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

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

Образование гидросферы

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

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

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

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

Круговорот между резервуарами воды в гидросфере называется гидрологическим циклом.

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

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

Проблема происхождения воды и формирования гидросферы, несмотря на довольно высокий современный уровень развития наук о Земле, до сих пор является наименее разработанной. Существует множество гипотез происхождения воды и развития гидросферы, но ни одна из них не вышла из стадии рабочей гипотезы, накопления, предварительной систематизации и обобщения материалов.

Все гипотезы условно можно объединить в две большие группы:

1) теллурического происхождения;

2) космического происхождения воды.

Наиболее убедительными представляются гипотезы первой группы , согласно которым литосфера, атмосфера и гидросфера образовались в едином процессе, в результате выплавления и дегазации вещества мантии. По мнению А. П. Виноградова, в момент формирования Земли из протопланетного облака все элементы ее будущей атмосферы и гидросферы находились в связанном виде в составе твердых веществ: вода – в гидроокислах, азот – в нитритах и нитратах, кислород – в окислах металлов, углерод – в графитах, карбидах и карбонатах. Достигнув примерно современной массы, Земля стала разогреваться в результате гравитационного сжатия ее недр и за счет распада радиоактивных изотопов, и в мантии началось плавление и дифференциация вещества на летучие, легкоплавкие и тугоплавкие. Тугоплавкие вещества остались в недрах Земли, легкоплавкие в виде базальта образовали земную кору. Летучие вещества – водяной пар вулканических газов, соединения углерода, серы, аммиак, галоидные кислоты, водород, аргон и некоторые другие газы – поднялись на поверхность и образовали атмосферу и гидросферу. Причем, почти весь водяной пар конденсировался (температура над поверхностью Земли не превышала +15 °С), превратился в жидкую воду и тем самым сформировал «праокеаны». В первичный океан переходили, растворяясь в воде, также и другие составные части вулканических газов – большая доля углекислого газа, кислоты, соединения серы и часть аммиака. Кислоты, особенно в воде, реагировали с силикатами горных пород, извлекая из них щелочные, щелочноземельные и другие элементы. В результате вода переставала быть кислой, а растворимые соли извлеченных из силикатов элементов переходили в океан, поэтому вода в нем сразу же становилась соленой. Первичный океан, вероятно, был неглубоким, но покрывал почти всю Землю. С ростом массы гидросферы увеличивался и объем океана, изменялись его очертания, что было связано с формированием континентальной и океанической коры. С поверхности океана испарялась вода (пресная), которая, возвращаясь в виде дождей на земную поверхность, сформировала воды суши. Воды океана, суши и атмосферы составили единую земную оболочку – гидросферу. Это и определило одну из специфических особенностей Земли, отличающую ее от других планет Солнечной системы, – постоянное наличие на ней гидросферы.

2.2 Водные ресурсы планеты

Понятие «гидросфера» постоянно трансформировалось. В настоящее время гидросферой принято называть водную оболочку Земли, включающую всю несвязанную воду независимо от ее состояния: жидкую, твердую, газообразную.

Нижняя граница гидросферы принимается на уровне поверхности мантии (поверхности Мохоровичича), а верхняя проходит в верхних слоях атмосферы. Гидросфера включает в себя Мировой океан, воды суши (реки, озера, болота, ледники), атмосферную влагу, а также подземные воды, залегающие всюду на материках, на дне озерных и морских впадин и под толщей вечных льдов.

Таким образом, являясь частью географической оболочки, гидросфера охватывает весь комплекс земных оболочек. Гидросфера непрерывна, как непрерывны лито- и атмосфера, и едина. Ее единство заключается в общности происхождения всех природных вод из мантии Земли, в единстве их эволюции, взаимосвязи всех видов вод и способности перехода одного вида вод в другой, в единстве их функций в природе (обмен веществами и энергией).

Мировые запасы воды на Земле колоссальны. Общий объем гидросферы по последним данным (таблица 2.1) составляет около 1390 млн. км 3 . Если все воды гидросферы равномерно распределить по поверхности Земли, слой ее будет иметь толщину около 2,5 км.

Предполагается, что это количество воды в течение геологического времени практически остается неизменным, несмотря на продолжающее

Таблица 2.1 – Мировые запасы воды

Примечание. Расчет запасов подземных вод выполнен по отдельным континентам без учета запасов подземных вод в Антарктиде, ориентировочно оцениваемых в 2 млн. км 3 , в том числе преимущественно пресных – около 1млн. км 3 .

Рисунок 2.1 – Водные ресурсы Земли (·10 6 км 3), по

поступление воды из мантии и из Космоса (ледяные ядра комет, метеорное вещество, пыль...) и потери ее за счет разложения воды фотосинтезом и диссипации легких газов в Космосе. Однако соотношение отдельных ее видов, перечисленных в таблице 2.1, нельзя считать постоянным и абсолютно точным. Оно менялось в разные периоды жизни Земли. Имеющиеся в литературе данные о соотношении частей гидросферы несколько различаются (рисунок 2.1).

В современную эпоху основные запасы воды сосредоточены в Мировом океане (96,5 %). Пресных вод в гидросфере всего 2,58 % от общих запасов воды. Больше всего пресных вод содержится в ледниках и снежном покрове Антарктиды, Арктики и горных стран (1,78 % объема гидросферы или 69,3% от запасов пресных вод на Земле). Если весь лед равномерно распределить по поверхности земного шара, он покроет ее слоем в 53 м, а если растопить эти массы льда, то уровеньлед равномерно распределить по поверхности земного шара, он покроет ее слоем в 53 м, а если растопить эти массы льда, то уровень океана повысится на 64 м. Ледники занимают особое место в круговороте воды на Земле, т.к. они сохраняют влагу в твердом состоянии на много лет. В среднем, снежинка, выпавшая на ледник, покоится там более 8000 лет, прежде чем вновь превратится в воду и попадет в активный круговорот воды.

Громадные запасы воды аккумулированы в литосфере. Доля пресных подземных вод от общего запаса пресных вод на Земле составляет 29,4 %. На долю рек приходится 0,006 %, пресных озер – 0,25 %, на воду, содержащуюся в атмосфере, – 0,03 % общего количества пресных вод. На долю пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходится 4,2 млн. км 3 , или всего лишь 0,3 % объема гидросферы.

Интересен тот факт, что самым большим хранилищем поверхностных пресных вод является озеро Байкал, где содержится 1/5 всех мировых запасов поверхностных пресных вод мира. Сказанное можно подкрепить и другим примером. Если допустить, что запасы воды будут изъяты из озера, то заполнение освободившегося объема озера всеми впадающими реками произошло бы только за 250-300 лет при условии, что вода из озера не расходовалась бы на сток и испарение.

Важнейшие свойства воды

Вода – одно из самых удивительных соединений на Земле – давно уже поражает исследователей необычностью многих своих физических свойств:

1) Неисчерпаемость как вещества и природного ресурса; если все другие ресурсы земли уничтожаемы или рассеиваемы, то вода как бы ускользает от этого, принимая различные формы или состояния: кроме жидкой – твердую и газообразную. Это единственное вещество и ресурс такого типа. Это свойство обеспечивает вездесущность воды, она пронизывает всю географическую оболочку Земли и производит в ней разнообразную работу.

2) Присущее только ей расширение при затвердевании (замерзании) и уменьшение объема при плавлении (переходе в жидкое состояние).

3) Максимальная плотность при температуре +4 °С и связанные с этим весьма важные свойства для природных и биологических процессов, например исключение глубокого промерзания водоемов. Как правило, максимальная плотность физических тел наблюдается при температуре затвердевания. Максимальная плотность дистиллированной воды наблюдается в аномальных условиях – при температуре 3,98-4 °С (или округленно +4 °С), т. е. при температуре выше точки затвердевания (замерзания). При отклонении температуры воды от 4 °С в обе стороны плотность воды убывает.

4) При плавлении (таянии) лед плавает на поверхности воды (в отличие от других жидкостей).

5) Аномальное изменение плотности воды влечет за собой такое же аномальное изменение объема воды при нагревании: с возрастанием температуры от 0 до 4 °С объем нагреваемой воды уменьшается и только при дальнейшем возрастании начинает увеличиваться. Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность и объем воды изменялись так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до 0 °С и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0 °С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно, и водоем промерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает при 4 °С, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

6) Переход воды из одного состояния в другое сопровождается затратами (испарение, таяние) или выделением (конденсация, замерзание) соответствующего количества тепла. На таяние 1 г льда необходимо затратить 677 кал, на испарение 1 г воды – на 80 кал меньше. Высокая скрытая теплота плавления льда обеспечивает медленное таяние снега и льда.

7) Способность относительно легко переходить в газообразное состояние (испаряться) не только при положительных, но и при отрицательных температурах. В последнем случае испарение происходит минуя жидкую фазу – из твердой (льда, снега) сразу в парообразную. Такое явление носит название – сублимация.

8) Если сравнить температуру кипения и замерзания гидридов, образованных элементами шестой группы таблицы Менделеева (селена H 2 Se, теллура Н 2 Те) и воды (Н 2 О), то по аналогии с ними температура кипения воды должна быть порядка 60 °С, а температура замерзания – ниже 100° С. Но и здесь проявляются аномальные свойства воды – при нормальном давлении в 1 атм. вода кипит при +100 °С, а замерзает при 0 °С.

9) Громадное значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоемкостью, в 3000 раз большей, чем воздух. Это значит, что при охлаждении 1 м 3 воды на 1 0 С на столько же нагревается 3000 м 3 воздуха. Поэтому, аккумулируя тепло, Океан оказывает смягчающее влияние на климат прибрежных территорий.

10) Вода поглощает тепло при испарении и таянии, выделяя его при конденсации из пара и замерзании.

11) Способность воды в дисперсных средах, например в мелкопористых почвах или биологических структурах, переходить в связанное или рассредоточенное состояние. В этих случаях очень сильно меняются свойства воды (ее подвижность, плотность, температура замерзания, поверхностное натяжение и другие параметры), крайне важные для протекания процессов в природных и биологических системах.

12) Вода – универсальный растворитель, поэтому не только в природе, но и в лабораторных условиях идеально чистой воды нет уже по той причине, что она способна к растворению любого сосуда, в который заключена. Есть предположение, что поверхностное натяжение идеально чистой воды было бы таковым, что по ней можно было бы кататься на коньках. Способность воды к растворению обеспечивает перенос веществ в географической оболочке, лежит в основе обмена веществами между организмами и средой, в основе питания.

13) Из всех жидкостей (кроме ртути) у воды самое высокое поверхностное давление и поверхностное натяжение: = 75·10 -7 Дж/см 2 (глицерин – 65, аммиак – 42, а все остальные – ниже 30 ·10 -7 Дж/см 2). В силу этого капля воды стремится принять форму шара, а при соприкосновении с твердыми телами смачивает поверхность большинства из них. Именно поэтому она может подниматься вверх по капиллярам горных пород и растений, обеспечивая почвообразование и питание растений.

14) Вода обладает высокой термической устойчивостью. Водяной пар начинает разлагаться на водород и кислород только при температуре выше 1000 °С.

15) Химически чистая вода является очень плохим проводником электричества. Вследствие малой сжимаемости в воде хорошо распространяются звуковые и ультразвуковые волны.

16) Свойства воды сильно изменяются под влиянием давления и температуры. Так, при росте давления температура кипения воды повышается, а температура замерзания, наоборот, понижается. С повышением температуры уменьшаются поверхностное натяжение, плотность и вязкость воды и возрастают электропроводность и скорость звука в воде.

Аномальные свойства воды вместе взятые, свидетельствующие о чрезвычайно высокой ее устойчивости к воздействию внешних факторов, вызваны наличием дополнительных сил между молекулами, получивших название водородных связей. Суть водородной связи сводится к тому, что ион водорода, связанный с каким-то ионом другого элемента, способен электростатически притягивать к себе ион того же элемента из другой молекулы. Молекула воды имеет угловое строение: входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находится два протона, а в вершине – ядро атома кислорода (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Строение молекулы воды

Из имеющихся в молекуле 10 электронов (5 пар) одна пара (внутренние электроны) расположена вблизи ядра кислорода, а из остальных 4 пар электронов (внешних) по одной паре обобществлено между каждым из протонов и ядром кислорода, тогда как 2 пары остаются неопределенными и направлены к противоположным от протонов вершинам тетраэдра. Таким образом, в молекуле воды имеется 4 полюса зарядов, расположенных в вершинах тетраэдра: 2 отрицательных, созданных избытком электронной плотности в местах расположения неподеленных пар электронов, и 2 положительных, созданных ее недостатком в местах расположения протонов.

Вследствие этого молекула воды оказывается электрическим диполем. При этом положительный полюс одной молекулы воды притягивает отрицательный полюс другой молекулы воды. В результате получаются агрегаты (или ассоциации молекул) из двух, трех и более молекул (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Образование диполями воды ассоциированных молекул:

1 – моногидроль Н 2 О; 2 – дигидроль (Н 2 О) 2 ; 3 – тригидроль (Н 2 О) 3

Следовательно, в воде одновременно присутствуют одиночные, двойные и тройные молекулы. Содержание их меняется в зависимости от температуры. Во льду содержатся, в основном, тригидроли, объем которых больше моногидролей и дигидролей . При повышении температуры скорость движения молекул возрастает, силы притяжения между молекулами ослабевают, и в жидком состоянии вода – это смесь три-, ди- и моногидролей. С дальнейшим увеличением температуры тригидрольные и дигидрольные молекулы распадаются, при температуре 100 °С вода состоит из моногидролей (пар).

Существование неподеленных электронных пар определяет возможность образования двух водородных связей. Еще две связи возникают за счет двух водородных атомов. Вследствие этого каждая молекула воды в состоянии образовать четыре водородные связи (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Водородные связи в молекулах воды:

– обозначение водородной связи

Благодаря наличию в воде водородных связей в расположении ее молекул отмечается высокая степень упорядоченности, что сближает ее с твердым телом, а в структуре возникают многочисленные пустоты, делающие ее очень рыхлой. К наименее плотным структурам принадлежит структура льда. В ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы Н 2 О. При плавлении льда его структура разрушается. Но и в жидкой воде сохраняются водородные связи между молекулами: возникают ассоциаты – зародыши кристаллических образований. В этом смысле вода находится как бы в промежуточном положении между кристаллическим и жидким состояниями и более сходна с твердым телом, чем с идеальной жидкостью. Однако в отличие от льда каждый ассоциат существует очень короткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование других агрегатов. В пустотах таких «ледяных» агрегатов могут размещаться одинокие молекулы воды, при этом упаковка молекул воды становятся более плотной. Именно поэтому при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, ее плотность возрастает. При + 4 °С вода имеет самую плотную упаковку.

При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей. Этим объясняется высокая теплоемкость воды. Водородные связи между молекулами воды полностью разрушаются при переходе воды в пар.

Сложность структуры воды обусловлена не только свойствами ее молекулы, но и тем, что вследствие существования изотопов кислорода и водорода в воде имеются молекулы с различным молекулярным весом (от 18 до 22). Наиболее распространенной является «обычная» молекула с молекулярным весом 18. Содержание молекул с большим молекулярным весом невелико. Так, «тяжелая вода» (молекулярный вес 20) составляет менее 0,02% всех запасов воды. В атмосфере она не обнаружена, в тонне речной воды ее не более 150 г, морской –160-170 г. Однако, ее присутствие придает «обычной» воде большую плотность, влияет на другие ее свойства.

Удивительные свойства воды позволили возникнуть и развиться жизни на Земле. Благодаря им вода может играть незаменимую роль во всех процессах, совершающихся в географической оболочке.

Рассказ о происхождении Земли и Солнечной системы нам придется начать издалека. В 1687 году И. Ньютон вывел закон всемирного тяготения : каждое тело во Вселенной притягивает остальные с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Теоретически закон всемирного тяготения позволяет рассчитать движения любого тела во Вселенной под влиянием тяготения других тел. Но - увы! - только теоретически: уравнения, необходимые для описания движения всего трех изолированных тел под влиянием притяжения друг друга, столь сложны, что их решение не удавалось получить почти три столетия, до 60-х годов XX века. Понятно, что о полном решении для такой системы тел, как Солнечная система, и говорить не приходится. Что же до приближенных расчетов, которыми занимались многие выдающиеся математики и астрономы (Ж. Лагранж, П. Лаплас и другие), то они показывают, что возмущения в орбитах планет носят периодический характер: параметры орбиты меняются в одном направлении, затем в противоположном, и так до бесконечности. В самой по себе определяемой тяготением структуре Солнечной системы вроде бы нет ничего, что мешало бы ей существовать вечно; недаром сам Ньютон вопрос о происхождении Солнечной системы вообще не ставил.

Давайте, однако, задумаемся: если бы причиной движения планет было одно лишь тяготение, то что с ними произошло бы? Правильно, они «упали» бы на Солнце. Но планеты благополучно двигаются по своим орбитам перпендикулярно действующей на них силе тяжести и при этом еще вращаются вокруг собственной оси. Это движение не могло возникнуть - и не возникло! - под влиянием тяготения Солнца. Откуда же оно взялось? Дело в том, что всякое вращающееся тело обладает определенным качеством, которое называется моментом количества движения (МКД). Величина МКД зависит от трех параметров: массы тела, его круговой скорости и расстояния до центра вращения. К XVIII веку было установлено, что МКД не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а может лишь передаваться от тела к телу. Это закон сохранения момента количества движения , принадлежащий к ряду законов сохранения (таких, как законы сохранения вещества, энергии и пр.). А коли так, то любая теория возникновения Вселенной (или Солнечной системы) как минимум не должна ему противоречить.

Итак, все тела, составляющие Солнечную систему, обладают собственным МКД. Создать МКД невозможно - откуда же он взялся? Рассмотрим следующий выход из этого тупика. МКД могут различаться в зависимости от направления вращения: по и против часовой стрелки - положительный и отрицательный МКД. Если телу (или системе тел) сообщить два МКД (равной величины, но разного знака), то оба момента взаимно уничтожатся, и возникнет система, лишенная МКД. Но в таком случае верно и обратное: система, изначально не обладавшая МКД, может разделиться на две: одну с положительным, другую - с равным ему отрицательным МКД. Таким образом, МКД как бы появляется и исчезает без нарушения закона сохранения. Исходя из этого, можно предположить, что Вселенная вначале не обладала МКД, но затем одни ее части получили положительный момент, а другие - одновременно - отрицательный.

Так вот, если посмотреть на Солнечную систему «с высоты» - из некой точки над Северным полюсом Земли (и, соответственно, над плоскостью ее орбиты), то окажется, что Земля, Солнце и большинство иных тел вращаются вокруг своей оси против часовой стрелки; планеты вокруг Солнца и спутники вокруг планет - тоже. Значит, положительные и отрицательные МКД всех тел, составляющих Солнечную систему, отнюдь не уравновешиваются между собой; суммарный МКД этой системы очень велик, и необходимо выяснить его происхождение.

В 1796 году П. Лаплас сформулировал небулярную теорию , согласно которой последовательность событий при образовании Солнечной системы такова. Имеется первичное газопылевое облако (туманность - по латыни «небула»), возникшее в результате концентрации рассеянного межзвездного вещества под действием взаимного притяжения его частиц (в соответствии с законом всемирного тяготения). Небула не является идеальным шаром, и ее края - просто по теории вероятности - находятся на неодинаковом расстоянии от ближайшей небулы (или звезды), а потому притягиваются той с неодинаковой силой (которая, как мы помним, обратно пропорциональна квадрату расстояния). Этой неравновесности достаточно для того, чтобы наша небула получила первичный толчок, который и придаст ей вращательное движение, пусть и чрезвычайно слабое.

Как только небула начинает поворачиваться вокруг своей оси, в ней возникает сила тяжести (как в космическом корабле, который специально «раскручивают» для противодействия невесомости). Под действием силы тяжести небула должна начать сжиматься, т.е. ее радиус уменьшается. А мы с вами помним, что МКД (который есть величина постоянная) зависит от трех параметров: массы тела, радиуса и скорости его вращения; масса - тоже величина неизменная, поэтому уменьшение радиуса может быть компенсировано только увеличением скорости вращения. В результате огромный газовый шар будет вращаться все быстрее и быстрее, работая как центрифуга: под действием центробежной силы его экватор вспухает, придавая шару форму все более сплющенного эллипсоида. Наступает момент, когда все возрастающая центробежная сила на экваторе уравновешивает силу притяжения и от него (экватора) начинает отслаиваться кольцо, а затем, по мере дальнейшего сжатия небулы, еще и еще. Вещество этих вращающихся колец начинает под действием взаимного притяжения его частиц конденсироваться в планеты, от которых, в свою очередь, отрываются их спутники.

Теория Лапласа, согласно которой Земля была изначально холодной , сохраняла популярность на протяжении почти столетия, хотя ей и противоречили некоторые астрономические данные (например, вращение Венеры и Урана в сторону, обратную всем остальным планетам и Солнцу). Однако ближе к концу XIX века, когда было твердо установлено, что температура в недрах нашей планеты чрезвычайно высока (по современным данным, свыше 1000°С), большинство ученых стало разделять мнение об изначально горячей Земле - огненном шаре, постепенно остывающем с поверхности. Поиски источника этого раскаленного вещества вполне естественно было начать с Солнца. В начале ХХ века астрономы Т. Чемберлен и Ф. Мультон выдвинули, а Дж. Джинс математически обосновал планетезимальную теорию происхождения планет Солнечной системы. Суть ее состоит в том, что некогда поблизости от Солнца («поблизости» - это по космическим масштабам) прошла другая звезда. При этом взаимное притяжение вырвало из каждой из них по гигантскому протуберанцу звездного вещества, которые, соединившись, составили «межзвездный мост», распавшийся затем на отдельные «капли» - планетезимали . Остывающие планетезимали и дали начало планетам и их спутникам.

Однако вторая половина ХХ века стала временем возвращения к концепции изначально холодной Земли. Во-первых, нашлись серьезные, чисто астрономические, возражения против планетезимальной теории. Г. Рессел, например, обратил внимание на то простое обстоятельство, что если между Солнцем и проходящей звездой протянется лента из звездного вещества, то ее средняя часть (где притяжение двух светил взаимно уравновешивается) должна будет пребывать в полной неподвижности. И напротив, выяснилось, что некоторые оказавшиеся ошибочными положения Лапласа вполне могут быть откорректированы в рамках дальнейшего развития небулярной теории. В качестве примера можно привести гипотезу О. Ю. Шмидта (в ней газо-пылевое облако захватывается уже существующим на тот момент Солнцем) или более популярную ныне модель К. фон Вайцзеккера (в ней вращающаяся небула представляет собой уже не гомогенный шар, как у Лапласа, а систему разноскоростных вихрей, несколько напоминающую шарикоподшипник). Полагают также, что газ и пыль во вращающейся газо-пылевой туманности ведут себя по-разному: пыль собирается в плоский экваториальный диск, а газ образует почти шарообразное облако, густеющее по направлению к центру туманности. Впоследствии пыль экваториального диска слипается в планеты, а газ под собственной тяжестью разогревается так, что «вспыхивает» в виде Солнца.

Более существенным для победы «холодной» концепции оказалось другое: был найден убедительный и при этом достаточно простой ответ на вопрос - откуда же берется тепло, разогревшее недра изначально холодной Земли до столь высоких температур? Этих источников тепла, как сейчас полагают, два: энергия распада радиоактивных элементов и гравитационная дифференциация недр . С радиоактивностью все достаточно ясно, да и источник это второстепенный - на него приходится, согласно современным оценкам, не более 15% энергии разогрева. Идея же гравитационной дифференциации недр (ее детальную разработку связывают с именем О. Г. Сорохтина) заключается в следующем.

Зная массу и объем Земли (они были рассчитаны еще в XVIII веке), легко определить усредненную плотность земного вещества - 5,5 г/см 3 . Между тем плотность доступных нам для прямого изучения горных пород вдвое меньше : средняя плотность вещества земной коры составляет 2,8 г/см 3 . Отсюда ясно, что вещество в глубоких недрах Земли должно иметь плотность много выше средней.

Известно, что почти 9/10 массы Земли приходится на долю всего четырех химических элементов - кислорода (входящего в состав окислов), кремния, алюминия и железа. Поэтому можно с достаточной уверенностью утверждать, что более «легкие» наружные слои планеты состоят преимущественно из соединений кремния (алюмосиликатов), а «тяжелые» внутренние - железа.

В момент образования Земли («горячим» или «холодным» способом - для нас сейчас неважно) «тяжелые» и «легкие» элементы и их соединения не могли не быть полностью перемешаны. Однако дальше начинается их гравитационная дифференциация: под действием силы тяжести «тяжелые» соединения (железо) «тонут» - опускаются к центру планеты, а «легкие» (кремний) - «всплывают» к ее поверхности. Давайте теперь рассмотрим этот процесс в мысленно вырезанном вертикальном столбе земного вещества, основание которого - центр планеты, а вершина - ее поверхность. «Тонущее» железо постоянно смещает центр тяжести этого столба к его основанию. При этом потенциальная энергия столба (пропорциональная произведению массы тела на высоту его подъема, что в нашем случае составляет расстояние между центром Земли и центром тяжести столба) постоянно уменьшается. Суммарная же энергия Земли, в соответствии с законами сохранения, неизменна; следовательно, теряющаяся в процессе гравитационной дифференциации потенциальная энергия может преобразовываться лишь в кинетическую энергию молекул, т.е. выделяться в виде тепла.

Расчеты геофизиков показывают, что эта энергия составляет чудовищную величину 4·10 30 кал (что эквивалентно триллиону суммарных ядерных боезапасов всех стран мира). Этого вполне достаточно для того, чтобы - даже не прибегая к помощи энергии радиоактивного распада - разогреть недра изначально холодной Земли до расплавленного состояния. Однако, рассчитывая тепловой баланс Земли за всю ее историю, геофизики пришли к выводу, что температура ее недр лишь местами могла доходить до 1600°C, в основном составляя около 1200°C; а это означает, что наша планета, вопреки бытовавшим ранее представлениям, никогда не была полностью расплавленной . Разумеется, планета постоянно теряет тепловую энергию, остывая с поверхности, но этот расход в значительной степени (если не полностью) компенсируется излучением Солнца.

Итак, Земля на протяжении всей своей истории представляет собой твердое тело (более того, в глубинах, при высоких давлениях - очень твердое тело), которое, однако, парадоксальным образом ведет себя при очень больших постоянных нагрузках как чрезвычайно вязкая жидкость . Сама форма планеты - эллипсоид с чуть выпяченным Северным полюсом и чуть вдавленным Южным - идеально соответствует той, что должна принимать жидкость в состоянии равновесия. В толще этой «жидкости» постоянно происходят чрезвычайно медленные, но немыслимо мощные движения колоссальных масс вещества, с которыми связаны вулканизм, горообразование, горизонтальные перемещения континентов и т.д. - их закономерности мы будем обсуждать в следующей главе. Здесь важно запомнить, что источником энергии для всех этих процессов является в конечном счете все та же гравитационная дифференциация вещества в недрах планеты. Соответственно, когда этот процесс завершится полностью, наша планета станет геологически неактивной, «мертвой» - подобно Луне. Согласно расчетам геофизиков, к настоящему моменту уже 85% имеющегося на Земле железа опустилось в ее ядро, а на «оседание» оставшихся 15% потребуется еще около 1,5 млрд лет.

В результате гравитационной дифференциации недра планеты оказываются разделенными (как молоко в сепараторе) на три основных слоя: «тяжелый», «промежуточный» и «легкий». Внутренний «тяжелый» слой (с плотностью вещества около 8 г/см 3) - центральное ядро , состоящее из соединений железа и иных металлов; из 6400 км, составляющих радиус планеты, на ядро приходится 2900 км. Поверхностный «легкий» слой (плотность его вещества около 2,5 г/см 3) называется корой . Средняя толщина коры всего-навсего 33 км; она отделена от нижележащих слоев поверхностью Мохоровичича , при переходе через которую скачкообразно увеличивается скорость распространения упругих волн. Между корой и ядром располагается «промежуточный» слой - мантия ; ее породы имеют плотность около 3,5 г/см 3 и находятся в частично расплавленном состоянии. Верхняя мантия отделена от нижней мантии лежащим в 60–250 км от поверхности расплавленным слоем базальтов - астеносферой ; верхняя мантия вместе с корой образует твердую оболочку планеты - литосферу (рис. 4). В астеносфере находятся магматические очаги, питающие вулканы, деятельности которых Земля обязана своей подвижной оболочкой - гидросферой и атмосферой .

Рис. 4. Структура недр планеты (со схематическим вулканом)

Согласно современным представлениям, атмосфера и гидросфера возникли в результате дегазации магмы, выплавляющейся при вулканических процессах из верхней мантии и создающей земную кору. Атмосфера и гидросфера состоят из легких летучих веществ (соединений водорода, углерода и азота), содержание которых на Земле в целом очень мало - примерно в миллион раз меньше, чем в космосе. Причина такого дефицита состоит в том, что эти летучие вещества были «вымыты» еще из протопланетного облака солнечным ветром (т.е. потоками солнечной плазмы) и давлением света. В момент образования Земли из протопланетного облака все элементы ее будущей атмосферы и гидросферы находились в связанном виде, в составе твердых веществ: вода - в гидроокислах, азот - в нитридах (и, возможно, в нитратах), кислород - в окислах металлов, углерод - в графите, карбидах и карбонатах.

Современные вулканические газы примерно на 75% состоят из паров воды и на 15% - из углекислого газа, а остаток приходится на метан, аммиак, соединения серы (H 2 S и SO 2) и «кислые дымы» (HCl, HF, HBr, HI), а также инертные газы; свободный кислород полностью отсутствует. Изучение содержимого газовых пузырьков в древнейших (катархейских) кварцитах Алданского щита показало, что качественный состав этих газов полностью соответствует тому, что перечислено выше. Поскольку эта первичная атмосфера была еще очень тонкой, температура на поверхности Земли равнялась температуре лучистого равновесия , получающейся при выравнивании потока солнечного тепла, поглощаемого поверхностью, с потоком тепла, излучаемым ею; для планеты с параметрами Земли температура лучистого равновесия равна примерно 15°C.

В итоге почти весь водяной пар из состава вулканических газов должен был конденсироваться, формируя гидросферу. В этот первичный океан переходили, растворяясь в воде, и другие компоненты вулканических газов - бoльшая часть углекислого газа, «кислые дымы», окиси серы и часть аммиака. В результате первичная атмосфера (содержащая - в равновесии с океаном - водяные пары, CO 2 , CO, CH 4 , NH 3 , H 2 S, инертные газы и являющаяся восстановительной ) оставалась тонкой и температура на поверхности планеты не отклонялась сколь-нибудь заметно от точки лучистого равновесия, оставаясь в пределах существования жидкой воды. Это и предопределило одно из главных отличий Земли от других планет Солнечной системы - постоянное наличие на ней гидросферы.

Как же изменялся объем гидросферы на протяжении ее истории? В расплавленном базальте (в астеносфере) при температуре 1000°С и давлении 5–10 тыс. атмосфер растворено до 7–8% H 2 O: именно столько воды, как установлено вулканологами, дегазируется при излиянии лав. Бoльшая часть этой воды (имеющей, таким образом, мантийное происхождение) пополняла собою гидросферу, но часть ее поглощалась обратно породами океанической коры (этот процесс называется серпентинизацией ). Расчеты геофизиков показывают, что в катархее и архее воды в океанских впадинах было мало и она еще не прикрывала срединно-океанические хребты . В океаническую кору вода поступала не из океанов, а снизу - непосредственно из мантии. В начале протерозоя уровень океанов достиг вершин срединно-океанических хребтов, но на протяжении всего раннего протерозоя практически весь объем поступавшей в океаны воды поглощался породами океанической коры. К началу среднего протерозоя процессы серпентинизации закончились и океаническая кора обрела современный состав. С этого времени объем океанов вновь начал нарастать. Это будет продолжаться (с постепенным замедлением), пока на Земле не прекратятся вулканические процессы.

Если спросить человека: «Отчего море соленое?», он почти наверняка ответит: «Оттого же, отчего солоны бессточные озера (вроде озера Эльтон, снабжающего нас поваренной солью): впадающие в море реки несут некоторое количество солей, потом вода испаряется, а соль остается». Ответ этот неверен: соленость океана имеет совершенно иную природу, чем соленость внутриконтинентальных конечных водоемов стока. Дело в том, что вода первичного океана имела различные примеси. Одним источником этих примесей были водорастворимые атмосферные газы, другим - горные породы, из которых в результате эрозии (как на суше, так и на морском дне) вымываются различные вещества. «Кислые дымы», растворяясь в воде, давали галогеновые кислоты, которые тут же реагировали с силикатами (основным компонентом горных пород) и извлекали из них эквивалентное количество металлов (прежде всего щелочных и щелочноземельных - Na, Mg, Ca, Sr, K, Li). При этом, во-первых, вода из кислой становилась практически нейтральной, а во-вторых, соли извлеченных из силикатов элементов переходили в раствор; таким образом, вода океана с самого начала была соленой . Концентрация катионов в морской воде совпадает с распространенностью этих металлов в породах земной коры, а вот содержание основных анионов (Cl–, Br–, SO 4 –, HCO 3 –) в морской воде намного выше того их количества, которое может быть извлечено из горных пород. Поэтому геохимики полагают, что все анионы морской воды возникли из продуктов дегазации мантии, а все катионы - из разрушенных горных пород.

Главным фактором, определяющим кислотность морской воды, является содержание в ней углекислого газа (CO 2 - водорастворим, сейчас в океанах его растворено 140 трлн. т - против 2,6 трлн. т, содержащихся в атмосфере). В океанах существует динамическое равновесие между нерастворимым карбонатом кальция CaCO 3 и растворимым бикарбонатом Ca(HCO 3) 2: при недостатке CO 2 «лишний» бикарбонат превращается в карбонат и выпадает в осадок, а при избытке CO 2 карбонат превращается в бикарбонат и переходит в раствор. Карбонатно-бикарбонатный буфер возник в океане на самом начальном этапе его существования, и с тех пор он поддерживает кислотность океанской воды на стабильном уровне.

Что касается атмосферы, то ее состав стал меняться в протерозое, когда фотосинтезирующие организмы начали вырабатывать (в качестве побочного продукта своей жизнедеятельности) свободный кислород; сейчас считается твердо установленным, что весь свободный кислород планеты имеет биогенное происхождение . Кислород, в отличие от углекислого газа, плохо растворим в воде (соотношение между атмосферным и растворенным в воде CO 2 составляет, как мы видели, 1:60, а для O 2 оно составляет 130:1), и потому почти весь прирост кислорода идет в атмосферу. Там он окисляет CO и CH 4 до CO 2 , H 2 S - до S и SO 2 , а NH 3 - до N 2 ; самородная сера, естественно, выпадает на поверхность, углекислый газ и сернистый ангидрид растворяются в океане, и в итоге в атмосфере остаются только химически инертный азот (78%) и кислород (21%). Атмосфера из восстановительной становится современной, окислительной; впрочем, подробнее историю кислорода на Земле мы обсудим позднее, там, где речь пойдет о ранней эволюции живых существ (глава 5).

Помимо кислорода и азота, в атмосфере содержится небольшое количество так называемых парниковых газов - углекислый газ, водяной пар и метан. Составляя ничтожную долю атмосферы (менее 1%), они, тем не менее, оказывают важное влияние на глобальный климат. Все дело в особых свойствах этих газов: будучи сравнительно прозрачными для коротковолнового излучения, поступающего от Солнца, они в то же время непрозрачны для длинноволнового - излучаемого Землею в космос. По этой причине вариации в количестве атмосферного CO 2 могут вызывать существенные изменения теплового баланса планеты: с ростом концентрации этого газа атмосфера по своим свойствам все более приближается к стеклянной крыше парника, которая обеспечивает нагрев оранжерейного воздуха путем «улавливания» лучистой энергии, - парниковый эффект .

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.

Планета Земля состоит из металлического ядра и охватывающих его двух концентрических оболочек: мантии и земной коры. Залегающая под земной корой мантия имеет переменную температуру от 1000 до 3000 °С, плотность от 3,2 до 5 г/см 3 и состоит из полностью или час-тично расплавленных минералов горных пород, способных течь как высоковязкая жидкость. Мантийное вещество состоит преимущественно из силикатов, испытывающих фазовые переходы при изме-нении температуры и давления. Мантия постоянно подогревается со стороны горячего ядра, вследствие чего в ней непрерывно образуют-ся мощные конвективные потоки. Кроме того, на перемешивание рас-плавленного вещества мантии существенное влияние оказывает при-ливное воздействие Луны.

Земная кора — это менее плотное вещество, которое более тяже-лая мантия вытолкнула из себя. Плотность горных пород укладывается в диапазоне от 2 до 3,2 г/см 3 . С позиций геохимика — это наружная оболочка планеты, имеющая по сравнению с мантией избыток кремнезема, щелочи, воды и недостаток магния и железа. Средний химический состав земной коры следующий: SiO, 2 — 53,5%; А1 2 0 3 — 15,9%; СаО — 9,4%; FeO — 7,6%; MgO —5,4%; Na 2 O —2,7%; С0 2 — 1,0%; H z O — 0,78%. С позиций геофизика земная кора — это относительно рыхлый чехол, лежащий на более плотной мантии. С позиций гидролога — это область, в которой вода может находить-ся в жидкой фазе.

С позиций гидротехника земная кора — это прочная горная по-рода, способная выдержать нагрузку в миллиарды тонн, создаваемую весом водохранилища и плотины. Однако земная кора не является абсолютной «твердью», она «плавает» в подкоровом субстрате горяче-го мантийного вещества и при этом стремится к достижению изоста- зии - состоянию гидростатического равновесия. Достаточно значи-мые изменения гравитационной нагрузки на земную кору приводят к изменению изостатического равновесия. Создание крупных водохранилищ вызывает не только осадку припо-верхностной части земной коры (геологической среды), но и проги-бает всю толщу земной коры как упругую пластину, плавающую в тя-желой жидкости.

Схематический разрез земной коры

а — состояние изостазии; б— состояние прогиба;
1 — область влияния силы веса водохранилища на геологическую среду;
2 — прогибающаяся земная кора; 3 — "граница Мохо";
4 — погружение подошвы земной коры в малтийное вещество

Из земных недр ежегодно выносится на поверхность около 9 ·10 9 т магмы, пепла, паров и газов. Если всю массу, вынесенную за всю ис-торию вулканических извержений, равномерно распределить по по-верхности Земли, то получится слой толщиной в 34 км. Это означает, что земная кора является продуктом длительной переработки веще-ства верхней мантии посредством физического и химического вывет-ривания, переосаждения, а также преобразования растениями и живыми организмами.

Вся история геологического развития Земли связана с выделени-ем или поглощением тепла. Земля — это огромная тепловая машина. Через поверхность Земли теряется часть ее внутреннего тепла. Сред-непланетарное значение удельного потока тепла, поступающего из недр, равно 59 мВт/м 2 . Характеристика энергетических процессов, происходящих в геосферах Земли, приводится в таблице ниже.

Энергетика сильных возмущений в геосферах

С позиций современной гидротехнической науки земная кора — это прочная горная порода, способная без каких-либо перемещений выдержать нагрузку в миллиарды тонн, создаваемую весом водохра-нилищ и плотин. Однако земная кора не является «твердью», она пла-вает в подкоровом субстрате горячей мантии и при этом стремится к достижению состояния изостазии. В задачах тектонофизики земную кору рассматривают как упругую пластину, плавающую в тяжелой высоковязкой жидкости, которая чутко реагирует на приложение внешних сил и напряжений.

Любые значимые нагрузки на земную кору приводят к изменению изостатического равновесия. В частности, такими нагрузками явля-ются крупные водохранилища весом в десятки и сотни миллиардов тонн. К 2010 г. на Земле построено и эксплуатируется более 50 водо-хранилищ, объем каждого из которых превосходит 25 млрд м 3 . Свой-ство изостазии современная гидротехника во внимание не принима-ет. В то же время многолетний прогиб всей толщи земной коры может быть одной из причин необъясненных процессов, происходящих в створах больших плотин.

Литосфера (земная кора и постилающая ее верхняя мантия) — это сложное многослойное образование с нерегулярно меняющимися свой-ствами. В качестве примера в таблице ниже представлены свойства струк-турных элементов земной коры в районе Саяно-Шушенской ГЭС.

Мощность h эффективно-упругой части литосферы (земной коры), в пределах которой она заметно проявляет упругие свойства и слабо проявляет вязкие свойства, для разных районов Земли составляет примерно 35—40 км. На этих глубинах температура горных пород приближается к 600—800 °С, поэтому здесь породы пе-реходят из класса упругих в класс пластичных и упруговязких. Мо-дуль упругости Е массива горных пород в пределах толщи земной коры может изменяться от 2 . 10 4 до 12 . 10 4 МПа. Среднее значение модуля Юнга для земной коры Е = 10 11 Па. Изгибная жесткость EJ зем-ной коры может изменяться в пределах от 5 -10 22 до 35 . 10 22 Н. м 2 .

На глубинах более 30—40 км температура горных пород приближа-ется к температуре солидуса, легкоплавкие минералы плавятся, в ре-зультате вязкость мантийного вещества снижается на несколько поряд-ков. Считается, что ниже подошвы земной коры (упругой части литос-феры) вязкость горячего мантийно-астеносферного вещества характеризуется величинами порядка 10 18 — 10 20 Па. с.

Подвижность мантийного вещества является основной причиной возникновения больших горизонтальных напряжений и тектоничес-ких движений в земной коре. Извержения вулканов, землетрясения, образование разрывов и складок — это проявления внутренней ак-тивности Земли. Изливающаяся на поверхность магма —- это флюид-но-силикатный расплав, содержащий соединения с кремнеземом и растворенные летучие вещества, а также присутствующие в виде пу-зырьков газа. Кристаллизация магмы происходит постепенно по мере падения ее температуры. Вначале выделяются высокотемпературные минералы с образованием таких горных пород, как базальты и габ-бро, затем — низкотемпературные минералы с образованием диори-тов и андезитов, затем гранитов и риолитов и т.д. Наличие в магме легкоотделяемых компонентов приводит к вулканическим процессам, а наличие трудноотделяемых — к интрузивным процессам.

Свойства структурных элементов земной коры в районе СШГЭС

О вязкости горячей магмы можно судить по вязкости изливающей-ся лавы. Жидкие базальтовые лавы имеют температуру 1000—1200 °С и плотность до 2,8 г/см 3 . Высоковязкие лавы имеют температуру 700—900 °С и плотность 2,2 г/см 3 . Коэффициент вязкости горячей магмы примерно равен 1000 Па. с, что в миллион раз больше вязкости воды. Для сравнения можно сказать, что коэффициент вязкости рас-плава стекла при 1400 °С равен 1350 Па. с. Вязкость магмы резко воз-растает по мере ее остывания и соответствующего увеличения в ее объеме доли затвердевших кристаллов. При увеличении в магме объем-ной доли кристаллов до 0,6 ее вязкость увеличивается до 10 10 Па. с.

Нижним ярусом континентальной земной коры является тол-стый базальтовый слой, на котором покоится гранитный слой, по-крытый мощным чехлом осадочных пород. На долю интрузивных и эффузивных магматических пород приходится примерно 95 % объе-ма земной коры. Граница между корой и мантией подвижна: повы-шение температуры мантии смещает границу вверх, а понижение температуры — вниз.

Границей раздела земной коры и мантии принято считать «по-верхность М», залегающую на глубинах 30—60 км на континентах и 5—10 км под дном океана. Эта поверхность определяет-ся глубиной, на которой происходит резкое увеличение скорости сей-смических волн от 7 до 8 км/с. Особое значение границы М заключа-ется в том, что на ее уровне примерно соблюдается архимедово рав-новесие земной коры, плавающей в мантийном веществе.

Ниже «поверхности М» залегает также астеносфера — слой верх-ней мантии с повышенной электропроводностью и пониженной вязкостью. Эта особенность астеносферы объясняется плавлением мантийного вещества в пределах 1—2 %, которое проявляется в виде тонкой пленки, обволакивающей кристаллы при температуре около 1200 °С. Астеносферный слой расположен ближе всего под океанами и глубже под континентами.

Земля — единственная планета Солнечной системы, на поверх-ности которой вода может находиться в жидком состоянии. Масса воды в современной гидросфере достигает 1,51 - 10 18 т. Большая часть воды сосредоточена в Мировом океане — 1,42 . 10 18 т и в мате-риковых льдах — 0,023 . 10 18 т. На пресные воды суши приходится около 0,001 . 10 18 т. Помимо свободной воды часть ее в виде грунтовых вод пропитывает континентальную и океаническую кору. Суммарная масса таких вод достигает 0,066 . 10 18 т. Средняя соленость океаничес-ких вод достигает 35 %о (промилле или тысячных долей процента).

Кроме жидкой фазы часть воды (0,713 . 10 18 т) связана в гидроси-ликатах земной коры. Всего же на Земле в ее верхних геосферах со-средоточено примерно 2,233 . 10 18 т воды. Воды океанов и морей по-крывают около 2/3 поверхности Земли, средняя глубина Мирового океана близка к 3,8 км. В океанской воде растворены практически все химические элементы, главными из которых являются катионы натрия, магния, кальция, калия и анионы хлора, НСО э, С0 3 , брома.

В верхних слоях океана в каждом литре воды растворено в сред-нем 50 мл углекислого газа, 13 мл азота, до 8 мл кислорода. Холодные океанические воды высоких широт насыщены газами в большей сте-пени, чем теплые воды тропических широт. Всего в океане растворе-но С0 2 около 1,4 . 10 14 т, то есть почти в 60 раз больше, чем в атмосфе-ре (2,4 . 10 12 т). Кислорода в океане растворено около 8 -10 12 т или в 150 раз меньше, чем его содержится в атмосфере. Ежегодно реки сно-сят с суши в океаны около 2,53 . 10 10 т терригенного материала, из них примерно 2,23 . 10 10 т/год приходится на взвеси, а остальное — на растворенные и органические вещества.