Основы общего учения о биосфере

Образование, эволюция и особенности планеты Земля

Земля является частью Солнечной системы. Она удалена от Солнца в среднем на 149, 6 млн км и обращается вокруг него за период, равный 365, 25 средних солнечных суток. Перигелий Земли — 147 млн км, афелии — 152 млн км. Земной эллипсоид вращение имеет следующие параметры: ра­диус экватора - 6378, 160 км, полярный радиус - 6356, 777 км, средний ра­диус Земли - 6371, 032 км, длина окружности по меридиану - 40008, 55 км, площадь поверхности- 510, 2 млн км², объем— 1, 083-10 км, масса-5976-10²¹ кг, средняя плотность — 5518 кг/м³.

Отто Юльевнч Шмидт (1891—1956)

Земля, по теории происхождения планет, разработанной академиком О.Ю. Шмидтом, образовалась из сгустков (сформировавшихся под воздей­ствием взрыва сверхновой) протосолнечного облака, путем аккумуляции твердого рассеянного пылегазового вещества, что обусловило ее неоднород­ную (агломератовую) структуру. Постепенно слагающие такое облако мель­чайшие частицы и метеориты различных размеров объединялись в астерои­ды, которые затем падали на еще более крупные объекты — на образующуюся Землю.

Соударение крупных космических тел обеспечило имеющийся наклон оси вращения нашей планеты. Так, при существующем сейчас угле наклона земной оси, равном 23, 5°, массы наибольших тел, падающих на Землю при ее образовании, достигали 1/1000 массы нашей планеты. Следовательно, их поперечник мог доходить до 1000 км. Представление о масштабе столкнове­ния Земли с подобным объектом (к тому же перемещающимся со скоростью 11 км/с) дают гигантские размеры лунных кратеров и морей. Выделившейся при таком ударе энергии достаточно, чтобы нагреть на сотни градусов слой земной коры толщиной, превышающей поперечник упавшего тела.

Заметная часть энергии падения таких гигантских космических тел оста­валась внутри Земли и в результате способствовала разогреву ее недр на температуру свыше 1000°С. В условиях имеющегося вращения неоднород­ная агломератовая структура Земли не соответствовала закону минимума момента количества ее движения. Оптимизация энергии обусловлена при­обретением планегарного тела сферичности и дифференциацией вещества по плотности.

В результате вращения сферичность космического объекта достигается в интервале масс 2-10¹⁶—2-10¹⁹ г, а выделение геосфер осуществляется за счет внутренних и внешних источников энергии. Это в первую очередь ра­зогрев от процессов аккреции и метеоритной бомбардировки. Далее тепло­вой вклад вносят процессы радиоактивного распада короткоживущих (А1²⁶, J¹²⁹) и долгоживущих (U²³⁵, U²³⁸, Rb⁸⁷, К⁴⁰, Re¹⁸⁷, Th²³² и др.) изотопов. И, наконец, за счет энергии воздействия близких и особенно массивных спут­ников (приливное влияние и воздействие на ось вращения Земли) с диссипа­цией тепла во внутренние зоны планеты.

Формирование Земли (космическая стадия эволюции), сопровождаю­щееся падением астероидов и метеоритов, продолжалось около 100 млн лет (~ 4 % от всего времени существования нашей планеты). В этот период про­исходила интенсивная отдача тепла в Мировое космическое пространство, вследствие чего температура на земной поверхности понижалась, и насту­пил момент, когда выделявшиеся из ее недр водяные пары смогли конден­сироваться в жидкую воду.

С этого момента начинается геологическая стадия развития Земли. Про­исходящие в этот период на нашей планете процессы можно подразделить на два типа. С одной стороны, это подземные вулканические и иные силы, приводящие к излиянию лав и подъему (или опусканию) земной коры, что примерно 3, 8 млрд лет назад привело к разделению мантии Земли на более легкие или плотные компоненты.

С другой стороны, это процессы разрушения, эрозии горных пород, их переноса водами и ветром. Пока вода на Земле была только в связанном или парообразном состоянии, переноса горных пород практически не происхо­дило, что наблюдается в настоящее время на поверхности Луны. Вулкани­ческие горы еще не размывались, а пониженные между ними места не за­полнялись осадками. Только с появлением на Земле жидкой воды впервые возникли осадочные породы, отлагающиеся в неглубоких морских водоемах. В результате поверхность нашей планеты стала более ровной, так как высо­кие вулканы со временем разрушались и постепенно исчезали с земной по­верхности, а впадины заполнялись осадками.

Сравнительный анализ планетоидов (планет, их спутников и астерои­дов, имеющих сферическую форму) показывает определенную идентичность в их строении. Все они имеют сферично-слоистую структуру, включающую ядро, мантию и литосферу, а в некоторых случаях — атмосферу с магнито­сферой. Распределение сферических слоев строго подчинено закону мини­мума момента количества их движения в условиях вращения. Поэтому в центре любого планетоида располагаются наиболее плотные породы, состав­ляющие ядро, а по мере продвижения к периферии наблюдается разуплот­нение, а также выделение различных химических элементов и их соедине­ний. По-видимому, сценарий дифференциации и структурирования веще­ства на всех планетоидах одинаков, а вот степень их завершенности зависит от запасов внутренней и притока внешней энергии.

3-2 млрд лет назад земная кора уже остыла на всю глубину (20-40 км) и приобрела определенную хрупкость. В местах максимальных напряжений она начала трескаться. В результате возникли глубинные разломы, вдоль которых образовались прогибы (где накапливались многокилометровые тол­щи осадков).

В течение предыдущих периодов в земной коре, близ ее поверхности, накапливались такие элементы, как кремнезем, щелочи, кальций, создавал­ся гранитный слой, выделялась вода, большую часть которой, как губку, впитала в себя верхняя часть мантии. В результате возник мощный слой обводненных ультраосновных пород. Слагающие Землю химические эле­менты расположились в закономерной последовательности: вверху самые легкие, ниже — тяжелые и плотные, кремнезем, еще ниже — алюмосилика­ты и внизу — силикаты с высоким содержанием магния и железа.

Примерно 0, 5-0, 3 млрд лет назад Земля вступила в стадию эволюции, характеризующуюся уничтожением мощной континентальной коры и ее пре­вращением в тонкую (5-7 км) океаническую разновидность. Человечеству давно известна загадочная географическая особенность. Если сопоставить противоположные берега Атлантического океана, то нельзя не заметить со­впадения очертаний Восточного побережья Южной Америки и Западного побережья Африки. На основании этого факта и сходства ископаемых расте­ний в месторождениях каменного угля Северной Америки и Европы в нача­ле прошлого века была выдвинута гипотеза, что Северная и Южная Амери­ка в прошлом составляли единое целое с Европой и Азией. Впоследствии они откололись и начали дрейфовать. В настоящее время на этом предполо­жении разработана теория тектоники плит, которая предполагает, что фор­мирование океанов и дрейф материков начались значительно раньше — 1, 5-2 млрд лет назад. Поэтому слияние материков в один суперконтинет проис­ходило неоднократно, с периодичностью в 250-300 млн лет.

Океаническую стадию следует рассматривать как завершение гигант­ского мегацикла в истории Земли, длившегося 4-5 млрд лет: Тихий океан образовался ~ 1500 млн лет назад, Атлантический — 150-300, Индийский — 160, Северный Ледовитый — 30-40 млн лет назад. Главной особенностью процесса океанообразования является то, что он постепенно расширяется (со скоростью 1-15 см/год) и захватил к настоящему времени пространство, пре­вышающее суммарную площадь материков.

Биосферная стадия эволюции Земли началась с появлением и развити­ем на планете жизни, преобразующей другие ее оболочки.

Ископаемые остатки организмов были обнаружены в древнейших гор­ных породах. Так, в самых древних известных породах юго-запада Гренлан­дии (возраст 3, 76 млрд лет при возрасте Земли 4, 5-4, 6 млрд лет) найден уг­лерод, имеющий биогенное происхождение. Приблизительно этим же пери­одом датируются отложения железистых кварцитов. Следовательно, в это время под влиянием жизнедеятельности одноклеточных водорослей, разла­гающих углекислый газ, в морской воде уже появился кислород. 3, 5 млрд лет назад органический углерод составлял уже около 20 % содержания в экзогенной системе Земли. Возникновение почвенного покрова нашей пла­неты обусловлено выходом растений на сушу, произошедшим около 0, 5 млрд лет назад.

В дальнейшей эволюции Земли на появление биосферы и развитие ее структуры значительное влияние оказало гелиоцентрическое расстояние и расположение планеты. Температурный режим поверхности нашей плане­ты (без техногенной составляющей) зависит от внешнего источника — Солнца (99, 5 % всей энергии), а также притока внутреннего тепла (источником ко­торого служит распад радиоактивных минералов в гранитных породах). Уни­кальность Земли как планеты состоит в том, что она находится на един­ственно возможном расстоянии от Солнца (табл. 1.1), которое создает на ее поверхности температуру, обеспечивающую существование воды в жидком виде.

Другие параметры орбиты Земли обусловили бы резкое изменение ха­рактеристик окружающих ее оболочек — газовой (атмосферы), водной (гид­росферы) и твердой (литосферы). Если Землю мысленно переместить на орбиту Венеры, то из-за так называемого необратимого (убегающего) пар­никового эффекта ее водная оболочка исчезла бы в кратчайшие сроки.

Таблица 1.1 Основные характеристики некоторых планет Солнечной системы

Парниковый эффект в плотных атмосферах планет (Земли, Венеры и др.) представляет собой нагрев внутренних слоев воздуха, обусловленный их прозрачностью для основной части излучения Солнца (в оптическом ди­апазоне) и поглощением инфракрасной части теплового излучения поверх­ностью планеты.

Парниковый эффект повышает среднюю температуру планеты. Убега­ющий парниковый эффект представляет собой замкнутый цикл, состоящий в том, например, что при уменьшении гелиоцентрического расстояния про­исходит повышение температуры поверхности планеты. Это приводит к до­полнительному испарению воды (рек, морей и океана), что вследствие по­глощения водяным паром инфракрасного (длинноволнового) излучения вле­чет за собой еще большее повышение температуры поверхности планеты, и, следовательно, увеличение испарения вод и т.д. Если окажется, что рост температуры внутренних слоев атмосферы планеты из-за парникового эф­фекта опережает ее понижение вследствие конденсации, то выпадение осад­ков прекращается, а вода (пар) диссоциирует (под действием ультрафиоле­тового облучения) на кислород и водород. Кислород может вступить во вза­имодействие с планетной корой, а наилегчайший из газов — водород навсег­да покинет планету. Именно такой оформилась атмосфера Венеры (табл. 1.2), и поэтому вероятность обнаружить на ней жизнь в традиционной, зем­ной форме мала.

Таблица 1.2 Основные компоненты планетных атмосфер, %

Если Землю мысленно переместить на орбиту Марса, то там могла бы зародиться жизнь, пройти несколько стадий эволюции, а впоследствии угас­нуть (если допустить, что перемена климата до существующих показателей происходила под действием парникового эффекта, но уже в ослабленном его состоянии). Так, в грунте с Марса были обнаружены микрофоссилии, т.е. следы древних микроорганизмов. Вполне реальны надежды найти сле­ды биосфер на ряде крупных спутников планет внешней группы, в частно­сти, на Титане — спутнике Сатурна.

Как же распределяется солнечная энергия, достигшая поверхности Зем­ли? Лучистая энергия, получаемая поверхностью Земли от Солнца, состав­ляет примерно 1, 2-Ю¹⁷ Дж. Средний приход энергии от Солнца в умерен­ных широтах равен 48-61 тыс. ГДж/га в год. Так, в степные районы Север­ной Осетии (Моздокский административный район) годовой приход солнеч­ной радиации составляет 50-55 ккал/см² (1 калория— это количество энер­гии, позволяющей нагреть 1 г воды на 1 °С), а в лесолуговой зоне — 40-45 ккал/см². При ее поглощении активной поверхностью Земли она преоб­разуется в тепловую. Около 35 % отражается обратно в космос облаками, пылью и другими веществами, находящимися в атмосфере, а также соб­ственно поверхностью Земли (рис. 1.1).

Незначительная доля солнечной энергии улавливается земными расте­ниями и участвует в процессе фотосинтеза (~ 0, 003 %) при образовании орга­нических соединений, необходимых для жизнедеятельности живого веще­ства. Остальная часть (— 65 %) идет на нагревание атмосферы, суши и гид­росферы, испарение и обеспечение перераспределения вещества в биосфере (рис. 1.2).

Поверхность океана теряет больше энергии, чем получает от Солнца. Это объясняется тем, что значительная часть излучения от поверхности оке­ана поглощается облаками и водяным паром атмосферы, а затем переизлу-

Рис. 1.1. Отражение и поглощение солнечной энергии

Рис. 1.2. Механизм перераспределения солнечной энергии на Земле (стрелки символизируют потоки энергии)

чается обратно. Такое переизлучение происходит в инфракрасной части спек­тра, т.е. в виде длинноволнового излучения.

Согласно расчетам российских ученых примерно 3 % подходящего к Земле излучения поглощается озоновым слоем. Если за счет снижения концентра­ции озона эта величина уменьшится до 2%, что ожидается в 20-х гг. третье­го тысячелетия, то на Землю будет дополнительно попадать солнечное из­лучение мощностью примерно 14 Вт/м². При увеличении потока солнечной радиации на 1 Вт/см² средняя глобальная температура Т₀ возрастет на 0, 3-Г С. Таким образом, увеличение температуры составит 4-14^сС. В то же время при удвоении концентрации СОг Т₀ увеличится на 1-3, 3°С.