Структура и границы биосферы
Биосфера (от греч. bios — жизнь и sphaira — шар) — область взаимодействия живого и костного вещества планеты. Биосфера - это живая оболочка Земли. Она представляет собой глобальную экосистему — совокупность всех биогеоценозов (экосистем) нашей планеты.
Первые представления о биосфере как «области жизни» и наружной оболочке Земли были высказаны в начале XIX в. Ж. Ламарком. В 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс впервые ввел в научную литературу современный термин «биосфера», понимая под ним область взаимодействия основных оболочек Земли: атмо-, гидро- и литосферы, где обитают живые организмы.
Заслуга создания целостности учения о биосфере принадлежит В.И. Вернадскому. Используя этот термин, он создал науку «биосфера», ввел понятие «живое вещество» — совокупность всех живых организмов, а также отвел живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая деятельность организмов не только в настоящее время, но и в прошлом. Поэтому биосфера — это все пространство, где существует или когда-либо существовала жизнь, т. е. где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности. Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время, обычно (в специальной литературе) называют современной биосферой, или необиосферой, а древние биосферы относят к былым биосферам, иначе палеобиосферам или мегабиосферам. Примеры последних — безжизненные скопления органических веществ (залежи угля, нефти, газа и др.) или запасы иных соединений, образовавшихся при непосредственном участии живых организмов (известняки, ракушечники, образования мела, ряда руд и многое другое).
Структура биосферы. Биосфера включает в себя:
1. Аэробиосферу — нижнюю часть атмосферы;
2. Гидробиосферу — всю гидросферу;
3. Литобиосферу — верхние горизонты литосферы (твердой земной оболочки).
Границы биосферы. Границы нео- и палеобиосферы различны. Верхняя граница теоретически определяется озоновым слоем. Для необиосферы — это нижняя граница озонового слоя (около 20 км), ослабляющего до приемлемого уровня губительное космическое ультрафиолетовое излучение, а для палеобиосферы — это верхняя граница того же слоя (около 60 км), ибо кислород в атмосфере Земли есть результат преимущественно жизнедеятельности растительности (так же, как и другие газы в соответствующей мере).
В большинстве случаев в качестве верхней теоретической границы биосферы указывают озоновый слой без уточнения его границ, что вполне приемлемо, если не обсуждать разницу между нео- и палеобиосферой. Иначе следует учитывать, что озоновый экран образовался всего лишь около 600 млн лет назад, после чего организмы смогли выйти на сушу.
Практически же, максимальная высота над уровнем моря, на которой может существовать живой организм, ограничена уровнем, до которого сохраняются положительные температуры и могут жить хлорофиллосодержащие растения, называемые продуцентами (6 200 м в Гималаях). Выше, до «линии снегов», обитают лишь пауки, ногохвостки и некоторые клещи, питающиеся зернами растительной пыльцы, спорами растений, микроорганизмами и другими органическими частицами, заносимыми ветром. Еще выше живые организмы могут попадаться лишь случайно.
На высотах 7 500 — 8 000 м критически низкого для абсолютного большинства организмов значения достигает другой абиотический фактор — абсолютное атмосферное давление. Наиболее зависимы от величины давления птицы и летающие насекомые, преимущественно занимающие нижнюю зону (0—1 000 м), хотя отдельные виды птиц (орлы, кондоры) могут постоянно жить и на высотах 4 000—5 000 м.
Вся толща Мирового океана по современным представлениям полностью занята жизнью.
Нижняя граница существования активной жизни традиционно определяется дном океана 11 022 м (максимальная глубина Марианской впадины) и глубиной литосферы, характеризующейся температурой 100°С (около 6 000 м по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове). В основном жизнь в литосфере распространена лишь на несколько метров вглубь, ограничиваясь почвенным слоем. Однако по отдельным трещинам и пещерам она распространяется на сотни метров, достигая глубин 3 000— 4 000 м.
Возможно, пределы биосферы намного шире, так как в гидротермах дна океана на глубинах около 3 000 м ( на таких глубинах давление составляет около 30 МПа (300 атм), что позволяет воде присутствовать в жидком состоянии, тогда как пределы жизни ограничены точками перехода ее в пар и сворачивания белков) при температуре 250°С обнаружены организмы.
Теоретически на глубинах 25 000 м относительно уровня моря должна иметь место критическая температура 460°С, при которой при любом давлении вода существует только в виде пара, а следовательно, жизнь невозможна.
Осадочные породы, практически все претерпевшие переработку живыми организмами, определяют нижнюю границу былых биосфер, которая тем не менее не опускается на материках ниже самых больших глубин океана.
Общее строение планеты
Внутреннее строение нашей планеты в виде нескольких геосфер (от греч. gео — земля) или оболочек изучено относительно мало и преимущественно по данным сейсморазведки, исследующей процессы распространения в Земле искусственно вызванных упругих колебаний. Максимальные глубины, которых достиг человек к концу XX в., составляют 15 км (сверхглубокая скважина на Кольском полуострове) и 3,5 км (глубокая шахта «Ист Рэнд» в Южной Африке). Поэтому сейсморазведка — единственный доступный человеку метод изучения внутреннего строения Земли. Суть этого метода в том, что на поверхности создают (например, путем взрыва) упругие колебания — сейсмические волны, которые со скоростью в несколько км/c распространяются в глубь Земли. С той же целью изучают упругие колебания, вызванные природными землетрясениями. Различают продольные Р и поперечные S объемные волны.
В более плотной среде скорость волн возрастает, в рыхлой — снижается, а в жидкостях поперечные волны вообще не распространяются. Резкие скачкообразные изменения плотности вещества в геосферах сопровождаются такими же резкими изменениями скорости распространения продольных волн: в коре она составляет около 7 км/с, в мантии за границей Мохо (поверхность или граница Мохоровичича - по имени югославского геофизика А. Мохоровичича, - сокращенно граница Мохо) — около 8 км/с, а при переходе из мантии в ядро скорость меняется скачком с 13,6 до 8,1 км/с. Поперечные волны в ядре вообще не могут распространяться. Проходя границу раздела двух сред с различной плотностью, упругие колебания частично отражаются, возвращаясь на поверхность.
Эксперименты и соответствующие теоретические расчеты позволили создать следующую модель.
В центре Земли имеется внутреннее твердое субядро радиусом 1 250 км (рис. 2.1), состоящее из вещества плотностью 13 г/см3 (по одной из наиболее распространенных гипотез считают, что такую плотность может иметь только металл). Вокруг него находится жидкое внешнее ядро радиусом 3 050 км, состоящее из расплавленного вещества. Регулярные течения этой высокоэлектропроводной жидкости по одной из гипотез являются причиной существования магнитного поля Земли. Внешнее жидкое и внутреннее твердое ядра в сумме составляют: 16 % земного шара (без атмосферы) по объему и 31,5 % по массе.
Рис. 2.1. Внутреннее строение Земли
Далее снаружи жидкого ядра следует мантия, распространяющаяся с глубины 2 900 км до глубины около 40 км относительно уровня моря на поверхности планеты. Под действием высоких температур и долговременных нагрузок породы мантии размягчены и вещество на глубинах 40—400 км может течь. Так, около 10 тыс. лет назад после окончания ледникового периода растаяли ледники Северной Европы и Канады и, освободившись от двухкилометрового слоя льда, поверхность Земли начала подниматься. Этот подъем со скоростью, равной несколько миллиметров в год, продолжается в Скандинавии и на севере Америки и сейчас, что обеспечивается вязким течением верхней мантии.
Температура на границе ядра и мантии составляет около 4 500°С, а плотность вещества меняется скачкообразно с 10,1 у ядра до 5,6 т/м3 у мантии. По другим данным температура ядра не меньше 2 000° С и не больше 5000° С. Мантия составляет 83 % объема планеты (без атмосферы) и 67 % массы.
Скорость v распространения упругих волн по толщине мантии по мере движения от периферии к центру нарастает неравномерно: значительно быстрее в верхней части до глубин Z = 900—1 000 км и очень медленно на больших глубинах (рис. 2.2). В связи с этим мантию чаще всего делят на верхнюю и нижнюю, а иногда дополнительно выделяют среднюю мантию.
Рис. 2.2. Зависимость скорости распространения сейсмических волн от глубины (сейсмическая модель Земли): 1 — продольные волны;
2 — поперечные волны
Снаружи мантии расположена действительно твердая, но очень тонкая (20—40 км) оболочка — кора Земли, составляющая около 1 % планеты по объему и 0,5 % по массе. При переходе из мантии в кору плотность вещества скачкообразно меняется с 3,2 до 2,9 т/м3.
Давление с глубиной быстро растет, и в центре Земли оно достигает 370 ГПа (3,7 млн атм), а сила тяжести постепенно убывает до нуля. Наиболее сложное (неоднородное) строение имеет земная кора. Она состоит из нескольких слоев. Самый нижний слой называют базальтовым, потому что скорости распространения сейсмических волн в нем такие же, как в базальте, хотя действительный его состав неизвестен.
В базальтовом слое как бы плавают гранитные «подушки» толщиной 15—20 км, на которых расположена трех — пятикилометровая (в среднем) толща осадочных пород континентов (рис. 2.3). Они состоят из различных кристаллических пород, скорость движения сейсмических волн в которых такая же, как в гранитах. Плотность гранитов при одинаковом давлении и температуре ниже плотности базальтов.
180 140 100 60 20 20 60 100 120 160°
Тихий Южная Атлантический Индийский Индонезийский
океан Америка океан океан архипелаг
Рис. 2.3. Схема строения земной коры в экваториальном разрезе:
1 — океаническая вода; 2 — осадочные породы; 3 — граниты;
4 — базальты; 5 — мантия
Океаническая кора имеет следующие существенные отличия от материковой:
- толщина ее составляет обычно 3—7 км, что на порядок меньше;
- гранитный слой отсутствует;
- осадочный слой обычно очень тонок — менее 1 км;
- между осадочным и базальтовым слоями находится небольшой слой, состав которого практически неизвестен, поэтому он называется просто вторым слоем.
Методами гравиметрии и глубинного сейсмического зондирования установлено, что, чем выше расположена какая-либо местность, тем толще под ней кора и тем глубже она уходит в мантию.
Континенты и вся кора как бы плавают в более плотной мантии, причем не только подчиняясь закону Архимеда, но и перемещаясь друг относительно друга со скоростью в несколько сантиметров в год. В соответствии с теорией глобальной тектоники движутся тектонические плиты — большие участки земной коры, включающие в себя, помимо континентов, также и соседние участки океанического дна. Заметное повторение береговой линии Африки и Южной Америки считают не случайным — сотни миллионов лет назад эти два континента были единым целым.
По принятой на сегодня гипотезе на Земле с середины палеозоя до середины мезозоя существовало только два материка: в Северном полушарии — Лавразия, а в Южном — Гондвана. Их разделял океан Тетис.
Когда Лавразия распалась, образовались две части: северно-американская и евроазиатская с Атлантическим океаном между ними. Из Гондваны образовались Южная Америка, Африка, Азия (Аравия и Индия), Австралия и Антарктида. Кости предков сумчатых животных, ныне обитающих только в Австралии, были найдены в Антарктиде.
Главных тектонических плит шесть:
- евроазиатская,
- африканская,
- антарктическая,
- индо-австралийская,
- американская и
- тихоокеанская.
Между ними существует несколько мелких плит, движущихся отчасти независимо. На некоторых границах плит, расположенных только в океане, образуется новая кора. Так, вдоль середины Атлантического океана проходит подводный Срединно-Атлантический хребет, от которого земная кора наращивается в направлении к американской плите (в одну сторону) и к африканской и евроазиатской (в другую).
Однако существуют на Земле и районы, где плиты сталкиваются и одна погружается под другую, образуя зоны субдукции. Субдукция — процесс подныривания одной литосферной плиты под другую в районе глубоководных желобов. На карте рельефа поверхности Земли зоны субдукции выглядят как глубоководные океанические желоба вблизи островных дуг или континентальных окраин с высокими хребтами. Их протяженность примерно равна протяженности рифтовых долин. Противоположный процесс — спрединг — расхождение литосферных плит в стороны от срединно-океанических хребтов.
Трение на границах сдвигающихся плит — причина землетрясений, а нагревание осадочного слоя опускающейся плиты, сопровождающееся химическими реакциями, — причина извержений вулканов. Образующиеся при дегазации недр газы и пары воды из жерла вулкана попадают в атмосферу. Характерным примером является цепь вулканов на Дальнем Востоке вдоль границы, где тихоокеанская плита опускается под евроазиатскую.
В середине XX в. было установлено, что излияние лав и дегазация идут не только в вулканах на суше, но и на дне океана, в рифтовых (от англ. rift — трещина, ущелье) долинах — разломах земной коры, проходящих по оси срединно - океанических хребтов. В общей сложности, протяженность таких разломов на дне океанов составляет не менее 70 тыс. км. Рифтовые долины образуют границы литосферных плит, на которые разбита вся поверхность планеты. В рифтовых зонах земная кора раздвигается за счет подъема из глубин недр вещества, которое наращивает края плит.
С помощью глубоководных аппаратов в районе рифтовых долин обнаружены многочисленные выбросы сильно минерализованной воды, содержащей соединения металлов и имеющей температуру до 300—400 °С. При попадании такой сверхгорячей воды в холодную придонную океаническую воду она быстро остывает и содержащиеся в ней вещества осаждаются, формируя вокруг струи сооружение в виде трубы. Такие струи часто выглядят как столб черного или белого дыма. Поэтому они получили название «черные» или «белые» курильщики.
Одна из характерных особенностей нашей планеты заключается в следующем. Если выразить графически рельеф материков и дна океанов в качестве различных ступеней общего рельефа Земли, получается гипсографическая (от греч. gipsos — высота, grapfo — пишу) кривая земного шара (рис. 2.4). Ее анализ показывает, что континенты уступают океанам по площади и их поднятие над уровнем моря невелико по сравнению с глубинами океанов.
Площадь поверхности Земли S, %
Рис. 2.4. Гипсографическая кривая земного шара (жирная линия) и обобщенный профиль дна океана (пунктирная линия)
На суше и океаническом дне с определенной закономерностью расположены горы и горные системы. На суше это широтный Средиземноморский и меридиональные Западно - и Восточно-Тихоокеанские линейные горные пояса. Средиземноморский пояс начинается на западе горами Атласа (Северная Африка) и продолжается на восток, включая горные цепи Пиренеев, Альпы, Апеннины, Балканские, Карпатские, Крымские, Кавказские горные системы, Памир, Гималаи. Западно-Тихоокеанский пояс охватывает горные сооружения Чукотки, Камчатки, Курильских островов, Сахалина, Японии и другие, вплоть до австралийских Кордильер. Восточно-тихоокеанский пояс включает в себя горные образования Кордильер Северной и Южной Америки.
Считают, что деятельность вулканов и рифтовых зон в докембрийский период, сопровождавшаяся извержением и кристаллизацией (с дегидратацией) вещества мантии, способствовала образованию воды на Земле, заполнившей Мировой океан планеты.
Механизмы, приводящие к движению плит и дрейфу континентов, изучены не до конца, тем не менее проявления тектонической деятельности в виде извержений вулканов обнаружены и на других планетах и спутниках, что говорит о сходных процессах в их недрах.
Земля — не идеальный шар. Благодаря вращению, наша планета, в целом, должна иметь форму эллипсоида, приплюснутого у полюсов, т. е. с экваториальным радиусом больше расстояния от центра до полюсов. Однако в действительности она существенно иная. С помощью искусственных спутников установлено, что Земля имеет несколько «грушевидную» форму: ее Северный полюс приподнят на 15 м относительно правильного эллипсоида, а Южный — опущен на 20 м. Кроме того, доказано, что экваториальное сечение Земли также имеет форму эллипса с разницей между большой и малой полуосями в 100 м.
По сравнению с размерами всей Земли неровности ее поверхности весьма незначительны, и в расчетах ими пренебрегают. Геометрическую фигуру Земли принято ограничивать поверхностью океана, мысленно продолженной под материками таким образом, чтобы она всюду была перпендикулярна к направлению силы тяжести. Эта присущая только Земле фигура получила название геоид (от греч. geo — земля, еidos — подобие).
Радиус земного шара в плоскости экватора составляет 6 378 км, а от центра Земли до полюса — 6 357 км. Длина экватора — 40 076 км, а длина земного меридиана — 40 009 км. Общая площадь поверхности Земли около 510 млн км2, ее объем — 1,083 • 1012 км3, масса — 6 • 1012 млрд т.
Процессы, сопоставимые по масштабам с рассмотренными и непосредственно влияющие на биосферу Земли, происходят в результате соседства естественного спутника — Луны. Наиболее заметными являются приливы и отливы, причем как на водных просторах, так и земной коре (где они без специальных приборов не ощутимы). Каждые 12 ч 25 мин уровень моря поднимается (в открытом океане в среднем на 0,5 м), а через четверть суток возвращается в исходное состояние.
Вблизи берегов наблюдаемая высота прилива сильно возрастает, достигая максимума в сужающихся заливах и в мелководных Беринговом и Охотском морях. Особенно сильны морские приливы около 50° северной и южной широты. Там приливные волны движутся по поверхности Земли со скоростью 290 м/с. Максимальная разница между высокой и низкой водой зарегистрирована в заливе Фанди, в Канаде, на широте 45° она достигает 18 м.
Морские приливы и отливы наиболее заметны, однако приливное воздействие по тем же законам физики искажает и атмосферу Земли: она также немного вытянута в сторону Луны. Это вызывает колебания атмосферного давления, незначительные по сравнению с колебаниями при изменении погоды. Приливы на Земле вызывает не только Луна, но и Солнце, причем максимум соответствует полнолунию или новолунию, когда Земля, Луна и Солнце находятся на одной прямой.
Соседство большого спутника нигде в Солнечной системе сейчас не проявляется так сильно, как для Земли. Луна тормозит ее вращение.