ГЕОСФЕРЫ ЗЕМЛИ

СТРОЕНИЕ И ДИНАМИКА СФЕР ЗЕМЛИ: МАГНИТОСФЕРЫ, ИОНОСФЕРЫ, НЕЙТРАЛЬНОЙ АТМОСФЕРЫ, ГИДРОСФЕРЫ, ЛИТОСФЕРЫ

В процессе своей эволюции Земля разделилась на ряд подсистем и стала сложной системой (рис. 4.1). Первыми возникли твердое и жидкое ядра, затем выделилась магнитосфера, мантия и литосфера. И лишь позднее образовались атмосфера, гидросфера и биосфера. С появлением человека социального некоторые ученые (Тейяр де Шарден и В.И. Вернадский) стали выделять еще и ноосферу (сферу разума). Рассмотрим последовательно вопросы строения и динамики основных геосфер Земли.

Рис. 4.1 . Схема геосфер Земли (Протасов, 2000)

Магнитосфера — это внешняя оболочка Земли. Ее существование и строение обусловлены взаимодействием солнечного ветра с дипольным магнитным полем Земли. Если бы Земля была одинока в космическом пространстве, силовые линии магнитного поля планеты располагались бы таким же образом, как и силовые линии обычного магнита, т.е. в виде симметричных дуг, протянувшихся от южного магнитного полюса к северному (рис. 4.2, а). Плотность линий (напряженность магнитного поля) падала бы с удалением от планеты.

Однако магнитное поле Земли находится во взаимодействии с магнитными полями Солнца, планет и потоков заряженных частиц, испускаемых в изобилии Солнцем (рис. 4.2, б).

Рис. 4.2. Взаимодействие магнитных полей Солнца и Земли (Гальпер URL: http:// kos-mofizika.ru/galper/galper.htm):

а — дипольное магнитное поле; 6— магнитное поле Земли, трансформированное потоком солнечного ветра

Если магнитным влиянием самого Солнца и тем более планет из- за их удаленности можно пренебречь, то потоки частиц (солнечный ветер) необходимо учитывать. Солнечный ветер представляет собой потоки мчащихся со скоростью около 500 км/с частиц, испускаемых солнечной атмосферой. Такие потоки несут сильные магнитные поля, для которых магнитное поле Земли служит препятствием. Поскольку скорость потока значительно выше скорости звука в солнечном ветре (сверхзвуковое обтекание препятствия), в соответствии с законами гидродинамики перед магнитосферой образуется ударная волна, фронт которой имеет форму параболоида (рис. 4.2, б). Солнечная плазма, проходя через ударную волну, уплотняется, замедляет свое движение, нагревается и обтекает магнитное поле. Магнитное поле от воздействия сжимается и приобретает форму вытянутой полости — магнитосферы. Ее граница называется магнитопаузой. Расстояние до лобовой точки магнитопаузы при скорости солнечного ветра 500 км/с и плотности 2,5 частиц/см³ оценивается примерно в 10 земных радиусов. На «подветренной» стороне возникает «хвост» магнитосферы диметром до 40 радиусов Земли и длиной несколько сотен радиусов. При вспышках на Солнце скорость солнечного ветра возрастает до 1000 км/с, и деформация усиливается.

В районе полюсов образуются «щели», через которые возможен прорыв горячей плазмы в верхние слои атмосферы, в результате возникают северные сияния. Во всех других областях магнитосферы возможно лишь медленное просачивание частиц солнечной плазмы. Просочившиеся частицы оказываются в ловушке магнитного поля из-за замкнутости магнитного поля на полюсах и движутся вдоль силовых линий, образующих так называемые радиационные пояса. Магнитосферная плазма находится в постоянном конвективном движении, порождая электрические токи — экваториальную и полярную электроструи. Из полярных электроструй при сильных возмущениях частицы как бы впрыскиваются в ионосферу, порождая полярные сияния (свечение атомов и молекул кислорода и азота на высотах 90—12 км).

При мощных вспышках в магнитосферу поступает множество импульсов. Возникает последовательная серия сжатий и расширений магнитосферы, изменяющих магнитное поле у поверхности Земли, — суббури. Вместе они составляют картину большой магнитной бури, которая захватывает и ионосферу.

Магнитное поле Земли испытывает периодические колебания, что также отражается на мощности магнитосферы и ионосферы. Инверсии магнитного поля Земли являются наиболее долгопериодными и резко снижают мощность магнитосферы. Резкое понижение напряженности магнитного поля Земли и его экранирующей способности усиливает воздействие солнечного излучения на биоту Земли. Более короткие отклонения магнитной оси имеют период около 300 тыс. лет.

Ионосфера — второй защитный слой, простирающийся от верхней границы стратосферы до высоты 1000 км. Причиной такой толщины является различная проникающая способность волнового и корпускулярного излучения на фоне снижения плотности атмосферы с высотой. Название этого слоя связано с повышенным содержанием положительных ионов и свободных электронов. Образование ионов на высотах от 80—85 до 400 км происходит за счет диссоциации нейтральных молекул под действием ультрафиолетовой, рентгеновской и корпускулярной радиации Солнца. Температура в ионосфере с подъемом повышается и на высоте около 120 км равна примерно + 150 °С.

В пределах ионосферы солнечная энергия преобразуется в другие виды энергии. В ионосфере текут интенсивные электрические токи, сила которых измеряется десятками тысяч ампер. Напряженность электрического поля между ионосферой и поверхностью Земли достигает 300 000 вольт. Поэтому на все изменения в ионосфере чутко реагируют земные (теллурические) токи.

Установлено, что с высотой в ионосфере плавно изменяются состав и концентрация ионов и электронов. На высотном профиле имеются максимумы концентрации. Их условно называют ионосферными областями — F_vF₂, Е, D.

Ионизация — это процесс, в котором отрицательно заряженные электроны «отнимаются» (или присоединяются) от нейтральных атомов или молекул для образования положительно (или отрицательно) заряженных ионов и свободных электронов. В ионосфере свободно движутся электроны, которые очень важны для прохождения радиоволн на высоких частотах (КВ: 3—30 МГц). В течение дня могут существовать все четыре области (рис. 4.3) на соответствующих высотах: область D — 50—90 км; область Е — 90—140 км; область Е_] — 140—210 км; область Е₂ — более 210 км.

Рис. 4.3. Дневная и ночная структуры ионосферы (Система обработки радиоинформации URL: http://www.qrz.ru/solar/tutorial по материалам http://www.ips.gov.au/papers/richard/

hfreport/webrep.htm)

В течение дневного времени спорадический (непостоянный) слой Еиногда можно наблюдать в области Д и в определенное время солнемного цикла области ?, и F₂ объединены в общую область F. В ночное время области D, Е и F_{ становятся очень бедными на свободные электроны, и только область F₂ остается возможной для связи, хотя спорадический слой ? довольно редко встречается ночью.

Только слои Е, F_x, спорадический слой Е (если присутствует) и область F₂ преломляют высокочастотные волны. Область D также важна, хотя и не преломляет подобные радиоволны, а поглощает и ослабляет их.

F₂ является самой важной областью в распространении высокочастотных радиоволн, так как: она присутствует в течение 24 ч в день; высокое расположение этой области обеспечивает максимальную дальность связи; она чаще всего отражает самые высокие частоты в высокочастотном диапазоне.

Время существования электронов самое продолжительное в области F₂, что объясняет появление этой области в ночное время. Обычное время существования электронов в областях Е, F_{ и F₂ — около 20 с, 1 мин и 20 мин соответственно.

Электроны возникают при их столкновении с незаряженными атомами и молекулами (рис. 4.4). Так как для этого процесса необходима солнечная радиация, возникновение электронов происходит только в солнечной части полусферы ионосферы. Когда свободный электрон связывается с заряженным ионом, обычно формируется нейтрально заряженная частица. По существу, исчезновение является процессом, противоположным возникновению. Возникновение и исчезновение — это постоянные процессы, которые происходят как днем, так и ночью.

Рис. 4.4. Ионизация частиц (Система обработки радиоинформации URL: http://www.qrz. ru/solar/tutorial по материалам http://www.ips.gov.au/papers/richard/hfreport/webrep.htm)

Благодаря вертикальной стратификации ионосфера по-разному реагирует на внешние воздействия, что иногда приводит к возникновению ионосферных бурь.

Исследования последних лет показали, что формирование погоды также тесным образом связано с корпускулярным излучением Солнца и поведением ионосферы. Было установлено, что под действием внедряющихся в атмосферу высоких широт заряженных частиц происходит разогрев полярной ионосферы, изменяются содержание озона (до 14%), электрический потенциал ионосферы и происходит возбуждение планетарных волн, которые затем распространяются к средним и низким широтам. Возникающие вследствие этого эффекты влияют на погодные условия.

Вариации степени ионизации из-за изменения солнечной активности приводят к изменению концентрации ионов и электронов, что сопровождается изменением планетарного электрического сопротивления и ионосферного потенциала. В результате изменяется суммарный планетарный электрический ток. Глобальная электрическая сеть является замкнутой и чутко реагирует на любые изменения. При ионосферной буре баланс нарушается — возникает гроза. Электрический потенциал ионосферы регулируется совокупной активностью всех гроз на Земле.

Атмосфера — это область между ионосферой и поверхностью Земли, представленная нейтральными молекулами и атомами воздуха и пара. Масса земной атмосферы — 5,15 • 10¹⁵ т, она давит на поверхность 510,2 млн км² и создает удельное давление 1,033 кг/см². Вследствие уменьшения плотности воздуха с высотой 90% массы атмосферы заключено в слое до высоты 16,3 км и 99% — до 31,2 км. Поток лучистой энергии на земную атмосферу составляет 1,36 • 10³ Вт/м² (солнечная постоянная).

В атмосфере до высоты около 106 км содержатся хорошо перемешанные течениями воздуха газы (азот — 78%, кислород — 21%, аргон — 0,9%, углекислый газ — 0,03% и около 0,003% — смесь неона, гелия, криптона, ксенона, окислов азота, метана и озона). Эти соотношения остаются неизменными на протяжении нескольких десятков километров в высоту. В атмосфере иногда присутствуют некоторые летучие органические вещества, промышленный дым, выхлопные газы, окись углерода, сернистый газ и хлор (из вулканов).

Кроме того, присутствуют ионизированные радикалы, пары воды, пыль и аэрозоли, что и определяет оптическую прозрачность атмосферы или пропускную способность солнечной и галактической радиации. Состояние атмосферы может меняться при изменении содержания пыли и газов.

Важной составной частью атмосферы является водяной пар, хотя на его долю приходится только 3% ее объема. Большая часть пара содержится в воздухе ниже высоты 3000 м. Количество пара в атмосфере изменяется в зависимости от температуры. В холодном воздухе могут содержаться доли процента водяного пара. В воздухе некоторых жарких тропических областей его количество может достигать 4%. Высокая влажность воздуха — один из факторов, объясняющих меньшую величину суточных и сезонных колебаний температуры в тропиках по сравнению с очень сильными колебаниями температуры в пустынях.

Атмосфера состоит из тропосферы (8-16 км), стратосферы (до 50 км), мезосферы (до 82 км), термосферы (106 км), ионосферы (до 10 000 км) (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Схема строения атмосферы (Мазур, Иванов, 2004)

Толщина тропосферы достигает от 8 км у полюсов до 16 км у экватора. По мере подъема над поверхностью Земли уменьшается температура тропосферы на 6,5 К на 1 км. Тропосфера неустойчива и охвачена сильными горизонтальными и вертикальными движениями. Тепловая энергия в ней быстро преобразуется в кинетическую. В тропосфере выделяют планетарный пограничный слой 1—1,5 км, где скорость течений ослаблена из-за трения о земную поверхность. Здесь идет интенсивный обмен количеством движения, теплом и водяным паром между атмосферой, поверхностью Земли и океана, формируется облачная система, в которой скрытое тепло конденсации помогает развиваться сильным атмосферным возмущениям. В тропосфере из-за перепада толщины имеются ограничения на меридиональные движения. Над тропосферой имеется переходный слой — тропопауза, которая отделяет тропосферу от стратосферы.

Далее расположена стратосфера, отличающаяся незначительным градиентом температуры и малыми сезонными его колебаниями. В стратосфере до 34—36 км температура увеличивается слабо. Стратосфера холоднее над тропиками (—80 °С), где она служит как бы ловушкой, вымораживающей водяной пар. Поэтому влажность там мала и облаков не бывает. В стратосфере существуют 26-месячные колебания температуры и зональные составляющие ветра. С высоты 34—36 км температура в стратосфере быстро возрастает до стратопаузы (50 км и Т = 270 К).

Над стратопаузой находится мезосфера, где температура понижается до 180 К в верхней части. Здесь изредка образуются мезосферные, или серебристые, облака, есть волны и даже вихри.

Переходный слой мезопаузы на высоте 82 км отделяет мезосферу от лежащей выше термосферы, где температура растет с высотой до 1400 К (на 250 км), а с дневной стороны в периоды активности Солнца — намного больше. Это самая теплая часть атмосферы.

В стратосфере движение воздуха происходит не только в зональном, но и в меридиональном направлении. Атмосфера не только поглощает, но и отдает тепло. Потери тепла происходят в результате излучения термосферы, из-за перехода энергии УФ-излучения при диссоциации молекул в энергию столкновений и излучения.

Воздух термосферы сильно поглощает ультрафиолетовую, рентгеновскую и корпускулярную составляющие радиации Солнца и космоса. В ней тормозятся и сгорают метеориты. Это щит биосферы.

Выше уровня 106 км (турбопауза) состав воздуха меняется, исчезают углекислота и водяной пар, появляются ионизированный кислород и свободные электроны. Возникает ионосфера. Ее отличают высокая температура и зависимость движения от ее магнитодинамических сил. В ней развиваются магнитные бури.

Состояние атмосферы определяет метеоусловия на Земле. Существует глобальная система наблюдений — Всемирная служба погоды, которая включает 3,5 тыс. наземных метеостанций, 700 наземных астрономических станций, метеоспутники и около 5000 точек на транспортных и научно-исследовательских судах и в аэропортах.

Чтобы прогнозировать погоду, нужно знать многое о состоянии атмосферы, прежде всего тропосферы. Атмосферная циркуляция обусловлена непрерывным потоком солнечной радиации, и сама атмосфера подобна гигантской тепловой машине. Нагревателем служат тропики, а холодильником — полярные области. Лучистая энергия превращается в кинетическую энергию движения воздуха. На границу атмосферы за 1 с поступает 17 • 10¹⁷ Дж лучистой энергии. Часть энергии за счет атмосферного отражения (альбедо) рассеивается. Поверхности Земли достигает поток в 1,23 • 10¹⁷ Дж/с.

Гидросфера (от греч. hydor — вода и sphaira — шар) — это непрерывная оболочка Земли, включающая всю воду в жидком, твердом, газообразном, химически и биологически связанном состоянии. Единство гидросферы определяется не только ее непрерывностью, но и постоянным водообменом между ее частями и переходом из одного состояния в другое.

Формирование водной оболочки Земли было тесно связано с процессами дифференциации мантии. В момент образования Земли из протопланетного облака элементы ее будущей атмосферы и гидросферы находились в связанном виде в составе твердых веществ. Их формирование было обусловлено выделением водяного пара и газов из верхней мантии при ее дифференциации и вулканических процессах на ранних этапах развития Земли.

Гидросфера играет ключевую роль в формировании химической и физической среды, климата и погоды, в возникновении жизни на Земле и ее развитии.

Следы гидросферы можно найти во всех геосферах нашей планеты. Так, следы подземных вод могут достигать глубин 100 км и встречаться в верхних слоях атмосферы. В земной коре может находиться около 1,9 • 10⁹ км³ воды. Часть подземных вод (200—500 тыс. км³) законсервирована в подземных льдах вечной мерзлоты.

Объем Мирового океана достигает 1342 млн км³, причем около 30 тыс. км³ приходится на айсберги.

Третье место по объему вод занимают ледники на земной поверхности. В настоящее время они покрывают 16,2 млн км² суши. Общий объем ледникового покрова Земли оценивается в 30 млн км², что составляет 56% запасов вод континентов.

Ежегодно на Земле выпадает около 1,7* 10¹³ т снега (17 тыс. км³ воды). Количество воды, поступающее в атмосферу, оценивается в 12— 14 тыс. км³, что составляет слой 25 мм на всю поверхность. Если сравнить эту цифру с количеством осадков (600 мм за сутки), выпавших в Швейцарии летом 2000 г. в течение шторма, становится ясным, насколько нелинейны процессы круговорота воды на Земле.

Другой важной особенностью является резкое изменение альбедо (отражательной способности) на Земле из-за вариаций плотности облачности и площади снежно-ледового покрова, что существенно влияет на погодно-климатические условия планеты. В периоды оледенений на Земле, когда значительная часть поверхности континентов была покрыта ледниками, слишком большое количество солнечного тепла отражалось обратно, и на Земле долго удерживались суровые климатические условия.

Третья особенность гидросферы — наличие теплых и холодных течений в Мировом океане, существенно влияющих на формирование циклонических обстановок на Земле и определяющих не только погодные, но и климатические условия (рис. 4.6). Течения существуют как у поверхности, так и на глубине. Именно за счет них происходит ускоренный водообмен в океанах. Более того, теплые течения зачастую являются местом формирования циклонических обстановок. Кроме того, вдоль пассивных окраин континентов (например, Южной Америки, Африки и других побережий) часто возникает конвективный обмен вод по вертикали, называемый апвеллингом (up — вверх, well — воздымание). Отличительной особенностью таких течений является вынос к поверхности глубинных, холодных вод, насыщенных разными полезными веществами. Питательная среда способствует массовому размножению планктона, что привлекает моллюсков, рыб, птиц, как это происходит у побережья Южной Америки в период отсутствия явления Эль-Ниньо.

В поясах тропических пассатов с устойчивыми ветрами, дующими в постоянных направлениях, поверхностные слои морской воды увлекаются ветром. Пассаты дуют с северо-востока в областях, лежащих к северу от экватора, и с юго-востока в областях, расположенных к югу от экватора. Под их воздействием вода сгоняется к экватору с обеих сторон, здесь она движется в западном направлении в виде экваториального течения, которое огибало бы весь земной шар, если бы на его пути не вставали континенты. Этим экваториальным дрейфом порождаются главные течения в экваториальной области Мирового океана.

С Северной Атлантики перемещающиеся к западу экваториальные воды подходят к восточным берегам Бразилии, откуда часть течения отклоняется вдоль северного берега Южной Америки. У Карибских островов оно разделяется. Часть его пересекает Карибское море и уходит в Мексиканский залив и далее, за Флоридским проливом, образует Гольфстрим. Такие же течения образуются в Южной Атлантике и Тихом океане. Главный эффект поверхностных течений заключается в воздействии на климат.

Литосфера (от греч. Айтове; — камень) — верхняя твердая оболочка Земли, имеющая большую прочность и переходящая без определенной резкой границы в лежащую ниже астеносферу (от греч. a5i3vaxo<; — слабый), прочность вещества которой относительно мала. Литосфера включает земную кору, т.е. верхнюю сиалическую оболочку Земли, и отделенную от нее границей Мохоровичича жесткую верхнюю часть верхней мантии Земли предположительно оливин- пироксенового состава. Лежащая ниже часть литосферы сложена ультраосновными породами. Сверху литосфера ограничена атмосферой и гидросферой, которые частично в нее проникают. Мощность

Рис. 4.6. Мировая карта поверхностных морских течений в обобщенном виде (Мазур, Иванов, 2004) литосферы колеблется от 5—10 км под рифтовыми зонами океана до 250 км под горными сооружениями континентов.

Земная кора подразделяется на два резко отличных типа.

Первый тип — это земная континентальная кора. Она состоит из трех слоев: верхнего — осадочного, второго — сложенного гранитами и метаморфически измененными породами (гранитно-метаморфический) и нижнего — близкого к базальтам и поэтому называемого базальтовым (рис. 4.7). Территориально земная кора включает континенты, шельф и континентальный склон. Площадь 149—216 млн км². Плотность горных пород земной коры составляет 2,5—3,3 г/см³.

Рис. 4.7. Строение земной коры в разных геологических регионах и положение отдельных сверхглубоких скважин (Мазур, Иванов, 2004): скважины: СГ-3 — Кольская сверхглубокая; М - Мурунтауская; У - Уральская;

К - Кубанская; БР — Берта-Роджерс;

I - скважины судна Гломар-Челенджер; II — глубокие скважины на шельфе;

1 — гидросфера; 2 — осадочный слой океана; 3 — осадочный слой континентов; 4 — складчатые области фанерозоя; 5 — вулканогенные образования впадин; 6 — кристаллические породы докембрия; 7 — базальтовый слой континентов; 8 — базальтовый слой океанов; 9 — верхняя мантия; 10 — разломы

Второй тип представлен земной океанической корой, в составе которой отсутствует гранитно-метаморфический слой, а современные маломощные осадки и осадочные породы непосредственно залегают на базальтовом слое, ограниченном повсеместно снизу поверхностью М.

Твердая оболочка планеты — земная кора, испытывает вертикальные и горизонтальные перемещения. Только мы замечаем это редко или не замечаем вовсе. Земная кора медленно где-то опускается, где- то поднимается. Материки перемещаются по планете, растут горы, расширяются границы океана.

Геодезическое нивелирование позволяет измерять высоту точек с большой точностью. Таким образом, благодаря этим измерениям удалось установить, что огромная территория Северной Европы медленно (со скоростью до 1 см в год) поднимается. Со времен А. Цельсия (1701—1744), который первым доказал, что уровень Балтийского моря понижается, Фенноскандия поднялась на 2,5 м. Остатки последнего ледникового покрова растаяли 8 тыс. лет назад, а поднятие все продолжается. Это эффект релаксации после снятия ледовой нагрузки, назван учеными гляциоизостазией.

Максимально земная кора прогибалась в ледниковые эпохи на 700 м, а время релаксации (т.е. восстановления положения после снятия нагрузки) может длиться десятки тысяч лет.

Однако в Голландии, Дании, Литве, Польше низменные участки подтопляются, т.е. происходит опускание земной поверхности. Средневековые замки, построенные в нескольких километрах от моря, теперь подмываются водами Балтийского моря, а фундаменты разрушенных сооружений обнаруживаются под водой на глубине до 1,5 км. Опускание происходит со скоростью от долей до нескольких сантиметров в год.

В пределах Восточно-Европейской платформы скорость современных движений составляет от десятых долей до нескольких миллиметров в год. Венеция в Италии погружается со скоростью 3 мм в год.

Широко развиты вертикальные перемещения поверхностных и приповерхностных слоев за счет процессов в рыхлых отложениях. Такие процессы имеют короткое время «жизни». Растут ли горы? На этот вопрос можно ответить «да», но лишь для молодых гор. Нивелирование, проводимое в Швейцарских Альпах в течение последних 50 лет, показало, что горы растут со скоростью 1,5 мм в год. За 700— 1000 лет они поднимутся на 1 м. Гималаи растут быстрее — со скоростью 0,5— 1 см в год. В то же время Уральские горы относятся к древним и, постепенно разрушаясь, опускаются.

Однако земная кора, а вернее литосфера, испытывает не только вертикальные движения. Современные геологические исследования позволили установить, что поверхность Земли состоит из плит. Плиты движутся относительно друг друга в горизонтальном отношении. Так, Саудовская Аравия надвигается на Евразийский континент со скоростью около 1 см в год. С помощью методов математического моделирования на основе палеонтологических и палеомагнитных данных установлено, что в зонах океанических рифтов происходит раздвигание плит, причем наивысшая скорость горизонтальных перемещений достигает 12—14 см в год.