Происхождение и формирование гидросферы. Возникновение атмосферы и гидросферы Земли и их роль в появлении жизни

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.

Образование земной коры и атмосферы

Земная кора, гидросфера и атмосфера образовались в основном в результате высвобождения веществ из верхней мантии молодой Земли. За счет этих процессов сформировалась оболочка из породы толщиной менее 0,0001% объема всей планеты. Состав этой оболочки, образующей континентальную и океаническую кору, эволюционировал во времени прежде всего за счет возгонки элементов из мантии в результате частичного плавления на глубине примерно 100 км. Средний химический состав современной коры (рис.1) показывает, что кислород содержится в ней в наибольшем количестве, сочетаясь в разных видах с кремнием, алюминием и другими элементами с образованием силикатов.

земля атмосфера жизнь фотосинтез гидрологический

Рис. 1.

Можно предположить, что летучие элементы выделились (дегазировались) из мантии в результате извержений вулканов, сопровождавших образование коры. Некоторые из этих газов удержались и образовали атмосферу, когда поверхностные температуры стали достаточно низкими, гравитационное притяжение достаточно сильным.

Рис.2.

Эволюция атмосферы и происхождение жизни

Аккреция вещества Земли привела к временному его разогреву и легких молекул первичной атмосферы, прежде всего водорода и гелия, рассеянных в космическом пространстве. Последующее понижение температуры в результате сильного излучения тепла привело к образованию твердой коры. Активный вулканизм мешал этому процессу, но в то же время поставлял большие количества газов, из которых образовалась вторичная атмосфера. В ней, кроме Н 2 , было много других газов, таких, как СН 4 , NH 3 и Н 2 О (рис.3).

Рис. 3.

Наряду с водяными парами уже существовал и древний океан, состоящий из жидкой воды. Углекислоты Н 2 СО 3 было мало, так как ее восстанавливали соединения Fе 3+ , содержавшиеся в земной коре. Примерно 1 млрд. лет атмосфера была восстановительной, имелись возможности для процессов абиогенного образования и накопления многих соединений.

На восстановительную вторичную атмосферу воздействовали большие потоки энергии: коротковолновое ультрафиолетовое излучение, ионизирующее излучение Солнца (сейчас экранируется озоновым слоем), электрические разряды (грозы, коронные разряды), местные источники тепла вулканического происхождения. В этих условиях мог идти активный химический синтез, при котором из газов вторичной атмосферы через такие промежуточные продукты, как синильная кислота, этилен, этан, формальдегид и мочевина, образовались сначала мономеры, а затем и полимеры. Ввиду того, что окисления не происходило, водоемы обогащались аминокислотами, пуриновыми и пиримидиновыми основаниями, сахарами, карбоновыми кислотами, липидами. Образовался «первичный бульон». Происходили процессы осаждения, разделения и адсорбции, а на поверхностях минералов (глина, горячая лава) -- дальнейшие синтетические процессы (рис.4). Это подтверждается результатами анализа древних земных химических ископаемых и их сравнением с внеземным органическим веществом (метеориты), а также многочисленными модельными экспериментами, показавшими, что в смеси газов, воспроизводящей атмосферу, при достаточном притоке энергии действительно происходят процессы синтеза органических веществ. Среди продуктов этого синтеза найдены основные биологически важные соединения, в том числе 14 аминокислот, пурины и пиримидины, сахара, АМФ, АДФ, АТФ, жирные кислоты и порфирины.

По мере возрастающей потери Н 2 в космическое пространство создавалась третичная атмосфера, содержащая большие количества N 2 (из NH 3), СО 2 (из вулканических газов и из СН 4) и паров воды.

Рис. 4.

Около 3,5 млрд. лет назад появились хлорофиллоносные организмы, способные осуществлять фотосинтез, т. е. использовать экзогенный источник энергии (солнечную радиацию) для синтеза из углекислого газа, воды и минеральных элементов всех органических веществ, необходимых для жизни. Эти организмы преобразовывали солнечную энергию в биохимическую.

CO 2(г) + H 2 O (ж) > CH 2 O (тв) + O 2(г) (1)

«Изобретение» фотосинтеза способствовало повышению содержания кислорода в атмосфере и формированию современной, четвертичной атмосферы.

В атмосфере Земли кислород первоначально накапливался путем разложения воды и водяного пара под действием ультрафиолетовых лучей Солнца. Сначала кислород (O 2) быстро потреблялся в процессе окисления восстановленных веществ и минералов. Однако наступил момент, когда скорость его поступления (уже преимущественно в процессе фотосинтеза) превысила потребление и О 2 начал постепенно накапливаться в атмосфере. Около 500 млн лет назад количество кислорода в атмосфере было много больше, чем сейчас, но впоследствии в результате интенсивной вулканической деятельности снизилось до современного. Биосфера под смертельной угрозой своего собственного отравляющего побочного продукта была вынуждена приспосабливаться к таким изменениям. Она осуществляла это посредством развития новых типов биогеохимического метаболизма, которые поддерживают разнообразие жизни и на современной Земле.

Предполагают, что жизнь на Земле началась в океанах около 4,2--3,8 млрд. лет назад. Древнейшие из известных ископаемых -- бактерии из пород с возрастом около 3,5 млрд. лет. В породах этого возраста имеются свидетельства достаточно развитого обмена веществ, при котором использовалась солнечная энергия для синтеза органического вещества. Самые ранние из этих реакций, вероятно, были основаны на сере (S), поступающей из вулканических выходов:

CO 2(г) + 2H 2 S > CH 2 O (тв) + 2S (тв) + H 2 O (ж) (2)

(органическое вещество)

Постепенно возникла атмосфера современного состава. К тому же кислород в стратосфере претерпел фотохимические реакции, приведшие к образованию озона (О 3), защищающего Землю от ультрафиолетового излучения. Этот экран позволил высшим организмам выйти на сушу.

Итак, происхождение атмосферы неразрывно связано с образованием Земли. Эволюция атмосферы происходила (и происходит) под влиянием следующих факторов:

· аккреции вещества межпланетного пространства;
· выделения газов при вулканической деятельности;
· химического взаимодействия газов атмосферы с компонентами гидросферы и литосферы;
· диссоциации молекул газов, составляющих воздух, под влиянием солнечного ультрафиолетового и космического излучения;
· биогенных процессов в живом веществе биосферы;
· антропогенной деятельности.

Земная кора, гидросфера и атмосфера образовались в основном в результате высвобождения веществ из верхней мантии молодой Земли. В настоящее время формирование океанической коры происходит в срединных хребтах океанов и сопровождается выходом газов и небольших количеств воды. Образование коры на молодой Земле, обуславливалось теми же процессами – за счет них сформировалась оболочка из породы толщиной менее 0,0001% объема всей планеты. Состав этой оболочки, образующей континентальную и океаническую кору, эволюционировал во времени, прежде всего, за счет возгонки элементов из мантии в результате частичного плавления на глубине примерно 100 км. Средний химический состав современной коры показывает, что кислород содержится в ней в наибольшем количестве, сочетаясь в разных видах с кремнием, алюминием и другими элементами с образованием силикатов.

На основании многих данных можно предположить, что летучие элементы выделились из мантии в результате извержений вулканов, сопровождавших образование коры. Скорее всего, первоначально, атмосфера состояла из диоксида углерода и азота с некоторым количеством водорода и паров воды. Эволюция в сторону современной кислородной атмосферы не происходила до тех пор, пока не начала развиваться жизнь.

Образование гидросферы

Вода в своих трех состояниях - жидкость, лед и водяные пары - широко распространена на поверхности Земли и занимает объем 1,4 млрд. км 3 . Почти вся эта вода (> 97 %) находится в океанах, а большая часть из оставшейся образует ледяные полярные шапки и ледники (около 2 %). Континентальные пресные воды представляют менее 1 % общего объема. Атмосфера содержит сравнительно мало воды (в виде паров - 0,001 %). В целом эти резервуары воды называют гидросферой.

Источники воды при образовании гидросферы спорны. Во всяком случае, когда поверхность Земли остыла до Т < 100°С, водяные пары, дегазирующиеся из мантии, сконденсировались.

Океаны образовались около 3,8 · 10 9 лет назад, о чем говорит возраст погруженных в океан осадочных пород.

Из атмосферы в космос проникает очень малое количество водяных паров, поскольку на высоте около 15 км низкие температуры вызывают их конденсацию и выпадение на более низкие уровни. Очень небольшое количество воды дегазируется в настоящее время из мантии. Таким образом, после основной фазы дегазации общий объем воды на земной поверхности мало изменялся в течение геологического времени.

Круговорот между резервуарами воды в гидросфере называется гидрологическим циклом.

Хотя объем водяных паров, содержащихся в атмосфере, мал (около 0,013 10 6 км 3), вода постоянно движется через этот резервуар. Она испаряется с поверхности океанов (0,423 10 6 км 3 /год) и суши (0,073 10 6 км 3 год) и переносится с воздушными массами (0,037 10 6 км 3 /год). Несмотря на короткое время пребывания в атмосфере (обычно 10 дней), среднее расстояние водопереноса составляет около 1000 км. Водяные пары затем возвращаются либо в океаны (0,386 10 6 км 3 /год), либо на континенты (0,110 10 6 км 3 /год) в виде снега или дождя. Большая часть дождевых осадков, попадающих на континенты, просачивается через отложения и пористые или раздробленные породы, образуя подземные воды (9,5 10 6 км 3); остальная вода течет по поверхности в виде рек (0,13 10 6 км 3) или вновь испаряется в атмосферу.

Быстрый перенос воды в атмосфере обусловливается поступающим солнечным излучением. Почти все излучение, достигающее коры, идет на испарение жидкой воды и образование атмосферных водяных паров. Большая часть из оставшегося излучения поглощается корой, причем эффективность этого процесса уменьшается с увеличением широты, в основном из-за сферической формы Земли.

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.