Географическая оболочка. «Географическая оболочка

Биосфера – оболочка Земли, в пределах которой существует жизнь. Биосфера включает нижнюю часть атмосферы, верхнюю часть литосферы и всю гидросферу. Термин «биосфера» был введён в биологии Ж.Б. Ламарком в начале XIX в., а в геологии предложен австрийским геологом Э.Зюссом в 1875 г., тогда как основы учения о биосфере, которые актуальны и в современной науке, были разработаны В.И.Вернадским.

Границы биосферы :

Верхняя граница в атмосфере: 15 – 20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое УФ-излучение, губительное для живых организмов;

Нижняя граница в литосфере: 3,5 – 7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами;

Нижняя граница в гидросфере: 10 – 11 км. Она определяется дном Мирового океана, включая донные отложения.

Биосфера состоит из живого, или биотического, и неживого, или абиотического, компонентов. Биотический компонент – это вся совокупность живых организмов (по Вернадскому – «живое вещество»). Абиотический компонент – сочетание энергии, воды, определенных химических элементов и других неорганических условий, в которых существуют живые организмы.

Основными факторами формирования биосферы являются живые организмы, вода, ветер. Обобщенными свойствами биосферы являются: присутствие живого вещества, наличие воды в жидком состоянии, аккумуляция энергии солнечных лучей.

Важной особенностью биосферы является то, что в ней осуществляется непрерывный круговорот вещества и энергии , в котором активнейшую роль играют организмы (продуценты, консументы, редуценты). Точное количество видов, обитающих в биосфере, не установлено. Согласно некоторым авторам их 10–15 млн. Точно установлено и описано примерно 2,5 млн. видов животных, 400 тыс. растений, 100 тыс. грибов.

В динамике биосферы различают малый (биологический) и большой (геологический) круговороты веществ. При этом круговорот вещества всегда сопряжен с круговоротом энергии.

Малый биологический круговорот происходит между организмами и почвой на суше. В гидросфере в малый круговорот веществ вовлекается значительная часть растворенных в воде солей и газов. Каждый биологический круговорот на суше и в океане не является уравновешенным и не представляет собой замкнутого круга. Это объясняется тем, что приход вещества в любом комплексе не равен его расходу, т.к. часть вещества выносится в другие природные комплексы, а другая часть вещества отлагается и консервируется в этом комплексе, выбывая из круговорота на длительное время.

Малые круговороты тесно связаны друг с другом и происходят на фоне большого геологического круговорота. В процессе большого круговорота происходит снос вещества с суши в океан речными потоками и воздушными массами, выход морских отложений на сушу в процессе повышения океанического дна и опускания участков суши.

Одной из особенностей биосферы является то, что только в ее пределах осуществляется процесс фотосинтеза . Это основной процесс, в результате которого синтезируются органические вещества – углеводы – из неорганических. Он осуществляется только на свету и зелеными растениями, содержащими хлорофилл.

Процесс фотосинтеза – цепь сложных реакций:

6СО 2 + 6Н 2 О + 674 000 кал = С 6 Н 12 О 6 + 6О 2

В процессе фотосинтеза растения поглощают солнечную энергию и на некоторое время удерживают ее в биосфере. Консументы преобразуют органические вещества, получаемые ими от зеленых растений, вместе с этими веществами поглощают и энергию. В процессе деятельности редуцентов при разложении и минерализации мертвой органической материи энергия освобождается. Таким образом живые организмы осуществляют круговорот вещества и энергии.

Оболочка Земли, в пределах которой взаимно проникают друг в друга и взаимодействуют нижние слои атмосферы, верхние части литосферы, вся гидросфера и биосфера, называется географической оболочкой (земной оболочкой) Все компоненты географической оболочки взаимодействуют друг с другом.

Резких границ географическая оболочка не имеет. Многие ученые считают, что ее мощность составляет в среднем 55 км. Географическую оболочку иногда называют природной средой или просто природой.

Свойства географической оболочки.

Только в географической оболочке присутствуют вещества в твердом, жидком и газообразном состоянии, что имеет огромное значение для всех процессов, происходящих в географической оболочке, и прежде всего для возникновения жизни. Только здесь у твердой поверхности Земли возникла сначала жизнь, а затем появились человек и человеческое общество, для существования и развития которого имеются все условия: воздух, вода, горные породы и полезные ископаемые, солнечное тепло и свет, почвы, растительность, бактериальный и животный мир.

Все процессы в географической оболочке происходят под воздействием солнечной энергии и в меньшей степени внутренних земных источников энергии. Таким образом, свойства географической оболочки : целостность, ритмичность, зональность .

Целостность ГО проявляется в том, что изменение одного компонента природы неизбежно вызывает изменение всех остальных. Эти изменения могут равномерно охватывать всю географическую оболочку и проявляются в некоторых ее отдельных частях, оказывая влияние на другие части.

Ритмичность природных явлений заключается в повторяемости сходных явлений во времени. Примеры ритмичности: суточные и годовые периоды вращения Земли; длительные периоды горообразования и изменения климата на Земле; периоды изменения солнечной активности. Изучение ритмов важно для прогнозов процессов и явлений, происходящих в географической оболочке.

Зональность – закономерное изменение всех компонентов ГО от экватора к полюсам. Она вызывается вращением шарообразной Земли с определенным наклоном оси вращения вокруг Солнца. В зависимости от географической широты солнечная радиация распределяется зонально и вызывает смену климатов, почв, растительности и других компонентов географической оболочки. Мировой закон зональности географической оболочки проявляется в ее разделении на географические пояса и природные зоны. На его основании проводят физико-географическое районирование Земли и отдельных ее участков.

Одновременно с зональными действуют и азональные факторы , связанные с внутренней энергией Земли (рельеф, высота, конфигурация материков). Они нарушают зональное распределение компонентов ГО. В любом месте земного шара зональные и азональные факторы действуют одновременно.

Круговорот веществ и энергии

Круговорот веществ и энергии - это важнейший механизм природных процессов географической оболочки. Существуют различные круговороты веществ и энергии: воздушные круговороты в атмосфере, земной коре, круговороты воды и др.

Для географической оболочки большое значение имеет круговорот воды , который осуществляется благодаря движению воздушных масс. Без воды не может быть и жизни.

Огромная роль в жизни географической оболочки принадлежит биологическому круговороту. В зеленых растениях, как известно, на свету из углекислого газа и воды образуются органические вещества, которые служат пищей для животных. Животные и растения после отмирания разлагаются бактериями и грибами до минеральных веществ, которые затем вновь поглощаются зелеными растениями.

Ведущая роль во всех круговоротах принадлежит круговороту воздуха в тропосфере, который включает всю систему ветров и вертикальное движение воздуха. Движение воздуха в тропосфере втягивает в глобальный круговорот и гидросферу, образуя мировой круговорот воды.

Каждый последующий круговорот отличается от предыдущих. Он не образует замкнутого круга. Растения, например, берут из почвы питательные вещества, а отмирая, отдают их значительно больше, так как органическая масса растений создается в основном за счет углекислого газа атмосферы, а не за счет веществ, поступающих из почвы.

Роль живых организмов в формировании природы.

Жизнь делает нашу планету неповторимой. Жизненные процессы состоят из трех главных этапов: создания в результате фотосинтеза органического вещества первичной продукции; превращения первичной (растительной) продукции во вторичную (животную); разрушения первичной и вторичной биологической продукции бактериями, грибами. Без этих процессов жизнь невозможна. Живые организмы включают: растения, животные, бактерии и грибы. Каждая группа (царство) живых организмов выполняет определенную роль в развитии природы.

ЛЕКЦИЯ 4. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ

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 (твердое, жидкое, газообразное) и разные уровни организации вещества (неживое, живое и биокосное - результат взаимодействия живой и неживой субстанций).

Географическая оболочка образована двумя принципиально разными типами материи: атомарно-молекулярным «неживым» веществом и атомарно-организменным «живым» веществом. Первое может участвовать только в физико-химических процессах, в результате которых могут появляться новые вещества, но из тех же химических элементов. Второе обладает способностью воспроизводить себе подобных, но различного состава и облика. Взаимодействия первых требуют внешних энергетических затрат, тогда как вторые обладают собственной энергетикой и могут ее отдать при различных взаимодействиях. Оба типа вещества возникли одновременно и функционируют с момента начала формирования земных сфер. Между частями географической оболочки наблюдается постоянный обмен веществом и энергией, проявляющийся в форме атмосферной и океанической циркуляции, движения поверхностных и подземных вод, ледников, перемещения организмов и живого вещества и др. Благодаря движению вещества и энергии все части географической оболочки оказываются взаимосвязанными и образуют целостную систему.

Разнообразный состав и состояния вещества, формы энергии и взаимодействия природных тел в географической оболочке в ходе длительной эволюции привели к ее сложной пространственной дифференциации. Возникли разнородные части географической оболочки - природно-территориальные и аквальные комплексы, или ландшафты различного ранга: от географических стран и зон до урочищ и фаций. 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, которая в разных формах и проявлениях сопровождает ее с начальных этапов возникновения. Живые организмы всегда оказывали влияние на формирование компонентов географической оболочки. С течением времени при совершенствовании форм жизни, ее распространенности и обильности роль живого вещества возрастала и все более изменяла и совершенствовала облик географической оболочки.

Большинство исследователей вслед за С. В. Калесником называет взаимосвязанное и взаимообусловленное вещественное тело, повсеместно обрамляющее планету Земля, географической оболочкой. Существуют и другие названия - наружная земная оболочка (П. И. Броунов), эпигеосфера (А. Г. Исаченко), эпигенема (Р. И. Аболин), физико-географическая оболочка (А. А. Григорьев), биогеносфера (И. М. Забелин), ландшафтная сфера (Ю. К. Ефремов, Ф. Н. Мильков), но они не получили широкого применения.

Составные части географической оболочки. Географическая оболочка, или глобальная геосфера, состоит из неразрывного комплекса частных геосфер, занятых преимущественно одним компонентом определенного состояния и совместно функционирующих в присутствии биоты. Литосфера, атмосфера и гидросфера образуют практически непрерывные оболочки. Биосфера как совокупность живых организмов в определенной среде обитания не занимает самостоятельного пространства, а осваивает вышеназванные сферы полностью (гидросферу) или частично (атмосферу и литосферу). В землеведении понятие «географическая оболочка» включает в себя все живые организмы (каждая частная сфера имеет свою биоту, которая является ее неразрывным компонентом), поэтому самостоятельное выделение биосферы вряд ли необходимо. В биологии, напротив, выделение биосферы правомерно. Специфическое положение занимают криосфера (сфера холода) и педосфера (почвенный покров).

Для географической оболочки характерно выделение зонально-провинциальных обособлений, которые называют ландшафтами, или геосистемами. Эти комплексы возникают при определенном взаимодействии и интеграции геокомпонентов. Простейшие геосистемы формируются при взаимодействии вещества косного уровня организации. Например, ледники вместе с вмещающим их ложем и прилегающими слоями воздуха, речной бассейн, как система водных потоков вместе с частью земной поверхности и грунтовыми водами и др. Более сложные взаимоотношения существуют в таких геосистемах, как природные территориальные, или ландшафтные комплексы. Они соответствуют блокам географической оболочки, включающим участок земной коры с почвой, биоценоз и часть тропосферы определенной мощности. В океанах выделяют Подводные ландшафты и аквальные комплексы.

Вещество географической оболочки. Каждая из геосфер обладает различными, только ей присущими свойствами и отличается особенностями строения. Гравитационная дифференциация вещества Земли привела к сосредоточению значительной части наиболее тяжелых элементов в ядре, тогда как в земной коре доминируют кислород (около 50 %) и кремний (26 %). Распределение основных химических элементов по геосферам дано в табл. 4.1.

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 распространенными веществами в географической оболочке являются горные породы и минералы, природные воды, лед, воздух, живое вещество, почва и кора выветривания.

Границы географической оболочки. Большинство ученых считает, что верхняя граница географической оболочки соответствует уровню наибольшей концентрации озонового слоя, расположенного на высоте 25-28 км. Другие исследователи, отождествляющие географическую оболочку с ландшафтной, проводят ее внешнюю границу по верхней границе тропосферы, учитывая, что тропосфера активно взаимодействует с земной поверхностью.

Таблица 4.1. Состояние и состав оболочек Земли (по В.А.Вронскому и Г.В. Войткевичу, 1997, с изменениями)

Оболочка	Химический состав	Физическое состояние
Атмосфера	N 2 , О 2 , СО 2 , (Н 2 О), инертные газы
Гидросфера	Соленые и пресные воды, снег и лед (растворенные Na, Mg, Са, Cl, SO 4 , НСО 3)	Жидкое, частично твердое
Живое вещество	Углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты, скелетный материал (Н 2 О, N, Н, С, О)	Твердое, жидкое частично коллоидальное
Литосфера	Магматические, осадочные и метаморфические породы (О, Si, Al, Fe, Са, Mg, Na, К)	Твердое, частично расплавленное
	Минералы оливин-пироксенового состава и их эквиваленты высоких давлений (О, Si, Mg, Fe)
	Железо-никелевый сплав (Fe, FeS, Ni)	Верхняя часть жидкая, нижняя, вероятно, твердая

Нижнюю границу часто проводят по разделу Мохоровичича, т.е. по подошве земной коры. Некоторые исследователи считают, что в географическую оболочку следует включать лишь часть земной коры, непосредственно взаимодействующую с другими компонентами - водой, воздухом, живыми организмами. Зона активного преобразования минерального вещества в термодинамической обстановке земной поверхности имеет мощность до нескольких сотен метров на суше и десятки метров под океаном. Причина отсутствия единой точки зрения заключается в том, что в географической оболочке отсутствуют силы, которые формируют четко выраженные границы, подобные, например, граням кристаллов.

Считается, что 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 живущими или жившими в них организмами и следами человеческой деятельности.

Землеведение базируется на общих физических законах, которые действуют в окружающем мире. Среди них законы: всемирного тяготения И.Ньютона, сохранения массы и энергии, Стефана-Больцмана, Архимеда, Гука, Ома и др.

Основополагающим 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. С некоторой долей условности системы географической оболочки (геосистемы) и ее внешнего окружения можно подразделить 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. Механическую систему рассматривают как систему равновесия сил. В случае его отсутствия система направленно изменяется и вскоре разрушается.

Термодинамические системы связаны с движением вещества, обусловленным преобразованием или переносом энергии. В отличие от изолированных систем, исследуемых классической термодинамикой, геосистемы относятся к числу открытых, т. е. обменивающихся веществом и энергией с внешней средой. Это чрезвычайно важное обстоятельство, так как открытые системы способны, накапливая превращаемую энергию, поддерживать и совершенствовать свою структуру. Совокупность таких свойств называется самоорганизацией. Благодаря самоорганизации мир географических систем усложняется во времени, совершенствуется (в большей степени способен противостоять внешним воздействиям) или направленно эволюционирует.

Рис 4.1. Состояние системы: а - устойчивое; б - метаустойчивое; в - неустойчивое

Термодинамическими системами являются различные термические циркуляции вещества, если с ними связаны переходы или потоки энергии. Например, круговорот воды в природе. При изучении термодинамических систем широко используется метод балансов (радиационный и тепловой баланс). В отдельных случаях можно ограничиться рассмотрением термодинамической системы как изолированной, т.е. пренебречь энергообменом системы с окружающей средой (адиабатический процесс в атмосфере).

Биокосными называют системы, в которых неразрывно связаны и взаимодействуют живое и неживое вещества. Примером биокосной системы является почва, представляющая собой единство минерального вещества (порода, вода, воздух), живых организмов и мертвого биоорганического вещества (гумус и др.). Если изъять из почвы один из этих компонентов, то она утратит свои характерные свойства (прежде всего плодородие), т.е. станет другой системой.

Система имеет связи, которые подразделяют на прямые (причинно-следственные, 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, устойчивости, неизменности. 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. Чаще всего такой ход изменений провоцируется внешними причинами, но механизм саморазвития заложен в природе системы.

Состояние системы описывается параметрами, среди которых выделяют интенсивные и экстенсивные. Интенсивные параметры (температура, абсолютная и относительная влажность, биопродуктивность) не зависят от размеров системы, экстенсивные (запасы тепла, влагосодержание в воздушной массе, запасы органического вещества и др.) определяются величиной системы (температура есть и в Арктике, и на экваторе, но в Арктике она ниже, а на экваторе выше). Следовательно, первые не меняются при делении системы на части, а вторые убывают.

Если интенсивные параметры системы однородны, т.е. не различаются в ее частях, то такая система находится в состоянии устойчивого равновесия по данным параметрам. Устойчивым называют равновесие, которое самопроизвольно восстанавливается, если систему из него вывести. Систему в устойчивом состоянии можно уподобить шарику, находящемуся в ямке (рис. 4.1, а). Метаустойчивым называют состояние, являющееся одним из вариантов устойчивого (рис. 4.1, б): шар мог бы занять любое из трех понижений (1 , 2, 3), но из них абсолютно устойчиво только положение 2. Неустойчивым называют состояние, когда малый импульс воздействия выводит систему из равновесия, в которое она не может возвратиться (рис. 4.1, в). Неустойчивость характерна для развивающихся систем. Она увеличивает разнообразие природы (создаются новые системы), но может иметь и отрицательное экологическое значение. Системы в неустойчивом состоянии подвержены флуктуациям - хаотическим колебаниям параметров, эффект которых непредсказуем.

В большинстве случаев системы географической оболочки являются открытыми. Открытые системы не стремятся к минимуму потенциальной энергии и максимуму энтропии (мера рассеяния энергии). Географические системы способны совершенствоваться, уменьшая (или концентрируя) энтропию за счет внешней среды. Этот процесс можно представить как образование порядка из хаоса. Он наблюдается в географической оболочке эволюционно.

В географической оболочке существуют системы, которые имеют два и более устойчивых состояний, называемых триггерными (переключающими). Например, ледниковое и безледное состояние земной поверхности, функционирование гейзера (покой - выброс). Понятие триггерности важно для оценки возможных экологических последствий: энергетически легче удержать явление в определенном состоянии, чем вернуть его в прежнее, если начался переходный процесс.

Механические взаимодействия в планетарных физико-географических процессах, имеющих материальную основу, подчинены закону всемирного тяготения, согласно которому, две любые материальные частицы с массами М 1 и М 2 притягиваются по отношению друг к другу с силой Р, пропорциональной произведению масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния R между ними:

где G - коэффициент пропорциональности (гравитационная постоянная), равный 6,672510 -11 Нм 2 /кг 2 . Согласно этому закону, сила тяготения зависит только от положения частиц в данный момент времени, т.е. гравитационное взаимодействие распространяется мгновенно. Отсюда - выражение для силы тяжести:

где g - ускорение свободно падающей точки, равное 9,7805 х т - масса материальной точки; φ - географическая широта; h - высота точки над уровнем моря.

В мире макротел, которыми являются небесные тела, закон всемирного тяготения играет основополагающую роль, определяя их взаимодействие и эволюцию. На Земле проявлениями этого закона являются:

гравитационное поле Земли (поле силы тяжести);

гравитационная дифференциация земного вещества, приводящая к образованию геосфер, изостатическому уравновешиванию литосферы, тепловой конвекции в ядре и мантии, океане и атмосфере;

движения земных масс и их перемещения внутри планеты и на ее поверхности;

образование приливов.

Гравитационное поле Земли представляет собой поле силы тяжести - равнодействующей силы тяготения и центробежной силы вращения Земли (рис. 4.2). Так как сила тяготения зависит от радиуса Земли, который наименьший на полюсах, то она наибольшая на полюсах. Центробежная сила, зависящая (при одинаковой скорости вращения) от радиуса орбиты, наибольшая на экваторе. Результирующая этих сил возрастает от экватора к полюсам соответственно от 978 до 983 галов. Сила тяжести убывает от земной поверхности вверх и несколько возрастает в глубь Земли в пределах литосферы .

Гравитационное поле - потенциальное. Точки с одинаковым потенциалом силы тяжести образуют изопотенциальные (или эквипотенциальные) поверхности. На каждой такой поверхности невозможно самопроизвольное перемещение массы, так как горизонтальная составляющая силы тяжести равна нулю. Наиболее важной изопотенциальной поверхностью Земли является поверхность геоида. Сечения изопотенциальными поверхностями рельефа образует горизонтали (изогипсы суши или изобаты морского дна).

Рис. 4.2. Сила тяжести (Р о ) - равнодействующая сил тяготения (P N ) и центробежной (Р δ )

Движения тел, имеющих массу, происходят в поле силы тяжести в соответствии с направлением градиента этого поля, т.е. по нормали к изопотенциальным поверхностям. При наличии препятствий (например, рельеф) движение происходит таким образом, чтобы потенциальная энергия уменьшалась. Например, по закону сообщающихся сосудов уровень воды в соединенных резервуарах соответствует одной потенциальной поверхности.

Значения поля силы тяжести Земли отображаются изогонами (линиями равных значений силы тяжести).

Гравитационная дифференциация. По существующим представлениям, сила тяготения была одной из главных при образовании Земли из протопланетного облака. В соответствии с разными гипотезами, Земля возникла как гетерогенное тело (ядро Земли образовалось на более ранней стадии, мантия - на более поздней) или как гомогенная масса. В последнем случае считается, что 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 такого расслоения возникли геосферы, каждая из которых сложена веществом одного агрегатного состояния и сходной плотности. Подсчеты показывают, что количества тепла, которое выделилось в процессе гравитационного расслоения Земли на ядро и мантию, хватило бы для того, чтобы расплавить изначально твердое вещество нашей планеты.

С гравитационной дифференциацией связано множество процессов, в том числе вертикальные тектонические движения блоков литосферы. В атмосфере гравитационная дифференциация приводит к неустойчивости воздушного столба вследствие различных температур и влажности. В тропосфере воздух нагревается от земной поверхности и испытывает импульс движения, направленный вверх («всплывает»). Гравитационная неустойчивость атмосферы обычна, поэтому в метеорологии уменьшение температуры от земной поверхности вверх считают нормой, тогда как увеличение температуры называется инверсией. В гидросфере гравитационная дифференциация зависит как от температуры, так и от солености водных масс, что также приводит к их перемещению и размещению в соответствии с плотностью (процесс подъема вод называется апвеллинг, опускания - даунвеллинг).

Изостазия. Процессы плотностной дифференциации проявляют себя также в виде изостатического уравновешивания литосферы. Это хорошо иллюстрируют модели изостатического уравновешивания тел, плавающих на водной поверхности (рис. 4.3). На рис. 4.3, б показаны кубики различной плотности при их одинаковом размере, вследствие чего они погружаются в воду пропорционально отношению собственной плотности воды. На рис. 4.3, а показаны кубики одинаковой плотности, но различных размеров, поэтому каждый кубик погружен в воду на величину, равную отношению масс (как в предыдущем случае), умноженному на сечение кубика. Стрелками показаны пары сил тяжести и Архимедовой. Каждый кубик находится в состоянии изостатического равновесия в соответствии с плотностью вещества и толщиной (мощностью) тела.

Обычно понятие изостатического равновесия употребляется по отношению к литосфере, но эффект проявляется в любых средах. Так, из принципиальной схемы (рис. 4.4) изостатического уравновешивания блоков литосферы видно, 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 по тем же причинам, ибо плотность ее выше, а мощность меньше. Благодаря изостазии поддерживается закономерное соотношение высот суши и глубин океана, которое отображает гипсографическая кривая.

Рис. 4.3. Модели изостазии (по Ф. Стейси): а - уравновешивание на субстрате блоков по мощности литосферы; б - уравновешивание на субстрате блоков по плотности вещества (цифры даны в единицах условной плотности)

Рис. 4.4. Изостатическое равновесие литосферы

Изостатическое уравновешивание литосферы является важным системообразующим свойством географической оболочки. Оно 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.

Движения земных масс. Взаимодействия гравитационных и иных сил внутри планеты и влияние космического окружения приводят к движению земных масс, старающихся занять наиболее устойчивое положение в пространстве. Непосредственным выражением этих смещений являются вулканические процессы - выбросы в географическую оболочку глубинных масс вещества, сейсмические явления - резкие смещения внутриземных масс, сопровождаемые обычно подземными толчками и разрывами сплошности земной коры, тектонические движения - перемещения земных масс внутри планеты или проявляющихся на земной поверхности (неотектонические). Все они активно влияют на функционирование географической оболочки. Основная причина их проявления заключается в необходимости уравновешивания результатов взаимодействий внутри Земли и на ее поверхности. Движения земных масс являются важной характеристикой планеты, так как свидетельствуют об активности ее недр и способности к развитию и совершенствованию.

Приливы. Океанские приливы зависят главным образом от взаимодействия Земли, Луны и Солнца. Ведущую роль при этом играет близкорасположенная Луна, притяжение которой в 2,17 раза превосходит солнечное. Весь приливоотливной цикл по продолжительности соответствует лунным суткам (24 ч 51 мин), которые не совпадают с солнечными, за счет чего образуются приливные неравенства. Однако в действительности наблюдаются суточные, полусуточные и смешанные приливы .

Луна обращается вокруг Земли по эллиптической орбите со средним радиусом 384 тыс. км. Система Земля-Луна имеет общий центр масс, расположенный в теле Земли на расстоянии 2/3 от ее центра, так как массы взаимодействующих сил сильно различаются (земная в 81 раз больше, чем лунная). Оба небесных тела перемещаются таким образом, что любая точка одного из них описывает одинаковую орбиту. В каждой такой точке возникает одинаковая центробежная сила, не зависящая от широты места.

Кроме центробежной на каждую точку Земли действует направленная к Луне сила тяготения, которая зависит от расстояния до возмущающей массы (рис. 4.5). Если расстояние от центра массы Луны до центра массы Земли составляет 60 земных радиусов (R ), то до ближайшей к Луне точке Z (зенит) оно равно только 59R , а до самой дальней точки N (надир) - 61R . По закону всемирного тяготения, величина силы тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами масс. Следовательно, в точке Z сила тяготения больше, чем в точке О 3 , а в точке N - меньше, чем в любой из точек тела Земли. Таким образом, в центре массы Земли имеет место равенство сил тяготения и центробежной, а в точках Z и N равенства нет: в точке Z сила тяготения больше центробежной, а в точке N - больше центробежная сила. Это приводит к образованию приливных деформаций - выпуклостей или стоячих волн.

Расчеты показывают, что в центре массы Земли абсолютное значение силы тяготения, обусловленное влиянием Луны, составляет 3,38 мг на 1 кг массы, в точке Z сила тяготения равна уже 3,49 мг/кг, а в точке N - только 3,27 мг/кг. Суммируя эти значения в каждой точке земной поверхности с векторными значениями центробежной силы, получим равнодействующую, которая направлена в точке Z к Луне, а в точке N от Луны. Эту силу называют приливообразующей. Ее величина в обоих случаях составляет 0,11 мг/кг массы, но противоположна по знаку. В других точках, не лежащих на оси системы Земля - Луна, силы окажутся несоосными и образуют параллелограммы, в которых равнодействующая направлена по диагонали параллелограмма.

Рис. 4.5. Образование приливообразующей силы под воздействием Луны в различных точках поверхности Земли

Рис 4.6. Приливы, образующиеся при взаимодействии Земли с Луной (Л) и Солнцем (С): а - сизигийный; б - квадратурный

Вследствие вращения Земли приливные выступы образуются в каждый следующий момент уже в новых местах земной поверхности, поэтому за промежуток времени между двумя последовательными верхними или нижними кульминациями Луны приливные выступы обойдут вокруг Земного шара и за это время в каждом месте произойдут два прилива и два отлива.

Аналогичное взаимодействие происходит между Землей и Солнцем (а также другими небесными телами), но оно незначительное. Масса Солнца несопоставимо велика по сравнению с массой Луны и расстояние от Земли до Солнца также значительно больше, чем до Луны, поэтому величина солнечного прилива приблизительно в 2,2 раза меньше, чем лунного. Так как взаимное положение Земли, Луны и Солнца постоянно меняется, то изменяются и величины солнечных и лунных приливов. Солнечные приливы изменяют величину лунных приливов. 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 (рис. 4.6). Высота сизигийного прилива в океане приблизительно в 1,5 раза выше лунного, а квадратурного вполовину меньше.

До появления жизни на Земле внешнюю, единую оболочку ее составляли три взаимосвязанные оболочки: литосфера, атмосфера и гидросфера. С появлением живых организмов - биосферы, эта внешняя оболочка значительно изменилась. Изменились и все ее составные части - компоненты. Оболочка, Земли, в пределах которой взаимно проникают друг в друга и взаимодействуют нижние слои атмосферы, верхние части литосферы, вся гидросфера и биосфера, называется географической (земной) оболочкой. Все компоненты географической оболочки существуют не изолированно, они взаимодействуют друг с другом. Так, вода и воздух, проникая по трещинам и порам вглубь горных пород, участвуют в процессах выветривания, изменяют их и в то же время меняются сами. Реки и подземные воды, перемещая минеральные вещества, участвуют в изменении рельефа. Частицы горных пород высоко поднимаются в атмосферу при извержении вулканов, сильных ветрах. Много солей содержится в гидросфере. Вода и минеральные вещества входят в состав всех живых организмов. Живые организмы, отмирая, образуют огромные толщи горных пород. Верхнюю и нижнюю границы географической оболочки разные ученые проводят по-разному. Резких границ она не имеет. Многие ученые считают, что ее мощность составляет в среднем 55 км. По сравнению с размерами Земли это тонкая пленка.

В результате взаимодействия компонентов географическая оболочка обладает присущими только ей свойствами.

Только здесь присутствуют вещества в твердом, жидком и газообразном состоянии, что имеет огромное значение для всех процессов, происходящих в географической оболочке, и прежде всего для возникновения жизни. Только здесь у твердой поверхности Земли возникла сначала жизнь, а затем появились человек и человеческое общество, для существования и развития которого имеются все условия: воздух, вода, горные породы и полезные ископаемые, солнечное тепло и свет, почвы, растительность, бактериальный и животный мир.

Все процессы в географической оболочке происходят под воздействием солнечной энергии и в меньшей степени внутренних земных источников энергии. Изменение солнечной активности сказывается на всех процессах географической оболочки. Так, например, в период повышения солнечной активности увеличиваются магнитные бури, изменяется скорость роста растений, размножения и миграции насекомых, ухудшается состояние здоровья людей, особенно детей и пожилых. Связь между ритмами солнечной активности и живыми организмами показал русский биофизик Александр Леонидович Чижевский еще в 20-30-х гг. ХХ в.

Географическую оболочку иногда называют природной средой или просто природой, имея в виду главным образом природу в границах географической оболочки.

Все компоненты географической оболочки связаны в единое целое посредством круговорота веществ и энергии, благодаря которому осуществляется обмен веществ между оболочками. Круговорот веществ и энергии - это важнейший механизм природных процессов географической оболочки. Существуют различные круговороты веществ и энергии: воздушные круговороты в атмосфере, земной коре, круговороты воды и др. Для географической оболочки большое значение имеет круговорот воды, который осуществляется благодаря движению воздушных масс. Вода, одно из наиболее удивительных веществ природы, отличающееся большой подвижностью. Способность переходить из жидкого в твердое или газообразное состояние при незначительных изменениях температуры позволяет воде ускорять различные природные процессы. Без воды не может быть и жизни. Вода, находясь в круговороте, вступает в тесные взаимодействия с другими компонентами, связывает их между собой и является важным фактором формирования географической оболочки.

Огромная роль в жизни географической оболочки принадлежит биологическому круговороту. В зеленых растениях, как известно, на свету из углекислого газа и воды образуются органические вещества, которые служат пищей для животных. Животные и растения после отмирания разлагаются бактериями и грибами до минеральных веществ, которые затем вновь поглощаются зелеными растениями. Одни и те же элементы многократно образуют органические вещества живых организмов и многократно снова переходят в минеральное состояние.

Ведущая роль во всех круговоротах принадлежит круговороту воздуха в тропосфере, который включает всю систему ветров и вертикальное движение воздуха. Движение воздуха в тропосфере втягивает в глобальный круговорот и гидросферу, образуя мировой круговорот воды. От него зависит и интенсивность других круговоротов. Наиболее активно круговороты происходят в экваториальном и субэкваториальном поясах. А в полярных областях наоборот, они протекают особенно медленно. Все круговороты взаимосвязаны между собой.

Что делает нашу планету неповторимой? Жизнь! Трудно представить себе нашу планету без растений и животных. В самых разнообразных формах она пронизывает не только водную и воздушную стихии, но и верхние слои земной коры. Возникновение биосферы является принципиально важным этапом развития географической оболочки и всей Земли как планеты. Главная роль живых организмов - обеспечение развития всех жизненных процессов, в основе которых лежит солнечная энергия и биологический круговорот веществ и энергии. Жизненные процессы состоят из трех главных этапов: создания в результате фотосинтеза органического вещества первичной продукции; превращения первичной (растительной) продукции во вторичную (животную); разрушения первичной и вторичной биологической продукции бактериями, грибами. Без этих процессов жизнь невозможна. Живые организмы включают: растения, животные, бактерии и грибы. Каждая группа (царство) живых организмов выполняет определенную роль в развитии природы.

Жизнь на нашей планете возникла 3 млрд. лет назад. Все организмы в течение миллиардов лет развивались, расселялись, изменялись в процессе развития и в свою очередь воздействовали на природу Земли - среду своего обитания.

Под влиянием живых организмов в воздухе стало больше кислорода и уменьшилось содержание углекислого газа. Зеленые растения - основной источник атмосферного кислорода. Другим стал состав Мирового океана. В литосфере появились горные породы органического происхождения. Залежи угля и нефти, большинство отложений известняков - результат деятельности живых организмов. Результатом деятельности живых организмов является также образование почв, благодаря плодородию которых возможна жизнь растений. Таким образом, живые организмы являются мощным фактором преобразования и развития географической оболочки. Гениальный русский ученый В. И. Вернадский считал живые организмы самой могущественной по своим конечным результатам силой на земной поверхности, преобразующей природу.