальция, калия и анионы хлора, НСО э, С0 3 , брома.

В верхних слоях океана в каждом литре воды растворено в сред-нем 50 мл углекислого газа, 13 мл азота, до 8 мл кислорода. Холодные океанические воды высоких широт насыщены газами в большей сте-пени, чем теплые воды тропических широт. Всего в океане растворе-но С0 2 около 1,4 . 10 14 т, то есть почти в 60 раз больше, чем в атмосфе-ре (2,4 . 10 12 т). Кислорода в океане растворено около 8 -10 12 т или в 150 раз меньше, чем его содержится в атмосфере. Ежегодно реки сно-сят с суши в океаны около 2,53 . 10 10 т терригенного материала, из них примерно 2,23 . 10 10 т/год приходится на взвеси, а остальное — на растворенные и органические вещества.

Происхождение гидросферы и история океанических вод

Этапы эволюции гидросферы

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

Происхождение и эволюция атмосферы

Причины изменения климатов

Климаты Земли в геологическом прошлом

Происхождение гидросферы и история океанических вод

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Введение

1. Гипотезы происхождения Земли и их обоснование

2. Формирование внутренних оболочек Земли в процессе ее геологической эволюции

2.1 Основные этапы эволюции Земли

2.2 Внутренние оболочки Земли

3.1 Гидросфера

3.2 Атмосфера

Заключение

Архей и протерозой - две наиболее крупные эры, в течение которых начала формироваться жизнь на уровне микроорганизмов. Эти две эры объединяют в «надэру» - криптозой (время скрытой жизни). Первые многоклеточные организмы появились в самом конце протерозоя около 600 млн. лет назад.

Примерно 570 млн. лет назад, когда на Земле практически сформировались благоприятные условия для жизни, началось бурное развитие живых организмов. С этого момента наступило «время явной жизни» - фанерозой. Этот отрезок геологической истории подразделяют на 3 эры - палеозой, мезозой и кайнозой. Последняя эра, с точки зрения гео- и биологии, продолжается до сих пор. Следует отметить, что появление и развитие жизни на земле привело к значительному изменению твердой оболочки Земли (литосферы), гидросферы и атмосферы, а возникновение разумной жизни (человека) за короткий временной интервал вызвало глобальные изменения в эволюции планеты. Мезозойская эра характеризуется активным проявлением магматической деятельности, интенсивным процессом горообразования. В этой эре господствовали динозавры.

Различия в составе горных пород от одной эпохи к другой, в свою очередь, обусловлены резкими изменениями природно-климатических и физических условий на планете. Установлено, что климат на Земле многократно менялся, потепления сменялись резкими похолоданиями, происходили поднятия и опускания суши. Случались и крупные космические катастрофы: столкновения с метеоритами, кометами и астероидами. На Земле обнаружено большое число метеоритных кратеров крупных размеров. Самый крупный из них на полуострове Юкатан имеет диаметр более 100 км; его возраст- 65 млн. лет - практически совпадает с окончанием мелового и началом палеогенового периода. Многие палеонтологи именно с этой крупнейшей катастрофой связывают вымирание динозавров.

Изменения климата и температуры во многом обусловлены астрономическими факторами: наклоном земной оси (многократно менялся), возмущениями планет-гигантов, активностью Солнца, движением Солнечной системы вокруг Галактики. Согласно одной из гипотез резкие изменения климата происходят раз в 210- 215 млн. лет (галактический год), когда Солнечная система, обращаясь вокруг центра Галактики, проходит через газопылевое облако. Это способствует ослаблению солнечного излучения и, как следствие, похолоданию на планете. В эти моменты на Земле наступают ледниковые эпохи – появляются и растут полярные шапки. Последняя ледниковая эпоха началась примерно 5 млн. лет назад и продолжается до сих пор. Ледниковая эпоха характеризуется периодическими колебаниями температуры (раз в 50 тысяч лет). При похолоданиях (ледниковый период) ледники могут распространяться от полюсов к экватору до 30- 40 градусов. Сейчас мы живем в «межледниковый» период ледниковой эпохи. Наследство ледниковой эпохи - зона вечной мерзлоты (в России свыше половины ее территории).

2.2 Внутренние оболочки Земли

В настоящее время, как известно, Земля имеет ядро, состоящее в основном из железа и никеля. Вещества, содержащие более легкие элементы (кремний, магний и другие), постепенно «всплывали», образуя мантию и кору Земли. Самые легкие элементы вошли в состав океанов и первичной атмосферы Земли. Материалы, слагающие твердую Землю, непрозрачны и плотны. Поэтому их исследования возможны лишь до глубин, составляющих ничтожную часть радиуса Земли. Самые глубокие пробуренные скважины и имеющиеся в настоящее время проекты ограничены глубинами 10- 15 км, что составляет немногим более 0,1% от радиуса. Поэтому сведения о глубоких недрах Земли получают, используя лишь косвенные методы. К ним относятся сейсмический, гравитационный, магнитный, электрический, электромагнитный, термический, ядерный и другие методы . Наиболее надежным из них является сейсмический. Он основан на наблюдении сейсмических волн, возникающих в твердой Земле при землетрясениях. Сейсмические волны дают возможность составить представление о внутреннем строении Земли и об изменении физических свойств вещества земных недр с глубиной.

Сейсмические волны бывают двух типов: продольные и поперечные. В продольных волнах частицы сдвигаются вдоль направления, в поперечных – перпендикулярно к этому направлению. Скорость продольных волн больше, чем поперечных. Когда сейсмическая волна встречает какую-либо границу раздела, происходит ее отражение и преломление. Наблюдая сейсмические колебания можно определить глубину границ, на которых происходит изменение свойств пород, и величину самих изменений.

Поперечные волны не могут распространяться в жидкой среде, поэтому наличие поперечных волн говорит о том, что литосфера является твердой вплоть до больших глубин. Однако, начиная с глубины 3000 км, поперечные волны распространяться не могут. Отсюда вывод: внутренняя часть литосферы образует ядро, которое находится в расплавленном состоянии. Кроме того само ядро еще делится на две зоны: внутреннее твердое ядро и жидкое внешнее (слой между 2900 и 5100 км).

Твердая оболочка Земли тоже неоднородна – в ней имеется резкая поверхность раздела на глубине около 40 км. Эта граница называется поверхностью Мохоровичича. Область выше поверхности Мохоровича называется корой, ниже мантией.

Мантия распространяется до глубины 2900 км. Она подразделяется на 3 слоя: верхний, промежуточный и нижний. Верхний слой – астеносфера, характеризуется относительно малой вязкостью вещества. В астеносфере находятся очаги вулканов. Понижение температуры плавления вещества астеносферы приводит к образованию магмы, которая по трещинам и каналам земной коры может изливаться на поверхность Земли. Промежуточный и нижний слои находятся в твердом, кристаллическом состоянии.

Верхний слой Земли называют земной корой и подразделяется на несколько слоев. Самые верхние слои земной коры состоят преимущественно из пластов осадочных горных пород, образовавшихся путем осаждения различных мелких частиц, главным образом в морях и океанах. В этих пластах захоронены остатки животных и растений, населявших в прошлом земной шар. Общая мощность (толщина) осадочных пород не превышает 15- 20 км.

Различие скорости распространения сейсмических волн на континентах и на дне океана позволило сделать вывод о том, что на Земле существуют два главных типа земной коры: континентальный и океанический.

Мощность коры континентального типа в среднем 30- 40 км, под многими горами достигает местами 80 км. Обычно ниже осадочных пород выделяют два главных слоя: верхний – «гранитный», близкий по физическим свойствам и составу к граниту и нижний, состоящий из более тяжелых пород - «базальтовый» (предполагается, что он состоит главным образом из базальта). Толщина каждого из этих слоев в среднем 15- 20 км. Однако, во многих местах не удается установить границу между гранитным и базальтовым слоями.

Океаническая кора гораздо тоньше (5- 8 км). По составу и свойствам она близка к веществу нижней части базальтового слоя континентов. Но этот тип коры свойствен только глубоким участкам дна океанов, не менее 4 тыс. м. На дне океанов есть области, где кора имеет строение континентального или промежуточного типа.

3. Возникновение атмосферы и гидросферы Земли и их роль в появлении жизни

3.1 Гидросфера

земля планета оболочка атмосфера гидросфера

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

Большая часть воды сосредоточена в океане, значительно меньше - в континентальной речной сети и подземных водах. Также большие запасы воды имеются в атмосфере, в виде облаков и водяного пара. Свыше 96% объёма гидросферы составляют моря и океаны, около 2% - подземные воды, около 2% - льды и снега, около 0,02% - поверхностные воды суши. Часть воды находится в твёрдом состоянии в виде ледников, снежного покрова и в вечной мерзлоте, представляя собой криосферу . Основная масса льдарасполагается насуше - главнымобразом, в Антарктиде иГренландии. Общая масса егооколо 2,42*10 22 г. Если быэтот лед растаял, то уровень Мирового океана повысился бы примернона 60 м. При этом 10 % суши оказалось бы затопленной морем.

Поверхностные воды занимают сравнительно малую долю в общей массе гидросферы.

История образования гидросферы

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

Значение гидросферы

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

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

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

3.2 Атмосфера

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

История образования атмосферы.

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

· постоянная утечка водорода в межпланетное пространство;

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

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

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

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

Строение атмосферы.

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

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

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

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

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

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

Значение атмосферы.

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

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

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

Заключение

Планета Земля образовалась примерно 4,6 млрд. лет назад и прошла несколько этапов эволюции. В течение этих периодов поверхность планеты постоянно изменялась: происходило формирование рельефа планеты, появилась водная оболочка – гидросфера, газовая оболочка – атмосфера. Возникновение гидросферы и атмосферы явилось началом возникновения жизни на планете. Так именно в водной среде зародились первые живые организмы, появление атмосферы способствовало их выходу на сушу. И на сегодняшний день на Земле постоянно происходят землетрясения, извержения вулканов, поверхность Земли постоянно подвержена влиянию не только внутренних процессов, но и внешних (эрозия под действием ветра, воды, ледников и т.п.), также огромное влияние оказывает и деятельность человека - это говорит о том, что наша планета продолжает эволюционировать, и через несколько тысяч лет и более ее облик и состояние может масштабно измениться.

Список литературы

1. Кожевников Н.М., Краснодембский Е.Г., Ляпцев А.В.,Тульверт В.Ф. Концепции современного естествознания. – СПб.: Изд-во СПбГУЭФ, 1999.

2. Кириллин В.А. Страницы истории науки и техники. – М.: Наука, 1989.

3. Левитан Е.П. Эволюционирующая Вселенная. М.: Просвещение, 1993.

4. Бакулин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И. Курс общей астрономии. – М.: Наука, 1997.

5. http://ru.wikipedia.org

Кириллин В.А. Страницы истории науки и техники. – М.: Наука, 1989. – С.367.

Кожевников Н.М., Краснодембский Е.Г., Ляпцев А.В.,Тульверт В.Ф. Концепции современного естествознания. – СПб.: Изд-во СПбГУЭФ, 1999. – С.141.

земля планета оболочка атмосфера гидросфера

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

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

Поверхностные воды занимают сравнительно малую долю в общей массе гидросферы.

История образования гидросферы

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

Значение гидросферы

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

Атмосфера

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

История образования атмосферы.

· постоянная утечка водорода в межпланетное пространство;

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

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

Строение атмосферы.

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

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

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

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

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

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

Значение атмосферы.

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

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

КАТЕГОРИИ