Происхождение и развитие гидросферы и атмосферы. Рождение атмосферы и гидросферы

Земля была расплавленной около 1 млрд. лет. Дальнейшее развитие в результате дифференциации вещества в жидком состоянии привело к расслоению планеты на оболочки и формированию атмосферы и гидросферы.

Атмосфера Земли раннего этапа имела другой компонентный состав, чем сейчас. В ней преобладали гелий, водород, азот, углекислый газ. В дальнейшем часть газов улетучивалась в космос, другая часть участвовала в окислительных процессах, но происходило и пополнение атмосферы газами, поступающими с недр Земли. Только при извержении вулканов в атмосферу поступило газов в 50 раз больше массы современной атмосферы. Первоначальная атмосфера изменялась под воздействием поступающих из недр газов, солнечной радиации, растительности, окислительных процессов, утечки в космос. На рубеже 2-2,2 млрд. лет назад возникла азотно-кислородная атмосфера, а содержание углекислого газа уменьшилось. Содержание углекислого газа сейчас в атмосфере составляет 0,034%. Оно зависит от скорости обмена с океаном и биосферой, что определяется температурой и влажностью.

Гидросфера Земли появилась позже начала образования планеты. Но с раннего архея объем воды стал значительно увеличиваться и 2-2,5 млрд. лет назад её объем приблизился к современному. Об этом свидетельствуют породы этого периода, формировавшиеся в водной среде (зеленокаменные офиолитовые пояса, голубые сланцы). Первичные океаны возникли 3,5-4 млрд. лет назад.

Воды Мирового океана и газы атмосферы возникли в результате преобразования материала мантии и образования и развития земной коры. Основной состав атмосферы – азотно-кислородный при незначительном количестве инертных газов и водорода. Этот состав отличается от состава вулканических газов. Причина этого кроется в изменении атмосферы за геологическое время и под влиянием развития жизни на планете. Зарождение жизни относят ко времени 3,6 млрд. лет назад. За это время вся вода Мирового океана прошла более 300 раз через биогенный цикл, а свободный кислород обновился более миллиона раз. В результате фотосинтеза ежегодно образуется 248 млрд. тонн в год кислорода при потреблении 341 т углекислого газа. Кроме этого, кислород образуется за счет фотодиссоциации водяного пара. Приведенные цифры показывают огромную роль живого вещества в формировании и изменении состава атмосферы за геологическое время. Выветривание пород земной коры сопровождается процессами окисления и гидратации. Свободный кислород связывается, погружаясь в глубину. В породах при метаморфизации наблюдаются восстановительные процессы. В этих процессах образуется вода и углекислота, выделение свободного кислорода не наблюдается.

Излияние базальтов на поверхность Земли приносило ювенильные минерализованные воды и газы. В базальтовой магме содержится 7%воды. Таким образом, образование коры сопровождалось и образованием воды и газов атмосферы. Поступали газы: СО, СО 2 , СН 4 , ΝН 3 , S, H 2 S, H 3 BO 3 , HCl, HFe, Ar, He. Ювенильные воды разрушали алюмосиликатные породы, растворяли Na, К, Rb, Cs, Мg, Са, Сг, Fe. При круговороте воды значительная часть солей задерживалась в океане. В настоящее время установился определенный баланс состава атмосферы и солевого состава гидросферы, происходящие изменения медленны и определяются ходом векового химического изменения под действием физико-химических и биологических факторов.

Живое вещество является не только основным поставщиком кислорода и поглощения углекислого газа. Оно так же концентрирует многие другие элементы: кремний, железо, фосфор, марганец и другие. Этапы развития живого вещества соответствуют изменениям в их взаимоотношении к различным элементам таблицы Менделеева. Так, первичные живые организмы развивались за счет окислительных процессов, следующий этап развития живого вещества использовал фотосинтез и усилил концентрацию Al, Si, Са, Ti, Сг, Mn, Fe, Co, Ni, Сu, Zn и др. Таким образом, живое вещество оказало и оказывает огромное влияние на миграцию химических элементов, а значит и на формирование не только состава атмосферы, но и на процесс преобразования земной коры, образования месторождений полезных ископаемых железо-марганцевых руд, нефти и газа, угля, известняков, доломитов и т.д. Общая масса живого вещества сейчас составляет 2420 млрд. тонн.

Об отсутствии кислорода в атмосфере в начальный период существования Земли свидетельствует отсутствие в морских отложениях минералов кислородных солей: сульфатов, карбонатов, минералов окисного железа. В дальнейшем состав отложений изменяется и свидетельствует о появлении свободного кислорода. Это произошло на рубеже 3 млрд. лет назад.

Установлено также, что из земных недр непрерывно поступают в земную кору и на поверхность флюиды (газы и жидкости с растворенными солями и элементами). Это в первую очередь гелий, водород, углеводородные газы, вода. Но не только флюиды поступают в земную кору и изменяют её. Поднимаются в результате процессов дифференциации и более тяжелые элементы и вещества, также как и опускаются. Но этот процесс идет со скоростями в сотни и тысячи раз медленнее, чем для флюидов. Такие процессы обуславливают метаморфизацию пород, гранитизацию, превращение океанической коры в континентальную и наоборот.

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.

Введение

В данной работе рассматривается тема «Гидросфера и атмосфера Земли».

Жидкая оболочка Земли, которая покрывает 70,8% ее поверхности, называется гидросферой. Главными резервуарами воды являются океаны. Они содержат 97% мировых запасов воды. Существующие в океанах течения переносят тепло от экваториальных областей к полярным и тем самым в определенной степени регулируют климат Земли. Так, течение Гольфстрим, начинающееся от берегов Мексики и несущее теплые воды до берегов Шпицбергена, приводит к тому, что средняя температура северо-западной Европы значительно выше температуры северо-восточной Канады.

По современным представлениям, наличие больших водоемов на Земле сыграло решающую роль в возникновении жизни на нашей планете. Часть воды на Земле, общим объемом около 24 млн. км 3 , находится в твердом состоянии, в виде льда и снега. Льды покрывают примерно 3% земной поверхности. Если бы эту воду превратить в жидкое состояние, то уровень мирового океана поднялся бы на 62 метра. Ежегодно снегом покрывается около 14% земной поверхности. Снег и лед отражают от 45 до 95% энергии солнечных лучей, что, в конечном итоге, приводит к существенному охлаждению больших участков поверхности Земли. Подсчитано, что если бы снегом укрылась вся Земля, то средняя температура на ее поверхности понизилась от существующей сейчас +15 С до 88 С.

Средняя температура поверхности Земли на 40 С выше той температуры, которую должна иметь Земля, освещенная солнечными лучами. Это опять-таки связано с водой, точнее, с водяным паром. Дело в том, что солнечные лучи, отражаясь от поверхности Земли, поглощаются водяным паром и снова отражаются на Землю. Это называется парниковым эффектом.

Воздушная оболочка Земли, атмосфера, уже изучена достаточно подробно. Плотность атмосферы у поверхности Земли составляет 1,22 10 -3 г/см 3 . Если говорить о химическом составе атмосферы, то главный компонент здесь является азот; его процентное содержание по весу равно 75,53%. Кислорода в атмосфере Земли 23,14%, из других газов наиболее представительным является аргон - 1,28%, углекислого газа в атмосфере всего 0,045%. Этот состав атмосферы сохраняется до высоты 100-150 км. На больших высотах азот и кислород находятся в атомарном состоянии. С высоты 800 км преобладает гелий, а с 1600 км - водород, который образует водородную геокорону, простирающуюся на расстояние до нескольких радиусов Земли.

Атмосфера предохраняет все живущее на Земле от губительного воздействия ультрафиолетового излучения Солнца и космических лучей - частиц высокой энергий, движущихся к ней со всех сторон с почти световыми скоростями.

Рассмотрим подробнее гидросферу и атмосферу Земли.

1. Гидросфера

Гидросфера (от гидро… и сфера) - прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и твердой земной корой (литосферой) и представляющая собой совокупность океанов, морей и поверхностных вод суши. В более широком смысле в состав гидросферы включают также подземные воды, лед и снег Арктики и Антарктики, а также атмосферную воду и воду, содержащуюся в живых организмах. Основная масса воды гидросферы сосредоточена в морях и океанах, второе место по объему водных масс занимают подземные воды, третье - лед и снег арктических и антарктических областей. Поверхностные воды суши, атмосферные и биологически связанные воды составляют доли процента от общего объема воды гидросферы (рис. 1). Химический состав гидросферы приближается к среднему составу морской воды.

Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, тем не менее играют важнейшую роль в жизни нашей планеты, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения. Воды гидросферы находятся в постоянном взаимодействии с атмосферой, земной корой и биосферой. Взаимодействие этих вод и взаимные переходы из одних видов вод в другие составляют сложный круговорот воды на земном шаре. В гидросфере впервые зародилась жизнь на Земле. Лишь в начале палеозойской эры началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу.

Рис. 1. Виды вод гидросферы

2. Атмосфера

Атмосфера Земли (от греч. atmos - пар и sphaira - шар) - газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землей как единое целое. Масса атмосферы составляет около 5,15-10 15 т. Атмосфера обеспечивает возможность жизни на Земле и оказывает большое влияние на разные стороны жизни человечества.

Происхождение и роль атмосферы

Современная земная атмосфера имеет, по-видимому, вторичное происхождение и образовалась из газов, выделенных твердой оболочкой Земли (литосферой) после сформирования планеты. В течение геологической истории Земли атмосфера претерпела значительную эволюцию под влиянием ряда факторов: диссипации (улетучивания) атмосферных газов в космическое пространство; выделения газов из литосферы в результате вулканической деятельности; диссоциации (расщепления) молекул под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения; химических реакций между компонентами атмосферы и породами, слагающими земную кору; аккреции (захвата) межпланетной среды (например, метеорного вещества). Развитие атмосферы было тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, а также с деятельностью живых организмов. Атмосферные газы, в свою очередь, оказывали большое влияние на эволюцию литосферы. Например, громадное количество углекислоты, поступившей в атмосферу из литосферы, было затем аккумулировано в карбонатных породах. Атмосферный кислород и поступающая из атмосферы вода явились важнейшими факторами, которые воздействовали на горные породы. На протяжении всей истории Земли атмосфера играла большую роль в процессе выветривания. В этом процессе участвовали атмосферные осадки, которые образовывали реки, изменявшие земную поверхность. Не меньшее значение имела деятельность ветра, переносившего мелкие фракции горных пород на большие расстояния. Существенно влияли на разрушение горных пород колебания температуры и другие атмосферные факторы. Наряду с этим атмосфера защищает поверхность Земли от разрушительного действия падающих метеоритов, большая часть которых сгорает при вхождении в плотные слои атмосферы.

Деятельность живых организмов, оказавшая сильное влияние на развитие атмосферы сама в очень большой степени зависит от атмосферных условий. Атмосфера задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на многие организмы. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания животными и растениями, атмосферная углекислота - в процессе питания растений. Климатические факторы, в особенности термический режим и режим увлажнения, влияют на состояние здоровья и на деятельность человека. Особенно сильно зависит от климатических условий сельское хозяйство. В свою очередь, деятельность человека оказывает все возрастающее влияние на состав атмосферы и на климатический режим.

Строение атмосферы

Многочисленные наблюдения показывают, что атмосфера имеет четко выраженное слоистое строение (рис. 2). Основные черты слоистой структуры атмосферы определяются в первую очередь особенностями вертикального распределения температуры. В самой нижней части атмосферы - тропосфере, где наблюдается интенсивное турбулентное перемешивание, температура убывает с увеличением высоты, причем уменьшение температуры по вертикали составляет в среднем 6° на 1 км. Высота тропосферы изменяется от 8-10 км в полярных широтах до 16-18 км у экватора. В связи с тем, что плотность воздуха быстро убывает с высотой, в тропосфере сосредоточено около 80% всей массы атмосферы. Над тропосферой расположен переходный слой - тропопауза с температурой 190-220 K, выше которой начинается стратосфера. В нижней части стратосферы уменьшение температуры с высотой прекращается, и температура остается приблизительно постоянной до высоты 25 км - т. н. изотермическая область (нижняя стратосфера); выше температура начинает возрастать - область инверсии (верхняя стратосфера). Температура достигает максимума ~ 270 K на уровне стратопаузы, расположенной на высоте около 55 км. Слой атмосферы, находящийся на высотах от 55 до 80 км, где вновь происходит понижение температуры с высотой, получил название мезосферы. Над ней находится переходный слой - мезопауза, выше которой располагается термосфера, где температура, увеличиваясь с высотой, достигает очень больших значений (св. 1000 K). Еще выше (на высотах ~ 1000 км и более) находится экзосфера, откуда атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство за счет диссипации и где происходит постепенный переход от атмосферы к межпланетному пространству. Обычно все слои атмосферы, находящиеся выше тропосферы, называются верхними, хотя иногда к нижним слоям атмосферы относят также стратосферу или ее нижняя часть.

Все структурные параметры атмосферы (температура, давление, плотность) обладают значительной пространственно-временной изменчивостью (широтной, годовой, сезонной, суточной и др.). Поэтому данные рис. 2 отражают лишь среднее состояние атмосферы.

Слоистая структура атмосферы имеет и много других разнообразных проявлений. Неоднороден по высоте химический состав атмосферы. Если на высотах до 90 км, где существует интенсивное перемешивание атмосферы, относительный состав постоянных компонент атмосферы остается практически неизменным (вся эта толща атмосферы получила название гомосферы), то выше 90 км - в гетеросфере - под влиянием диссоциации молекул атмосферных газов ультрафиолетовым излучением Солнца происходит сильное изменение химического состава атмосферы с высотой. Типичные черты этой части атмосферы - слои озона и собственное свечение атмосферы. Сложная слоистая структура характерна для атмосферного аэрозоля - взвешенных в атмосфере твердых частиц земного и космического происхождения. Наиболее часто встречаются аэрозольные слои под тропопаузой и на высоте около 20 км. Слоистым является вертикальное распределение электронов и ионов в атмосфере, что выражается в существовании D-, Е- и F-cлоев ионосферы.

Состав атмосферы

В отличие от атмосферы Юпитера, Сатурна, состоящих главным образом из водорода и гелия, и атмосферы Марса и Венеры, основного компонента которых - углекислый газ, земная атмосфера состоит преимущественно из азота и кислорода. Атмосфера Земли содержит также аргон, углекислый газ, неон и другие постоянные в переменные компоненты. Относительная объемная концентрация постоянных газов, а также сведения о средних концентрациях ряда переменных компонентов (углекислый газ, метан, закись азота и некоторые другие), относящихся только к нижним слоям атмосферы, приведены в таблице 1.

Наиболее важная переменная составная часть атмосферы - водяной пар. Пространственно-временная изменчивость его концентрации колеблется в широких пределах - у земной поверхности от 3% в тропиках до 2 10 -5 % в Антарктиде. Основная масса водяного пара сосредоточена в тропосфере, поскольку его концентрация быстро убывает с высотой. Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах - около 1,6-1,7 см «слоя осажденной воды» (такую толщину будет иметь слой сконденсированного водяного пара). Сведения относительно содержания водяного пара в стратосфере противоречивы. Предполагалось, например, что в диапазоне высот от 20 до 30 км удельная влажность сильно увеличивается с высотой. Однако последующие измерения указывают на большую сухость стратосферы. По-видимому, удельная влажность в стратосфере мало зависит от высоты и составляет 2-4 мг/кг.

Таблица 1. Химический состав сухого атмосферного воздуха у земной поверхности

Изменчивость содержания водяного пара в тропосфере определяется взаимодействием процессов испарения, конденсации и горизонтального переноса. В результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают осадки атмосферные в виде дождя, града и снега. Процессы фазовых переходов воды протекают преимущественно в тропосфере. Именно поэтому облака в стратосфере (на высотах 20-30 км) и мезосфере (вблизи мезопаузы), получившие название перламутровых и серебристых, наблюдаются сравнительно редко, тогда как тропосферные облака обычно закрывают около 50% всей земной поверхности.

Влияние на атмосферные процессы, особенно на тепловой режим стратосферы, оказывает озон. Он в основном сосредоточен в стратосфере, где вызывает поглощение ультрафиолетовой солнечной радиации, являющееся главным фактором нагревания воздуха в стратосфере. Средние месячные значения общего содержания озона изменяются в зависимости от широты и времени года в пределах 0,23-0,52 см (такова толщина слоя озона при наземных давлении и температуре). Наблюдается увеличение содержания озона от экватора к полюсу и годовой ход с минимумом осенью и максимумом весной.

Существенная переменная компонента атмосферы - углекислый газ, изменчивость содержания которого связана с жизнедеятельностью растений (процессами фотосинтеза), индустриальными загрязнениями и растворимостью в морской воде (газообменом между океаном и атмосферой). Обычно изменения содержания углекислого газа невелики, но иногда могут достигать заметных значений. Последние десятилетия наблюдается рост содержания углекислого газа, обусловленный индустриальным загрязнением, что может иметь влияние на климат вследствие создаваемого углекислым газом парникового эффекта. Предполагается, что в среднем концентрация углекислого газа остается неизменной во всей толще гомосферы. Выше 100 км начинается его диссоциация под влиянием ультрафиолетовой солнечной радиации с длинами волн короче 1690 А.

Одна из наиболее оптически активных компонент - атмосферная аэрозоль - взвешенные в воздухе частицы размером от нескольких нм до нескольких десятков мкм, образующиеся при конденсации водяного пара и попадающие в атмосферу с земной поверхности в результате индустриальных загрязнений, вулканических извержений, а также из космоса. Аэрозоль наблюдается как в тропосфере, так и в верхних слоях атмосферы. Концентрация аэрозоля быстро убывает с высотой, но на этот ход налагаются многочисленные вторичные максимумы, связанные с существованием аэрозольных слоев.

Заключение

гидросфера атмосфера земля оболочка

Каждый из нас из курса природоведения и географии знает, что мы живем на дне воздушного океана - атмосферы.

Самые верхние оболочки Земли - гидросфера и атмосфера - заметно отличаются от других оболочек, образующих твердое тело планеты. По массе это совсем незначительная часть земного шара, не более 0,025% всей его массы. Но значение этих оболочек в жизни планеты огромно. Гидросфера и атмосфера возникли на ранней стадии формирования планеты. Гидросфера и атмосфера - это основные оболочки биосферы.

Биосфера занимает особое место среди сообщества оболочек Земли. Она захватывает верхний слой литосферы, почти всю гидросферу и нижние слои атмосферы. Под биосферой понималась совокупность заселяющей поверхность планеты живой материи вместе со средой обитания. Значимость этой системы выходит за пределы чисто земного мира, она представляет собой звено космического масштаба.

Атмосфера Земли кардинально отличается от атмосфер других планет: в ней низкое содержание углекислого газа, высоко содержание молекулярного кислорода и относительно велико содержание паров воды. Две причины создают выделенность атмосферы Земли: вода океанов и морей хорошо поглощает углекислый газ, а биосфера насыщает атмосферу молекулярным кислородом, образующимся в процессе растительного фотосинтеза. Расчеты показывают, что если освободить всю поглощенную и связанную в океанах углекислоту, убрав одновременно из атмосферы весь накопленный в результате жизнедеятельности растений кислород, то состав земной атмосферы в своих основных чертах стал бы подобен составу атмосфер Венеры и Марса.

Атмосфера состоит из нескольких слоев. Нижний слой - тропосфера. Над разными широтами земли толщина ее разная. Выше тропосферы - тропопауза с постоянной низкой температурой. Выше нее стратосфера до высоты 50 километров. Мезосфера 55-80 километров. Термосфера 80-1000 километров. Экзосфера 1000-2000 километров. Следы газов обнаружены на высоте 20000 километров. Выше 600 километров преобладает гелий, а выше 1600 километров - водород.

В атмосфере Земли насыщенные водяные пары создают облачный слой, охватывающий значительную часть планеты. Облака Земли входят важнейшим элементом в круговорот воды, происходящий на нашей планете в системе гидросфера - атмосфера - суша.

Список используемой литературы

1. Бондарев В.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов вузов. - М.: Альфа-М, 2003. - 464 с.

2. Горохов В.Г. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. - М.: ИНФРА-М, 2003. - 412 с.

3. Игнатова В.А. Естествознание: Учебное пособие. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. - 254 с.

4. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. - М.: Академический проект, 2000. Изд. 2-е, испр. и доп. - 639 с.

5. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов / Под ред. проф. В.Н. Лавриненко, проф. В.П. Ратникова. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - 303 с.

6. Стрельников О.Н. Концепции современного естествознания: Краткий курс лекций. - М.: Юрайт-Издат, 2003. - 221 с.

7. Тимофеева С.С., Медведева С.А., Ларионова Е.Ю. Основы современного естествознания и экологии. - Ростов-на-Дону: «Феникс», 2004. - 384 с. - (Серия «Учебники, учебные пособия»).

8. Хорошавина С.Г. Концепции современного естествознания. Курс лекций. - Ростов н/Д.: «Феникс», 2003. - 480 с.

Подобные документы

Гидросфера – водная оболочка Земли. Распределение водных масс в гидросфере. Ее роль в поддержании относительно неизменного климата планеты. Экологическая угроза. Использование, загрязнение и охрана водных ресурсов. Водопользователи и водопотребители.

реферат , добавлен 24.06.2008


Гипотезы происхождения Земли, их сущность, обоснование и развитие. Особенности процесса формирования внутренних оболочек Земли в процессе ее геологической эволюции, их структура. Возникновение атмосферы и гидросферы Земли и их роль в появлении жизни.

реферат , добавлен 16.03.2011


Ознакомление с идеями Вернадского о биосфере и ее связи с концепцией пространства. Характеристика газовой (атмосфера), водной (гидросфера) и верхней твердой (литосфера) оболочек Земли. Рассмотрение принципов круговорота воды, углерода, кислорода, азота.

презентация , добавлен 01.03.2010


Понятие о гидросфере и литосфере. Атмосфера как воздушная оболочка планеты, её состав. Внутреннее строение Земли. Распределение воды в гидросфере. Роль озонового слоя в атмосфере. Грунтовые и подземные воды. Биосфера как область распространения жизни.

презентация , добавлен 18.10.2015


Понятие круговорота воды в природе и его роль в природе. Сферы Земли и состав гидросферы. Что из себя представляет водная оболочка Земли. Из чего складывается круговорот веществ. Понятие испарения и конденсации. Составляющие годового поступления воды.

презентация , добавлен 09.02.2012


Гидросфера и атмосфера, их функции и особенности взаимодействия. Осуществление круговорота химических элементов как главная задача биосферы. Сущность глобального биотического круговорота, его осуществление при участии всех населяющих планету организмов.

реферат , добавлен 19.09.2014


Становление Земли как планеты, происходящие процессы и их обоснование. Биогеохимическая эволюция состава атмосферы и жизнедеятельности организмов в массообмене газов. Значение атмосферного массопереноса водорастворимых форм химических элементов.

курсовая работа , добавлен 23.08.2009


Общие сведения о Земле. Вопрос ранней эволюции Земли. Атмосфера и гидросфера. Геологическая временная шкала истории Земли, применяемая в геологии и палеонтологии. Химический состав литосферы. Будущее нашей планеты. Биологические и геологические изменения.

реферат , добавлен 21.12.2013


Характеристика основных теорий происхождения Земли: гипотеза Канта-Лапласа и теория Большого Взрыва. Сущность современных теорий эволюции Земли. Образование Солнечной системы, возникновение условий для жизни. Возникновение гидросферы и атмосферы.

контрольная работа , добавлен 26.01.2011


Характеристика понятия гидросферы как совокупности всех водных запасов планеты Земля. Определение границ гидросферы и характеристика физических и химических свойств вод. Циркуляция вод в разных климатических условиях. Структура атмосферы и её циркуляция.

Атмосфера возникла в начальные периоды формирования земной коры. Существуют две гипотезы ее образования. В первой атмосфера рассматривается как производная первичного материала, оставшегося от упрощенных флюидов, которые когда-то обрамляли расплавленную Землю. По второй гипотезе, атмосфера рассматривается как вторичное образование, возникшее при освобождении свободных химических элементов и соединений из лавы, извергавшейся на земную поверхность. Благодаря этой лаве была создана первичная земная кора. Большинство ученых придерживаются второй гипотезы происхождения атмосферы, считая, что в противном случае любая первичная атмосфера на ранней стадии развития Земли была бы сравнительно быстро ей утеряна.

Таким образом, условно можно считать, что источником веществ, составляющих первичную атмосферу, служили продукты выплавления горных пород земной коры, мантии и ядра. Считается, что она была бескислородной. Крупнейший американский геохимик Г. Юри высказал мнение, что атмосфера могла состоять из смеси водяного пара, водорода, метана, аммиака и сернистого водорода. Английский геохимик П. Клауд считает, что в ранней атмосфере преобладали вода, углекислый газ, окись углерода, азот, хлористый водород, водород и сера. Следовательно, атмосфера состояла только из летучих и легких газообразных веществ, которые в момент формирования Земли входили в состав твердых веществ. Свободной воды не существовало, она была связана в гидроокислах, азот - в нитридах и, возможно, в нитритах, кислород - в окислах металлов, углерод - в карбидах и карбонатитах и т. д.

Увеличение мощности атмосферы и возникновение гидросферы объясняется освобождением из пород верхней мантии при интенсивных вулканических процессах водяного пара и газов. Действительно, газы, выделяющиеся при извержении современных вулканов, содержат большое количество водяного пара. Например, при извержении вулканов гавайского типа * в газах при температуре 1000-1200°С содержится около 80% воды и менее 6% углекислого газа. Встречается также значительное количество хлора (40%), метана (до 3-5%) и аммиак. Из лав при высокой температуре, кроме водяного пара, выделяются такие соединения, как борная, соляная и фтористая кислоты, сероводород и др.

* (Вулканы гавайского типа характеризуются излиянием базальтовой подвижной магмы, бедной газами; застывание происходит медленно. )

Основываясь на химическом анализе газовых пузырьков в кварцитах катархейского и архейского возраста, советский литолог Ю. П. Казанский попытался определить состав древней атмосферы. По его мнению, в архее и катархее атмосфера имела азотно-аммиачно-углекислый состав. В ней кроме преобладающего углекислого газа (до 60%) находились азот, сероводород, аммиак, серный газ, пары соляной и фтористой кислот. Первичная атмосфера была довольно разреженной, ее температура у земной поверхности мало отличалась от температуры так называемого лучистого равновесии * . Сравнительно низкая температура способствовала конденсации водяного пара из вулканических газов. Таким образом водяной пар превращался в жидкость, которая, заняв пониженные участки, дала начало формированию гидросферы.

* (Температура лучистого равновесия определяется отношением величины потока солнечного тепла, поглощенного поверхностью, к величине потока уходящего (отраженного) излучения земной поверхности. Последняя пропорциональна четвертой степени температуры этой поверхности. )

Доказательством наличия гидросферы не только в архее, но и даже в катархее является обнаружение на Земле древнейших осадочных пород в Гренландии и Южной Африке, возраст которых оценивается в 3,8 млрд. лет. Причем надо отметить, что это возраст метаморфизма, а, следовательно, время их образования, должен быть еще более ранним.

При описании состава первичного океана необходимо остановиться на двух источниках привноса растворенных соединений. С одной стороны, это растворенные в воде атмосферные газы, а с другой - соли и соединения, входящие в состав горных пород, обнаженных на земной поверхности в пределах древних первичных континентов. Перешедшие из атмосферы в воды океана угольная и другие кислоты, сера, сероводород и аммиак создавали высокую кислотность древнейших океанических вод. Высокая агрессивность природных вод способствовала интенсивному разложению обнаженных на земной поверхности вулканических горных пород и усиленному извлечению из них щелочей и щелочноземельных элементов и соединений. Со временем доля последних возросла, одновременно с этим снизилась кислотность океанических вод и сравнительно быстро установилось кислотно-щелочное равновесие.

"Все анионы морской воды возникли в результате дегазации мантии, т. е. удаления из нее газов, а катионы - при выветривании горных пород", - таков один из основных тезисов известного геохимика, академика А. П. Виноградова. Действительно, содержание в морской воде таких анионов, как хлор и бром, в десятки и сотни раз превышает их количество в горных породах. Следовательно, они могли возникнуть только в результате дегазации мантии. Исходя из этого можно предположить, что соленость первичного океана должна была быть близкой к современной, хотя содержание катионов могло сильно отличаться и приближалось к современному только по мере возрастающего разрушения и растворения горных пород первичных континентов.

Об отсутствии кислорода в древней атмосфере и океане свидетельствует наличие в большом количестве не только в изверженных, но и в осадочных горных породах элементов и соединений, не подвергшихся окислению. Так, например, в катархейских карбонатных породах имеется много неизмененных зерен пирита и уранинита и отсутствует окисленная сера. Все эти породы характеризуются большой величиной отношения закисного железа к окисному.

Ввиду того, что свободного кислорода в атмосфере длительное время не было, озоновый экран отсутствовал. Атмосфера легко пропускала ультрафиолетовое излучение Солнца. В таких условиях не могло быть и речи о возможном существовании каких-либо живых организмов на суше. Под воздействием ультрафиолетового излучения в водах морей и океанов начали образовываться сложные органические соединения вплоть до аминокислот. Этому, возможно, содействовала и относительно высокая температура земной поверхности, так как насыщенность атмосферы углекислотой способствовала задержке теплового излучения.

Свободный кислород первоначально расходовался на окисление аммиака, и при этом выделялся свободный азот. Метан и окись углерода окислялись до углекислоты, основная часть которой уходила в океан. Сера и сероводород окислялись до сернистого и серного ангидрита. В океане осаждались карбонатные и сульфатно-карбонатные осадки, а морская вода становилась хлоридно-карбонатно-сульфатной.

Появление гидросферы и атмосферы было весьма важным качественным рубежом в истории Земли. Их развитие усложнило и дифференцировало процессы, протекающие в древнейшей географической оболочке. Земная кора, гидросфера и атмосфера вступили в сложные взаимоотношения путем обмена энергии и веществ. Активно происходили процессы преобразования горных пород на земной поверхности. В бескислородной атмосфере процесс выветривания протекал весьма своеобразно в обстановке повышенных температур и высокой кислотности природных вод и атмосферы.

Только в раннем протерозое, по мнению Ю. П. Казанского, атмосфера стала кислородно-азотно-углекислой. Подтверждением этого является наличие не только мощных толщ джеспилитов, т. е. пород, состоящих из кварца и окисного железа - гематита, но и разнообразных красноцветных пород, пигментирующее вещество которых состоит из окисного железа. Эти породы могли образоваться только при наличии в атмосфере свободного кислорода. Однако наряду с окислительными обстановками в протерозое существовали и восстановительные условия.

Главнейшими газами атмосферы были углекислый газ, аммиак, азот, а сопутствующими - кислород, серный ангидрит, сероводород, пары соляной и фтористой кислот, метан. По сравнению с археем общее количество кислот сильно снизилось. Тенденция к снижению паров кислот, метана, соединений серы и аммиака существовала на протяжении всего протерозойского времени. Одновременно общее количество азота в атмосфере продолжало увеличиваться.

Имеется и другая точка зрения по поводу появления свободного кислорода в атмосфере. По расчетам Л. Беркнера и Я. Маршалла, его содержание в атмосфере в одну тысячную долю от современного (так называемая точка Юри) было достигнуто примерно 1,2 млрд. лет назад, т. е. в середине рифея. С этим выводом хорошо согласуются многие палеонтологические и геохимические материалы.

Наличие свободного кислорода, пусть даже в небольших количествах, благоприятствовало появлению организмов, потребляющих кислород, остатки которых найдены в породах протерозоя.

Критическим уровнем содержания свободного кислорода в биологическом отношении является так называемая точка Пастера, когда количество кислорода в атмосфере составляло одну сотую от современной и организмы взамен анаэробного брожения стали пользоваться более эффективным потреблением энергии - окислением при дыхании. По расчетам Л. Беркнера и Л. Маршалла, данный уровень был достигнут около 600 млн. лет назад. В это время произошел экологический взрыв - массовое распространение животных почти всех известных в настоящее время типов.

С изменением содержания кислорода в древней атмосфере тесно связано количество углекислоты. Углекислый газ попал в атмосферу, а затем в гидросферу, являясь продуктом дегазации мантии. Он возник в результате взаимодействия гранита с водой при высоких температурах, разложении карбидов, высокотемпературной диссоциации карбонатитов, а также путем окисления метана и, главное, как продукт, выделяющийся при вулканических извержениях.

Углекислый газ удалялся из атмосферы и гидросферы благодаря химическим реакциям (образование карбонатов) или биологическим путем, когда огромные массы его расходовались на образование скелетов организмов.

Так, в катархее и архее карбонатных пород известно очень мало. Только в раннем протерозое, когда в атмосфере появился кислород, а океаническая вода стала хлоридно-карбонатной, их объем стал увеличиваться. Большое содержание углекислого газа в морской воде и высокий щелочной резерв последней обеспечивали образование мощных известково-доломитовых и доломитовых толщ.

В конце протерозоя количество растворенного в морской воде углекислого газа и его концентрация в атмосфере уменьшились, однако все это связано с усилением поглощения углекислого газа водорослями в процессе фотосинтеза. Морская вода приобрела хлоридно-сульфатный характер, и среда стала нейтральной, что, по-видимому, привело к появлению твердого скелета у организмов.

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 льда

располагается на

суше -

образом, в Антарктиде и

Гренландии. Общая масса его

около 2,42*1022 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

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.

Статьи и публикации:

Регуляция процесса переключения классов
Процесс переключения классов происходит в перовых бляшках, главным образом в куполах, при участии дендритных клеток и Тh-лимфоцитов. Кажется, что ключевую роль в этом процессе относительно синтеза IgA играет цитокинин TGF-β. Переключ...

Популяция, как элементарная единица эволюционного процесса
Наименьшая эволюционная единица, в которой проходят микроэволюционные процессы, - популяция. Материалом для естественного отбора служат, как правило, очень мелкие, дискретные единицы наследственности мутации. На популяцию оказывают давлени...