Тема 4. Внутрішня будова і зовнішні оболонки Землі.

Питання теми

Внутрішня будова Землі.

Зовнішні оболонки Землі.

Основні поняття: земна кора, поверхня Мохоровичича, мантія, астеносфера, ядро, геосфери, атмосфера, гідросфера, літосфера, біосфера.

Наша планета... Нам здається, що вона завжди була такою як тепер. Дійсно, в очах людини Земля майже не змінилась. Але до того часу як на планеті з’явились перші люди, вона вже існувала більше чотирьох мільярдів років. І за цю довгу історію вигляд Землі змінювавсь неодноразово. Її поверхня то плавилась, то покривалась водою і льодом... З’являлись і зникали загадкові рослини і тварини... Що ж залишилось від тих далеких епох? Ці питання цікавлять людей давно.

Внутрішня будова Землі. У внутрішній будові Землі виділяють три основні частини: земну кору, мантію і ядро (рис. 1). Межі між ними нерівні, але порівняно з розмірами Землі ці нерівності незначні.

Земна кора – тонка верхня оболонка Землі. Вона має товщину на континентах 40-80км і під океанами 5-10км і становить 1% від маси Землі. У складі земної кори переважають 8 елементів: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg. Найбільший вміст кремнію і алюмінію. Породи, які утворюють земну кору Е.Зюсс назвав “сіль” (Sial). Від мантії земна кора відділена поверхнею Мохоровичича (за прізвищем вченого, якій її встановив).

У земній корі виділяють 3 шари:

1) осадовий, утворений осадовими породами (пісок, глина, гіпс, кам’яна сіль, фосфорити, доломіти, вугілля, нафта, торф). Потужність цього шару 3км, середня щільність 2,5г/см³;

 

Рис. 1. Внутрішня будова Землі.

2) гранітний, утворений переважно кислими магматичними породами (граніт, ліпарит, ліпаритовий порфірит, кварц, рогова обманка);

3) базальтовий, утворений основними магматичними породами (базальт, габбро, олівін). Потужність цього шару 30км, щільність 2,8-2,9 г/см³.

Виділяють два типи земної кори - материковий та океанічний. Материкова земна кора тришарова, вона містить осадові породи, граніти і базальти. Її потужність 40-80км. Океанічна земна кора двошарова. Гранітний шар відсутній або дуже тонкий і осадові породи залягають на базальтах. Її потужність 5-10км. Також, розрізняють перехідний - острівний тип земної кори.

Найбільшу товщину земна кора має в гірських районах (під Гімалаями 75км), середню в районах платформ (30-40км), найменшу в центральних районах океанів (5-7км).

Земна кора виплавилась з мантії в процесі тривалої фізико-хімічної і гравітаційної диференціації. Так утворивсь гранітний і базальтовий шар земної кори. Осадовий шар виник в результаті руйнування гранітів і базальтів в процесі вивітрювання.

Мантія – складається з окису кремнію і оксидів магнію і заліза. Згідно Е.Зюссу – це “сіма” (Sima). Внаслідок великого тиску речовини в мантії дуже щільні. Тиск у мантії з глибиною зростає і на межі з ядром становить 1,3 млн.ат. щільність у верхніх шарах мантії 3,5 г/см³, на межі з ядром 5,5 г/см³. температура речовин у мантії на глибині 100км +500°С, на межі з ядром +3800°С. Незважаючи на таку високу t, речовини у мантії у твердому стані.

Мантія поділяється на верхню і нижню. Межа між ними знаходиться на глибині 900-1000км. Нижня мантія – найбільш спокійна частина Землі. У верхній мантії виникають зміни, які зумовлюють вулканічну діяльність і землетруси.

Верхній шар мантії – астеносфера (80-200км) знаходиться у майже розплавленому стані і при пониженні тиску перетворюється на магму. Магма піднімається вверх і може виливатись на поверхню Землі.

Ядро займає 16% об’єму Землі. Маса ядра складає 34% від маси Землі. Температура в ядрі 4000°С, тиск 3,5 млн. атм. Незалежно від хімічного складу, всі речовини при такому тиску переходять у металічну фазу, руйнуються електронні оболонки, утворюється “електронний газ”. Речовина стає дуже щільною і насиченою вільними електронами. Рух цих електронів зумовлює магнітне поле Землі.

Радіус ядра 3500км. У ядрі виділяють внутрішнє ядро з радіусом 1280 км.

Вважають, що ядро утворилось з мантії. Таким чином, мантія є первинною речовиною з якої виникли земна кора і ядро.

Зовнішні оболонки Землі. Земля має три оболонки – атмосферу, гідросферу, літосферу і біосферу. Їх називають геосферами.

Атмосфера (atmos – пара, sphaira - куля) – повітряна оболонка Землі. Маса атмосфери – 5.15*10¹⁵ т. На атмосферу постійно впливає Космос і Сонце.

Сучасна атмосфера складається з таких основних компонентів:

· азот (78%);

· кисень (21%);

· аргон (0,93%);

· вуглекислий газ (0,03%);

· малі домішки: водень, гелій, неон, криптон, метан (0,009%).

Крім того у атмосфері є пари води, вміст яких коливається від 0,2% (в полярних широтах) до 3% (біля екватора). В атмосфері є аерозолі - завислі у повітрі дрібні тверді і рідкі частки різних речовин. Вміст аерозолів дуже змінюється.

Азот – основна складова частина атмосфери. Його маса 3,7·10¹⁵т. Основна маса атмосферного азоту знаходиться у малоактивному молекулярному стані. Азот надходить у атмосферу з вулканічними газами, утворюється з сполук азоту під час грозових розрядів і при дії ультрафіолетового випромінювання Сонця. Сполуки азоту потрапляють в атмосферу в наслідок діяльності людини (спалювання різних видів палива).

Кисень – активний окислювач, який бере участь в хімічних реакціях у гідросфері, літосфері і біосфері. Його маса у атмосфері 1,5·10¹⁵т. Основне джерело кисню – фотосинтез зелених рослин. Близько 80% усього кисню в атмосфері постачає морський фітопланктон, 20% - виробляє наземна рослинність, переважно тропічні ліси. За рахунок діяльності людини вміст кисню в атмосфері щорічно зменшується на 10 млрд. тонн.

Вуглекислий газ – є обов’язковою речовиною для фотосинтезу рослин. Цей газ утворюється під час спалювання палива, гниття органічних решток, виділяється з вулканічними газами. Діяльність людини призводить до збільшення вмісту СО₂. Це зумовлює підвищення середньорічної температури - виникає парниковий ефект.

Водяна пара потрапляє в атмосферу внаслідок випаровування вологи з поверхні Землі. 90% всієї водяної пари міститься в нижньому п’ятикілометровому шарі атмосфери., вище 10-12 км водяної пари дуже мало.

Аерозолі, що містяться в атмосфері поділяються на: сульфатні вулканічного і промислового походження, мінеральні (пил), вуглеводневі (сажа) і морські (частинки морських солей). Частки аерозолів зумовлюють пониження температури Земної поверхні. Аерозолі утримуються в атмосфері протягом днів і тижнів, а іноді роками (радіоактивний пил).

Атмосфера Землі складається з таких шарів:

· тропосфера (до 18км);

· стратосфера (18-50км);

· мезосфера (50-80км);

· термосфера (80-1000км);

· екзосфера (1000-1900км);

· геокорона (1900-2000км).

Останній шар – геокорона – поступово переходить у міжпланетний вакуум. Основна маса повітря зосереджена у тропосфері.

У стратосфері на висоті 20-50км міститься озоновий шар – озоносфера. Озон утворюється з молекул кисню, що поглинають ультрафіолетове випромінювання Сонця. Загальна кількість озону в атмосфері незначна, при температурі 0°С і в умовах нормального тиску весь озон помістився б у шарі товщиною 2-3мм. Незважаючи на малу густину озоновий шар захищає всі живі організми від ультрафіолетових променів. Останнім часом товщина озонового шару почала зменшуватись – виникли озонові діри. Найменшу товщину має озоновий шар над Антарктидою і островом Шпіцберген. Це явище шкідливо впливає на рослини, зумовлює захворювання тварин і людей, призводить до збільшення шкідливих мутацій. Якщо озон зовсім зникне, буде знищено все живе на планеті.

Атмосферу можна розглядати як колоїдний розчин, в якому розчинник повітря, а розчинні частинки – дуже дрібні домішки.

До висоти 100км склад атмосфери постійний. Вище 100км молекули кисню і азоту розпадаються під дією УФ випромінювання. На висоті 100-500км атомарний кисень переважає молекулярний. На висоті 500-200км атмосфера складається з гелію, вище 2000км – з атомарного водню.

Температура атмосфери з висотою змінюється. У тропосфері повітря нагрівається від поверхні Землі, з висотою воно стає холоднішим , на кожний 1км висоти t понижується на 6-6,5 °С. У стратосфері температура підвищується і на верхній межі цього шару вона дорівнює 0°С. У мезосфері температура знов зменшується і становить -60... -100°С. У термосфері температура зростає. На висоті 100км вона рівна 0°С, а на верхній межі 2000°С.

Екологічне значення атмосфери:

· захищає живі організми від ультрафіолетового випромінювання;

· захищає Землю від ударів метеоритів;

· регулює добові і сезонні коливання температури, якби не було атмосфери, коливання температури були б ±200°С;

· через атмосферу здійснюється фотосинтез;

· впливає на екзогенні процеси, що відбуваються в атмосфері;

· впливає на водний баланс і режим поверхневих та підземних вод.

Гідросфера – це водяна оболонка планети, сукупність океанів, морів, вод континентів і льодовикових покривів. Маса гідросфери 1,39·10⁹т, що становить 0,023% від маси Землі. Вода вкриває 71% поверхні планети.

Основна маса води на планеті – морська гіркувато-солона вода, яка не придатна для пиття і технічних потреб. Основна кількість прісної води (75%) зосереджена у льодових покривах Антарктиди і Гренландії, гірських льодовиках і айсбергах, у зоні вічної мерзлоти. З усієї прісної води лише 0,6-1% перебуває в рідкому стані. 20% усієї прісної води зосереджено у озері Байкал. Основним джерелом водопостачання для людства є річковий стік.

Хімічний склад океанічних вод дуже схожий до плазми крові, в них містяться майже всі відомі хімічні елементи. Основні катіони: Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, K⁺, Sr⁺; основні катіони: Cl^-, SO^2-₄, HCO₃^-, B₂^-. Вміст солей в океанічних водах різний. Найсолоніша вода в Мертвому морі – вміст солі 260 ⁰⁰/0, найбільш прісна – в Балтійському морі – 7 ⁰⁰/0. Середня солоність – 35 ⁰⁰/0. У Чорному морі – 18 ⁰⁰/0. В морській воді розчинені гази. Найбільший вміст СО₂ – 140 трлн. т. , що в 60 разів більше, ніж в атмосфері.

Хімічний склад прісних вод, також, дуже різноманітний. Якщо прісній воді у великій кількості містяться розчинені мінеральні соль, вона називається мінеральною. В залежності від вмісту солей, мінеральні води поділяються на сульфатні, сульфатно-натрієві, гідрокарбонатно-кальцієві і хлоридно-натрієві.

Іноді вони містять мінеральні води містять газовий компонент.

З поверхні Землі в атмосферу в атмосферу під впливом сонячного тепла постійно випаровується вода, причому 86,5% води випаровує Світовий океан. З атмосферними опадами вода повертається назад на поверхню Землі. Таке явище називається кругообіг води.

Екологічне значення гідросфери:

· вода – це середовище в якому зародилось життя;

· вода – основна складова частина живих організмів;

· вода – розчинник багатьох речовин;

· вода – переносник глобальних біоенергетичних циклів;

· вода – здійснює взаємозв’язки у екосистемах;

· вода – бере участь у формуванні Земної поверхні, у розвитку екзогенних процесів, перенесенні хімічних речовин вглиб Землі;

· водяна пара виконує роль фільтра сонячної радіації;

· водяна пара нейтралізує екстремальні температури;

· вода – найважливіша мінеральна сировина, найбільш вживаний природній ресурс.

Літосфера – зовнішня тверда оболонка Землі, яка включає всю земну кору і верхню частину мантії. Склад і будова земної кори і мантії розглянуті вище.

Нижня межа літосфери нечітка. Товщина літосфери на континентах 25-200 км і під океаном 5-100 км.

Значення літосфери:

· середовище для мінеральних ресурсів;

· верхня частина континентальної земної кори – ґрунт – найважливіший природний ресурс, основний об’єкт сільськогосподарської діяльності.

Біосфера – це область існування живих організмів на Землі. Вперше цей термін вжив у 1875 р австрійський геолог Е. Зюсс, але поширився він після видання в 1926 р праці В.Вернадського “Біосфера”.

Живі організми існують на поверхні Землі в атмосфері, гідросфері, та верхній частині літосфери, в цілому складаючи сферу життя на нашій планеті. Верхня межа біосфери сягає 85 км над поверхнею Землі. На такій висоті виявлено спори мікроорганізмів у латентному стані. Нижня межа біосфери 7-8 км у глиб літосфери.

Живі організми пристосовані до життя в різноманітних умовах. Деякі бактерії виявлено в гарячих джерелах (гейзерах) з температурою 98°С, в тріщинах антарктичних льодовиків і на найбільших глибинах Світового океану, навіть у водах уражених сірководнем існують специфічні сіркобактерії. Окремі мікроорганізми переносять тиск 3000 атм., дріжджові грибки – 8000 атм., а насіння і спори деяких організмів можуть існувати майже в пустоті.

Форми життя дуже різноманітні. Нараховується біля 500 тис видів рослин і біля 1,5 млн видів тварин. При всій різноманітності видів, маса живої речовини на Землі відносно невелика 10⁵-10⁶ км³. якщо цю величину прийняти за 1, то маса атмосфери 10, гідросфери 10000, літосфери 100000, а маса всієї Землі 100 млн.

Жива речовина відрізняється від неживої надзвичайною активністю, зокрема дуже швидким кругообігом речовин. Вся жива речовина біосфери оновлюється, в середньому за 8 років. Біомаса Світового океану оновлюється за 33 дні, а його фітомаса – щодня. Біомаса суші, через більшу тривалість життя наземних рослин , оновлюється за 14 років.

Ще одним проявом активності живих організмів є інтенсивність розмноження. За ідеальних умов (теоретично) вона може сягати швидкості звуку, так, одноклітинна водоросль діатомея теоретично здатна за 8 днів утворити масу речовини, що дорівнює масі Землі.

Значення живих організмів:

· хімічний склад атмосфери і гідросфери зумовлені діяльністю живих організмів;

· живі організми відіграють важливу роль у геологічних процесах, які формують вигляд Землі;

· рослини акумулюють сонячну енергію (поклади кам’яного вугілля – це сонячна енергія, накопичена зеленими рослинами минулих геологічних епох);

· багато мінералів і гірських порід мають біогенне походження;

· живі організми накопичують хімічні елементи у тканинах свого тіла і у середовищі існування (земні рослини збагачують атмосферу і воду киснем, накопичують азот у ґрунті);

· більшість хімічних елементів здійснюють кругообіг через біосферу.

Таким чином, особливістю будови Землі є те, що вона утворена із декількох вкладених одна в одну геосфер. У внутрішній будові Землі виділяють земну кору, мантію і ядро, зовнішні геосфери – це атмосфера, гідросфера, літосфера і біосфера.