Строение Земли. 
Концепции современного естествознания

В процессе эволюции Земли образовалось несколько геосферных оболочек, отличающихся друг от друга по различным свойствам (рис. 12.4 и 12.5).

Атмосфера — внешняя газовая оболочка; ограничена снизу твердой или жидкой подстилающей поверхностью.

Гидросфера — водная оболочка, частично покрывающая твердую Землю, образована главным образом водами Мирового океана.

Земная кора (слой А) — средняя толщина составляет 33 км.

Мантия — до глубины 2920 км. Ее структура: верхняя мантия (слой В — до глубины 410 км), средняя (слой С — 410—1000 км); нижняя (слой D — 1000—2920 км). На глубинах около 100—300 км выделяется астеносфера — слой с пониженной жесткостью и вязкостью. Литосфера — вышележащая часть слоя В совместно с земной корой.

Ядро — внешний жидкий слой Е (2920—4980 км), переходный слой F (4980—5120 км), внутренний твердый слой G (5120—6371 км).

Факты из истории науки

Пифагор (VI в. до н.э.), много путешествовавший, первым высказал мысль о шарообразности Земли. Аристотель доказывал, что Земля — шар, поскольку в южных странах на небе появляются новые созвездия, невидимые в северных. И чем дальше мы двигаемся к Северу, тем больше появляется на небосводе незаходящих звезд. Спустя много столетий, во время кругосветного плавания Магеллана, это доказательство шарообразности Земли вернуло мужество его морякам, которые, находясь почти три месяца в водах Тихого океана, пришли в отчаяние, думая, что никогда уже не вернутся домой и не увидят суши.

К этим сферам добавляют биосферу, которая возникла позже, но играет существенную роль в процессах взаимодействия геологических оболочек. Ее специфические особенности рассмотрены в последующих главах.

Рассмотрим геологические оболочки подробнее.

Атмосфера. Масса воздушной оболочки Земли — около одной миллионной доли массы всей Земли. С высотой плотность воздуха быстро убывает: ¾ массы атмосферы находятся ниже 10 км, а 99% — ниже 30 км.

Атмосфера формировалась постепенно: некоторое количество кислорода появилось сначала как результат дегазации земных пород, после чего выделились пары воды и различные газы. Пары воды на поверхности Земли конденсировались в жидкость, началось формирование гидросферы. Легкие газы (водород и гелий) улетучивались из атмосферы, а более тяжелые (кислород и азот) оставались в ее составе. По гипотезе российского геофизика О. Ю. Шмидта (1891 — 1956), важнейшей причиной образования газов и паров воды могло быть разогревание земных пород под влиянием радиоактивного распада веществ внутри планеты.

С возникновением простейших микроорганизмов, которые обладали способностью разложения углекислого газа, часть кислорода стала пополнять атмосферу благодаря деятельности этих организмов. Возникшая на планете жизнь выработала механизм фотосинтеза и стала выделять в атмосферу еще большее количество кислорода. Более глубокому осмыслению рассматриваемых процессов служит Гея-гипотеза (от греч. Гея — Земля). Ее выдвинула в конце XX в. американский микробиолог Л. Маргулис. (1938—2011) совместно с английским химиком Д. Лавлоком (р. 1919). Они показали, что именно те жизненные процессы, которые совершаются в биосфере, — главный фактор поддержания длительной неравновесное™ земной атмосферы.

В составе сухого воздуха современной атмосферы 78,08% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, около 0,03% углекислого газа и малых количеств благородных газов (гелия, неона, аргона, криптона, ксенона и радона) и водорода. Важнейшие составляющие — вода (в виде водяного пара), углекислый газ, озон.

Водяной пар обеспечивает обмен влагой и теплом с поверхностью Земли. Именно этот обмен — основа круговорота воды, образования облаков и выпадения осадков. Благодаря неравномерному нагреванию атмосферный воздух постоянно перемещается: образуются циклоны и антициклоны, определяющие характер погоды на Земле, а во взаимодействии с водой океанов и морей они существенно влияют на климат конкретных регионов Земли.

Рис. 12.4. Оболочки геосферы.

Рис. 12.5. Внутренние оболочки земного шара¹:

А — земная кора; В и С — верхняя мантия; D — нижняя мантия; Е — внешняя часть ядра; F — переходная зона между внутренним и внешним ядром; G — внутреннее ядро; d — плотность; р — давление. Цифрами указаны глубины границ в км.

¹ Детская энциклопедия. 3-е изд. Т. 1. Земля. М.: Педагогика, 1971. С. 67.

Водяной пар вносит большой вклад в парниковый эффект, благодаря которому температура в атмосфере растет с глубиной, и ее нижние слои оказываются теплыми. Плотность воздуха и его давление с высотой убывают, а температура хотя в целом понижается, но изменяется более сложным образом. В структуре атмосферы выделяют несколько слоев.

Тропосфера — нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9—17 км). Она нагревается от Земли, поэтому температура воздуха с высотой падает на б°С на 1 км подъема. Над полюсами тропосфера поднимается до 9 км, над умеренными широтами — до 10—12 км, а над экватором — до 15 км. В тропосфере происходит формирование и перемещение воздушных масс, образование циклонов и антициклонов, появление облаков и выпадение осадков. Эти процессы определяют погоду и климат у земной поверхности.

Стратосфера располагается над тропосферой до высоты 50—55 км. В ней сосредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар. В нижней ее части температура относительно постоянная, а с высоты 25 км (здесь главную роль начинает играть Солнце) — повышается с -56 до 0,8°С на высоте 40 км. На высоте 15—60 км находится озоновый слой, интенсивно поглощающий солнечную радиацию. Именно озон способствовал распространению живого вещества на суше. Почти вся ультрафиолетовая радиация, губительная для живых организмов, поглощается в этом слое, так что озон обеспечивает существование жизни на суше.

Ионосфера — оболочка, в которой практически отсутствует «живое вещество», она составляет область заряженных частиц, ионизированных вследствие облучения космическими лучами, — ионов и электронов. В ее структуре два слоя — мезосфера (где температура воздуха с высотой уменьшается до -80°С вблизи верхней границы) и термосфера (между 80—800 км), в составе которой преобладают гелий и водород, а температура воздуха достигает 1000 °C на высоте 800 км.

Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N₉ (78%), 0₂ (21%) и С0₂ (0,03%).

Гидросфера составляет одну четырехтысячную долю массы Земли и, как полагают, возникла вместе с атмосферой в ситуации, когда под влиянием гравитационных сил наша планета сжималась, вследствие чего уменьшались ее размеры и происходил процесс дегазации — выделения газов и паров воды, которые конденсировались и формировали гидросферу.

Ныне около 94% массы гидросферы составляют соленые воды Мирового океана. Мировой океан покрывает 70,8% поверхности земного шара и имеет среднюю глубину 3795 м, его наибольшая глубина в Марианском желобе равняется 11 034 м. До недавнего времени океан условно делился на четыре части: Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый; Средиземное, Черное и Каспийское моря условно отнесены к Атлантическому океану. Международная гидрографическая организация в 2000 г. приняла решение разделить Мировой океан на пять океанов и объявила водное пространство к северу от побережья Антарктиды до 60° южной широты отдельным океаном — Южным (или Антарктическим).

Подводные срединно-океанические хребты, возвышающиеся над дном котловин на 3—4 км, образуют непрерывную глобальную цепь длиной около 60 тыс. км и занимают около трети площади океанов.

Атмосфера и гидросфера тесно взаимодействуют между собой, а также заметно воздействуют на литосферу.

Взаимосвязь внутренних оболочек Земного шара показана на рис. 12.5.

Земная кора — верхний слой планеты, отделенный от нижних слоев так называемой поверхностью Мохоровичича. Ее масса — около 0,8% массы всей Земли, она состоит в основном из восьми химических элементов: кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия и калия. Больше всего в коре кислорода (49,13%), кремния (26%) и алюминия (7,45%).

Французский геолог Г. Э. Ог (1861 — 1927) на основе открытий американских геологов Д. Холла (1811 — 1898) и Д. Дана (1813—1995) выделил две основные группы тектонических структур: межматериковые прогибы — подвижные зоны земной коры, или геосинклинали (от греч. synklino — наклоняюсь) и «континентальные площади» — платформы. Прогибы часто заполнены осадочными породами толщиной до 15—20 км, тогда как на платформах — всего 2—8 км.

Геосинклинальные пояса формировались на протяжении многих сотен миллионов лет, их протяженность достигает 10—20 тыс. км. В их развитии выделяется несколько стадий развития:

первая — геосинклиналь прогибается, в ней накапливаются толщи отложений мощностью до 10—20 км;

вторая — накопленные слои отложений сминаются в складки и поднимаются, образуя горные хребты.

Завершающая стадия, орогенная (от греч. oros — гора), — формирование гор, когда геосинклинальный пояс постепенно преобразуется в горный.

После этого в течение длительного времени горы размываются, а геосинклиналь превращается в платформу — поверхность с весьма медленными вертикальными движениями. Поверхность платформ образуют относительно ровные слои осадочных горных пород толщиной 2—3 км.

Структура земной коры на материках и океанском дне различается. Под осадочным слоем геосинклиналей и платформ находится «гранитный» (назван гак потому, что скорости сейсмических волн в нем такие же, как в граните), а под ним залегает «базальтовый» слой, названный так, но аналогичной причине; его состав пока неизвестен.

Океаническая кора также разделяется на три слоя, но гранитный слой в ней отсутствует, а осадочный имеет толщину менее 1 км. Под ним залегает слой неизвестного состава (названный «второй слой»). Третий слой — «базальтовый». Толщина океанической коры колеблется обычно от 3 до 7 км.

Строение промежуточной коры имеет промежуточный характер между материковой и океанической корой. Иногда в ней нет гранитного слоя, зато осадочный слой огромной толщины — до 20 км.

Платформы образованы материковой корой мощностью 30—40 км, гранитный и базальтовый слои по толщине примерно одинаковы. В горных странах толщина материковой коры достигает 70 км.

Мантия. Ниже земной коры расположена мантия. Ее объем составляет 83% объема Земли, а масса — 67% массы планеты. Мантия состоит в основном из силикатов; как считается, в ее нижней части преобладают хондриты¹, подобные каменным метеоритам.

На глубинах 60—250 км — близкий к плавлению, а потому — ослабленный базальтовый слой, называемый астеносферой (от греч. asthenes — бессильный). Вязкость вещества астеносферы в сотни (иногда — тысячи) раз меньше, чем в литосфере. Под осями срединно-океанических хребтов она приближается к поверхности дна.

В верхней части мантии образуются те породы, из которых формируется земная кора. Вместе с частью подстилающей мантии земная кора образует литосферу (от греч. litos — камень) толщиной до 100 км, которая «плавает» в астеносфере.

Ядро. Одни исследователи считают, что ядро на 80% состоит из железа и на 20% — из никеля, по другим представлениям — из окислов железа. Оно занимает 16% земного шара по объему и 31,5% — по массе. Внутренняя часть ядра — твердое тело.

Внешний слой (слой Е на глубинах 2920—4980 км, объемом в 15,2% и массой 29,8% всей Земли) пропускает продольные, но не пропускает поперечные сейсмические волны. По этой причине считается, что он находится в расплавленно-жидком состоянии, содержит смесь железа и серы. Толщина переходного слоя F — около 140 км. Радиус внутреннего ядра — 1250 км, объем около 0,7% и масса около 1,2% всей Земли. Через него проходят и продольные, и поперечные волны, поэтому внутреннее ядро считается твердым телом. Температура внешнего ядра — 3200 °C. Считалось, что температура внутреннего ядра составляет 4500 °C, однако новые исследования дают цифру около 6000°С^[1][2].

Таким образом, Земля — сложная механическая система, представляющая собой вращающийся толстостенный шар (мантия), заполненный жидкостью (слой Е), в которой плавает шарообразное твердое ядро G. Силы тяготения удерживают его в центре системы. Обе части ядра электропроводны, поэтому движения жидкости внешнего ядра и вращение внутреннего ядра есть не что иное, как движения проводников в геомагнитном поле. Этот динамо-механизм и создает геомагнитное поле. Предполагают, что на протяжении сотен миллионов лет происходило не только изменение напряженности магнитного поля Земли, но и смена его полюсов, последняя из которых произошла около 80 млн лет назад.

• [1] Как и в каменные метеориты, в состав хондритов включены хондры (от греч. chondros —верно) — округлые образования размером около 1 мм, представляющие собой быстро затвердевшие капли расплавленных силикатов.
• [2] См.: URL: http://gizmod.ru/2013/04/29/temperatura-yadra-zemli-na-1000-gradusov-vyshe/ (дата обращения: 28.02.2016).