Земные сферы

Планета Земля состоит из литосферы (твердое тело), атмосферы (воздушная оболочка), гидросферы (водная оболочка) и биосферы (сфера распространения живых организмов). Между этими сферами Земли существует тесная взаимосвязь, обусловленная круговоротом веществ и энергии.

Литосфера. Земля представляет собой несколько сплюснутый у полюсов шар, или сфероид, с длиной окружности по экватору около 40 000 км.

В строении земного шара выделяют следующие оболочки, или геосферы: собственно литосферу (наружную каменную оболочку) мощностью около 50...120 км, мантию, простирающуюся до глубины 2900 км и ядро — от 2900 до 3680 км.

По наиболее распространенным химическим элементам, входящим в состав оболочки Земли, ее делят на верхнюю — сиаллитную, которая распространяется до глубины 60 км и имеет плотность 2,8...2,9 г/см, и симатическую, простирающуюся до глубины 1200 км и имеющую плотность 3,0...3,5 г/см³. Названия «сиаллитная» (сиал) и «симатическая» (сима) оболочки произошли от обозначений элементов Si (кремний), Аl (алюминий) и Mg (магний).

На глубине от 1200 до 2900 км находится промежуточная сфера, имеющая плотность 4,0...6,0 г/см³. Эту оболочку называют «рудной», так как в ней в большом количестве содержатся железо и другие тяжелые металлы.

Глубже 2900 км находится ядро земного шара радиусом около 3500 км. Ядро состоит в основном из никеля и железа и имеет большую плотность (10...12 г/см³).

По физическим свойствам земная кора неоднородна, ее подразделяют на континентальный и океанический типы. Средняя мощность континентальной земной коры составляет 35...45 км, максимальная — до 75 км (под горными массивами). В верхней части ее залегают осадочные породы мощностью до 15 км. Эти породы образовались в течение длительных геологических периодов в результате смены морей сушей, изменения климата. Под осадочными породами располагается гранитный слой мощностью в среднем 20...40 км. Наибольшая мощность этого слоя в районах молодых гор, к периферии материка она уменьшается, а под океанами гранитный слой отсутствует. Под гранитным слоем находится базальтовый слой мощностью 15...35 км, он сложен базальтами и сходными с ними породами.

Океаническая земная кора имеет меньшую мощность, чем континентальная (от 5 до 15 км). Верхние слои (2...5 км) состоят из осадочных пород, а нижние (5... 10 км) — из базальта.

Материальной основой почвообразования служат осадочные породы, находящиеся на поверхности земной коры, небольшое участие в образовании почв принимают магматические и метаморфические породы.

Основную массу горных пород образуют кислород, кремний и алюминий (84,05 %). Если к этим трем элементам прибавить еще пять — железо, кальций, натрий, калий и магний, то в сумме они составят 98,87 % массы пород. На остальные 88 элементов приходится немногим более 1 % массы литосферы. Однако несмотря на малое содержание микро- и ультрамикроэлементов в породах и почвах, многие из них имеют большое значение для нормального роста и развития всех организмов. В настоящее время большое внимание уделяется содержанию в почве микроэлементов как в связи с их значением в питании растений, так и в связи с проблемами охраны почв от химического загрязнения. Состав элементов в почвах в основном зависит от их состава в горных породах. Однако содержание некоторых элементов в горных породах и образовавшихся на них почвах несколько изменяется. Это связано как с концентрацией элементов питания, так и с ходом почвообразовательного процесса, при котором происходит относительная убыль ряда оснований и кремнезема. Так, в почвах содержится больше, чем в литосфере, кислорода (соответственно 55 и 47 %), водорода (5 и 0,15 %), углерода (5 и 0,1 % ), азота (0,1 и 0,023 %).

Атмосфера. Граница атмосферы проходит там, где сила земного притяжения компенсируется центробежной силой инерции, обусловленной вращением Земли. Над полюсами она расположена на высоте примерно 28 тыс. км, а над экватором — 42 тыс. км.

Атмосфера состоит из смеси различных газов: азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), аргона (0,93 %) и диоксида углерода (0,03 % по объему). В состав воздуха также входят в небольшом количестве гелий, неон, ксенон, криптон, водород, озон и др., которые в общей сложности составляют около 0,01 %. Кроме того, в воздухе содержатся водяные пары и некоторое количество пыли.

Атмосфера состоит из пяти основных оболочек: тропосферы, стратосферы, мезосферы, ионосферы, экзосферы.

Тропосфера — нижний слой атмосферы, имеет толщину над полюсами 8...10км, в умеренных широтах — 10...12 км, а в экваториальных широтах — 16...18 км. В тропосфере сосредоточено около 80 % массы атмосферы. Здесь находится почти весь водяной пар атмосферы, формируются осадки и происходит горизонтальное и вертикальное перемещение воздуха.

Стратосфера распространяется от 8... 16 до 40...45 км. Она включает около 20 % атмосферы, водяной пар в ней почти отсутствует. В стратосфере имеется слой озона, который поглощает ультрафиолетовое излучение солнца и защищает от гибели живые организмы на Земле.

Мезосфера простирается на высоте от 40 до 80 км. Плотность воздуха в этом слое в 200 раз меньше, чем у земной поверхности.

Ионосфера располагается на высоте 80 км и состоит в основном из заряженных (ионизированных) атомов кислорода, заряженных молекул оксида азота и свободных электронов.

Экзосфера представляет собой внешние слои атмосферы и начинается с высоты 800...1000 км от поверхности Земли. Эти слои еще называют сферой рассеяния, так как здесь частицы газов движутся с большой скоростью и могут ускользать в космическое пространство.

Атмосфера — это один из незаменимых факторов жизни на Земле. Солнечные лучи, проходя через атмосферу, рассеиваются, а также частично поглощаются и отражаются. Особенно сильно поглощают тепловые лучи водяной пар и диоксид углерода. Под действием солнечной энергии происходит перемещение воздушных масс, формируется климат. Выпадающие из атмосферы осадки являются фактором почвообразования и источником жизни растительных и животных организмов. Содержащийся в атмосфере диоксид углерода в процессе фотосинтеза зеленых растений превращается в органическое вещество, а кислород служит для дыхания организмов и окислительных процессов, происходящих в них. Велико значение азота атмосферы, который улавливается азотофиксирующими микроорганизмами, служит элементом питания растений и участвует в образовании белковых веществ.

Под действием атмосферного воздуха происходят выветривание горных пород и минералов и почвообразовательные процессы.

Гидросфера. Большую часть поверхности земного шара занимает Мировой океан, который вместе с озерами, реками и другими водоемами, располагающимися на земной поверхности, занимает 5/8 ее площади. Все воды Земли, находящиеся в океанах, морях, реках, озерах, болотах, а также подземные воды составляют гидросферу. Из 510 млн км² поверхности Земли 361 млн. км² (71%) приходится на Мировой океан и только 149 млн. км² (29 %) — на сушу.

Поверхностные воды суши вместе с ледниковыми составляют около 25 млн км³, то есть в 55 раз меньше объема Мирового океана. В озерах сосредоточено около 280 тыс. км³ воды, примерно половина приходится на пресные озера, а вторая половина — на озера с водами различной степени засоленности. В реках содержится всего лишь 1,2 тыс. км³, то есть менее 0,0001 % общего запаса воды.

По содержанию солей подземные воды сильно различаются. Они бывают чистейшими пресными водами и крепкими рассолами, содержащими более 250 г солей в 1 л воды.

Воды открытых водоемов находятся в постоянном круговороте, что связывает все части гидросферы с литосферой, атмосферой и биосферой.

Атмосферная влага активно участвует в водообмене, при объеме в 14 тыс. км³ она образует 525 тыс. км³ осадков, выпадающих на Землю, а смена всего объема атмосферной влаги происходит каждые 10 сут, или 36 раз в течение года.

Испарение воды и конденсация атмосферной влаги обеспечивают наличие пресной воды на Земле. С поверхности океанов ежегодно испаряется около 453 тыс. км³ воды.

Без воды наша планета представляла бы собой голый каменный шар, лишенный почвы и растительности. Миллионы лет вода разрушала горные породы, превращая их в рухляк, а с появлением растительности и животных способствовала процессу почвообразования.

Биосфера. В состав биосферы входят поверхность суши, нижние слои атмосферы и вся гидросфера, в которых распространены живые организмы. Согласно учению В. И. Вернадского, под биосферой понимают оболочку Земли, состав, структура и энергетика которой обусловлены деятельностью живых организмов. В. И. Вернадский указывал, что «на земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, поэтому более могущественной, чем живые организмы, взятые в целом». Жизнь в биосфере развивается в виде исключительного разнообразия организмов, населяющих почву, нижние слои атмосферы и гидросферу. Благодаря фотосинтезу зеленых растений в биосфере аккумулируется солнечная энергия в форме органических соединений. Вся совокупность живых организмов обеспечивает миграцию химических элементов в почвах, в атмосфере и гидросфере. Под действием живых организмов в почвах происходят газообмен, окислительные и восстановительные реакции. С газообменной функцией организмов связано происхождение атмосферы в целом. В процессе фотосинтеза в атмосфере произошло образование и накопление свободного кислорода.

Под влиянием деятельности организмов осуществляются выветривание горных пород и развитие почвообразовательных процессов. Почвенные бактерии участвуют в процессах десульфофикации и денитрификации с образованием сероводорода, сернистых соединений, оксида N(II), метана и водорода. Построение растительных тканей происходит благодаря избирательному поглощению биогенных элементов растениями. После отмирания растений эти элементы накапливаются в верхних горизонтах почвы.

В биосфере протекают два противоположных по своей направленности круговорота веществ и энергии.

Большой, или геологический, круговорот происходит под влиянием солнечной энергии. В круговорот воды вовлекаются химические элементы суши, которые поступают в реки, моря и океаны, где они откладываются вместе с осадочными породами. Это безвозвратная потеря из почвы важнейших элементов питания растений (азота, фосфора, калия, кальция, магния, серы), а также микроэлементов.

Малый, или биологический, круговорот происходит в системе почва — растения — почва, при этом из геологического круговорота изымаются элементы питания растений и сохраняются в гумусе. При биологическом круговороте происходят циклы, связанные с кислородом, углеродом, азотом, фосфором и водородом, которые непрерывно циркулируют в растениях и окружающей среде. Часть из них изымается из биологического круговорота и под действием геохимических процессов переходит в осадочные породы или переносится в океан. Задача земледелия заключается в создании таких агротехнических систем, в которых биогенные элементы не поступали бы в геологический круговорот, а закреплялись в биологическом круговороте, поддерживая почвенное плодородие.

Биосфера состоит из биоценозов, представляющих собой однородную территорию с однотипным растительным сообществом вместе с населяющим ее животным миром, включая микроорганизмы. Биогеоценоз характеризуется свойственными для него почвами, водным режимом, микроклиматом и рельефом. Естественный биогеоценоз относительно устойчив, для него характерна саморегулирующая способность. Виды, входящие в биогеоценоз, приспосабливаются друг к другу и окружающей среде. Это сложный относительно устойчивый механизм, способный путем саморегулирования противостоять изменениям в среде. Если изменения в биогеоценозах превышают их саморегулирующую способность, то может наступить необратимая деградация этой экологической системы.

Сельскохозяйственные земли являются искусственно организованными биогеоценозами (агробиоценозы). Эффективное и рациональное использование агробиоценозов, их устойчивость и продуктивность зависят от правильной организации территории, системы земледелия и других социально-экономических мероприятий. Для обеспечения оптимального воздействия на почвы и растения необходимо знать все взаимосвязи в биогеоценозе и не нарушать экологическое равновесие, сложившееся в нем.