Общая характеристика оболочек Земли, формирующих биосферу

Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование живых организмов (рис. 1.7). Живые организмы неравномерно распространены в геологических оболочках Земли. Ограничивают область распространения жизни слишком высокие или низкие температуры и давление.

Таким образом, живые организмы могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В гидросфере земной коры организмы проникают на всю глубину Мирового океана – 10–11 км. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5–7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и уровнем проникновения воды в жидком состоянии.

Биосфера в главных своих чертах может быть охарактеризована по отдельным оболочкам (рис. 1.8).

Атмосфера окружает Землю до высоты 3 тыс. км. Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с Космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы – водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, которая определяет тепловой режим поверхности планеты, вызывает диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов.

Обширная область разреженной верхней атмосферы состоит преимущественно из ионов. Большая часть массы атмосферы имеет относительно однородный азотно-кислородный состав (рис. 1.9).

Их процент по объему составляет:

Инертные газы, кроме аргона, содержатся в низких концентрациях – около 0,003 % смеси неона, гелия, криптона, ксенона, оксидов азота, метана, водорода, паров воды и озона. На долю водяного пара приходится до 3 % объема атмосферы.

Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде.

Для биологических процессов наибольшее значение имеют: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества, диоксид углерода, участвующий в фотосинтезе, и озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения.

Азот, диоксид углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря вулканической деятельности, а кислород – в результате фотосинтеза.

Одним из важнейших компонентов атмосферы является озон О3. Его образование и разложение связано с поглощением ультрафиолетовой радиации Солнца, которая губительна для живых организмов. Для образования озона необходимы свободные атомы кислорода, которые возникают при распаде молекулы О2 под воздействием квантов излучения в ультрафиолетовой области. Озон образуется при столкновении:

О + О2→ O3.

В то же время озон поглощает ультрафиолетовую радиацию, разлагаясь на атомарный и молекулярный кислород. Основное количество озона располагается на высотах от 10 до 50 км с максимальной концентрацией в высотах 20–25 км. Озоновый экран является фактором, защищающим живые объекты планеты от ультрафиолетового излучения Солнца.

Диссоциация молекул азота происходит выше, чем кислорода, примерно с высоты 200 км, а выше 300 км азот полностью диссоциирован и состоит из изолированных атомов.

На высотах 150–200 км в атмосфере происходит диффузионное разделение газов. Выше возрастает пропорция легких газов. Так, во внешних слоях атмосферы наиболее распространены атомы и ионы водорода, концентрация которых в нижних слоях земной атмосферы очень мала – 10-4 %.

В тропосфере сосредоточен весь водяной пар и 4/5 массы атмосферы. Здесь развиваются все погодные явления. Погода и климат на Земле зависят от распределения тепла, давления и содержания водяного пара в атмосфере.

Водяной пар поглощает солнечную радиацию, увеличивает плотность воздуха и является источником всех осадков. Температура тропосферы с высотой уменьшается и на высоте 10–12 км достигает минус 550С.

Стратосфера (до 40 км). Температура постепенно возрастает до 00С. На высоте 22–24 км наблюдается максимальная концентрация озона (озоновый слой). Он поглощает большую часть губительного для живых организмов жесткого излучения Солнца.

Термосфера (до 800 км). Характеризуется ростом температуры. Увеличивается содержание легких газов – водорода и гелия – и заряженных частиц.

Экзосфера (до 1500–2000 (3000) км). Здесь происходит рассеивание (диссипация) атмосферных газов в космическое пространство.

Гидросфера, также как и атмосфера, возникла в результате процессов в литосфере, находится в тесной взаимосвязи с литосферой (подземные воды) и атмосферой (парообразная влага).

Гидросфера располагается между атмосферой и литосферой и включает в себя все океаны, моря, озера, реки, а также подземные воды, льды, снега полярных и высокогорных районов. Гидросферу делят на поверхностную и подземную.

Подземная гидросфера – включает воды, находящиеся в верхней части земной коры. Их называют подземными. Сверху подземная гидросфера ограничена поверхностью земли, нижнюю ее границу проследить невозможно, так как гидросфера очень глубоко проникает в толщу земной коры.

По отношению к объему земного шара общий объем гидросферы не превышает 0,13 %. Основную часть гидросферы (96,53 %) составляет Мировой океан. На долю подземных вод приходится 1,69 % от общего объема гидросферы, остальное – воды рек, озер и ледников.

Более 98 % всех водных ресурсов Земли составляют соленые воды океанов, морей и др., пресных вод – около 2 %. Основная часть пресных вод сосредоточена в ледниках, воды которых пока используются очень мало. На долю остальной части пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходится всего лишь 0,3 % объема гидросферы.

Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их содержание широко варьирует в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. В воде содержится в 60 раз больше диоксида углерода, чем в атмосфере.

Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, которая в течение геологической истории Земли выделяла большое количество водяного пара.

Земная кора – наиболее неоднородная оболочка земли, сложенная различными минеральными ассоциациями в виде осадочных, изверженных и метаморфических горных пород, различных форм залегания.

В настоящее время под земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича (Мохо). Эта граница находится на разных глубинах и отмечает резкий скачок в увеличении скорости сейсмических волн, возникающих при землетрясениях.

Проходя сквозь границу Мохоровичича, продольные сейсмические волны увеличивают с глубиной скорость с 6,5 до 8 км в секунду, поперечные волны от 3,7 до 4 км/с. Под материками граница Мохоровичича залегает глубже, чем под океанами (рис. 1.12).

Таким образом, выделяются два основных типа земной коры – континентальный и океанический. Между ними находится промежуточный тип, который может быть назван субконтинентальным. Наиболее вероятные данные об объеме, средней мощности, средней плотности и массе разных типов земной коры представлены в таблице 1.3.

В настоящее время под литосферой понимают более обширную, чем земная кора, область. Литосфера (греч. «литос» – камень) – это верхняя твердая оболочка Земли, имеющая большую прочность и переходящая в нижележащую астеносферу, прочность которой относительно мала. Она включает земную кору и верхнюю мантию до глубины примерно 200 км.

Химический состав земной коры представлен в таблице 4. По данным этой таблицы можно видеть, что общий химический состав земной коры определяют немногие химические элементы.

Всего лишь восемь элементов (О, Si, AI, Fe, Са, Mg, Na, К) распространены в коре в весовом количестве свыше 1%.

Ведущим и наиболее распространенным элементом земной коры является кислород, составляющий едва ли не половину массы земной коры (47,3%) и 92% ее объема. Таким образом, в количественном отношении земная кора – это царство кислорода, химически прочно связанного с другими элементами.

Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров.

Почва включает минеральные вещества, образующиеся при разрушении горных пород, и органические вещества – продукты жизнедеятельности организмов.