Курс лекций по "Концепции современного естествознания"

Лекция 5.2 Экологические функции  литосферы,атмосферы  и гидросферы.

1. Современные концепции  развития геосферных  оболочек

  Разработка  неклассической концепции глобальной эволюции Земли позволила с новых позиций представить развитие геосферных оболочек. Речь отнюдь не идет о простой констатации фактов, они интерпретируются в принципиально новой концептуальной манере. Именно в этой связи ниже рассматривается развитие геосферных оболочек, при этом автор руководствуется книгой О.Г.Сорохтина и С.А.Ушакова «Глобальная эволюция Земли» [44].

  В неклассической концепции глобальной эволюции Земли в объяснении динамических истоков развития геосферных оболочек решающее значение придается: однородности химического состава первичной Земли; изменению ее термодинамических состояний под воздействием энергетических потоков; приобретению расплавленным веществом Земли текуче-подвижных состояний, приводящих к химико-плоскостной дифференциации этого вещества; образованию в результате дифференциации вещества Земли ее геосферных оболочек; эволюции геосферных оболочек в процессе непрекращающихся изменений динамических потенциалов Земли. Каждый новый шаг в осмыслении возникновения, эволюции и развития (коренных преобразований) геосферных оболочек требует четкого выделения тех динамических факторов, которые детерминируют геологические события. В этом состоит суть, главное содержание неклассической концепции глобальной эволюции Земли.

  Энергетическая  динамика Земли определяется в основном тремя составляющими: энергией гравитации (ок. 82%), энергией радиоактивного распада (ок. 12%), приливной энергией (ок. 4%). Что касается солнечной энергии, то она, частично поглощаясь внешними геосферными оболочками, отражается ими же в космос. Следует отметить, что Земля стала тектонически активной далеко не сразу, а лишь после ее разогрева, который из-за наличия приливных сил (высота волн прилива достигала 1 км) оказался наибольшим в приповерхностных слоях планеты. Тепловая энергия из поверхности планеты постепенно разогревала все ее вещество, переводя его в расплавленное состояние. Земли, обладавшие наибольшей плотностью, стали диффундировать в центр планеты.

В первичном  составе Земли содержалось много  «металлического» железа (ок. 13%) и его двухвалентной окиси (ок. 24%). 

Железо  появилось отчасти за счет межзвездной материи, из которой образовалась Земля, и захвата ею метеоритов, в которых содержится около 30% железа. Стекание железа и его окислов в центр планеты привело к образованию ядра Земли. Более легкие вещества при этом переходили в верхние слои планеты, где они, остывая, образовывали астеносферу и литосферу. Собственно мантия Земли оказывалась заключенной между ядром планеты и ее твердыми приповерхностными областями, т.е. литосферой (астеносферу иногда причисляют к мантии Земли или же считают самостоятельной геосферной оболочкой). Дегазация планеты привела к образованию атмосферы Земли. За счет конденсации водяных паров атмосферы образуется гидросфера.

   Итак, было время (4,6—4,0 • 10⁹ лет назад), когда Земля не была дифференцирована на геосферные оболочки, которые, подобно всем космическим объектам, возникают, проходят некоторые этапы своей эволюции и умирают. Все геосферные оболочки являются результатом дифференциации вещественного состава первичной Земли. Возникнув однажды, они приобретают относительную самостоятельность и становятся геодинамически активными.

  Выражаясь несколько образно, атмосфера оказывает  давление на литосферу и гидросферу, две последние упруго сжимают  мантию планеты, которая в свою очередь  спрессовывает ядро Земли. Если же идти от центра планеты к ее периферии, то динамическая картина оказывается другой. Ядро Земли притягивает к себе вешество всех других геосферных оболочек, охватывает их обручем инициированного им магнитного поля, нагревает мантию и достигающие его оболочки литосферы. Мантия Земли передает мощные потоки тепловой энергии литосфере, раздвигает океанское дно и перемещает литосферные плиты. Литосфера и гидросфера оказывают тепловое воздействие на атмосферу;

  выветриваясь  и испаряясь, они передают ей также огромные массы вещества. Таким образом, геодинамическая активность Земли также имеет свою историю: она находится в полном соответствии с историей эволюции геосферных оболочек.

   Рассмотрим  в свете неклассической концепции  глобальной эволюции Земли истории основных геосферных оболочек. В данной книге нет необходимости, да и возможности, проводить анализ со всей строгостью геологических наук. Поэтому он проводится качественно. Главная задача состоит в том, чтобы выразить суть дела.

  История ядра Земли. Формирование ядра Земли началось примерно 4,6 • 10⁹ лет назад (здесь и в дальнейшем в данном разделе отсчет времени ведется по направлению от прошлого к современности). Соответствующие расчеты показывают, что оно особенно интенсивным было в период 3—2,6 10⁹ лет тому назад. После 2,6 млрд лет наращивание массы земного ядра начало резко, а потом плавно убывать. В наши дни масса ядра увеличивается, согласно расчетам, на 130 млрд т в год. «Металлическое железо» покинуло мантию Земли примерно 500 млн лет тому назад, оставшийся в ней магнетит Fe₃ O₄ распадается:

   , при этом  переходит во внешнее ядро Земли. Остывание Земли приведет к частичному или полному затвердеванию как ее мантии, так и ядра. Дальнейшая судьба нашей планеты будет зависеть в первую очередь от Солнца — перехода его в состояние белого карлика, что будет сопровождаться гигантским выбросом излучения, которое «опалит» Землю.

  Из всех геосферных оболочек наибольшие шансы  уцелеть в «солнечной парилке» имеет как раз земное ядро. Оно, надо полагать, разогреется, затем вновь остынет и станет космическим путешественником, который либо под действием излучения будет медленно рассеиваться, либо, по случаю, угодит «в топку» неведомой нам звезды.

  История мантии Земли. По своему вещественному составу мантия планеты наиболее близка к составу первичного вещества Земли. Тем не менее именно в'ней процессы химико-плот-ностной дифференциации идут наиболее энергично:

  на протяжении 4 млрд лет она проходит все новые  стадии своего вещественного обеднения. Тяжелое вещество уходит к центру планеты — в ее ядро. Легкие элементы перемещаются в лито-, атмо- и гидросферу. Из мантии Земли полностью исчезли FeS, Fe, Ni по сравнению с составом первичной Земли она существенно обеднела легкими веществами ( и др.). Вместе с тем происходящая в мантии химико-плотност-ная дифференциация приводит к росту в процентном содержании окислов кремния SiO₂ и магния MgO. В сумме эти два окисла составляют около 83% состава современной мантии (против 57% в составе первичного вещества Земли) [44, с. 93].

  Современная мантия вся охвачена мощными конвективны-ми движениями, за счет которых тепловая энергия ядра и мантии передается другим геосферным оболочкам. Теплопотери Земли неминуемо приведут к ее остыванию и переходу мантии

  183

  Серпентинитизация океанической коры привела к «извлечению» углекислого газа из атмосферы, его парциальное давление снизилось почти до современного. Обеднение атмосферы СОз — газом, который задерживает инфракрасное (тепловое) излучение Земли, привело к резкому снижению приземной температуры

(с 90 до 6 °С). Сопровождалось  это (2,4 млрд лет назад) грандиозным  оледенением.

  Активную  роль в извлечении углекислого газа из атмосферы сыграли также зеленые  растения и фотосинтезирующие микроорганизмы. Речь идет о процессе фотосинтеза, суммарное выражение которого, как известно, выглядит следующим образом:

(фотосинтез  проходит с участием хлорофилла, поглощающего кванты света).

  Насыщение атмосферы кислородом происходило также благодаря фотодиссоциации паров воды коротковолновым излучением Солнца

  

и галогенизации  окислов щелочных и щелочноземельных металлов

      

      (галогенами  являются хлор и фтор).

  В насыщении атмосферы кислородом доминирует биогенез, а аутсайдером является галогенез.

  Далеко  не весь кислород переходил непосредственно  в атмосферу. Его мощным поглотителем являлось свободное железо:

  Свободное железо исчезло из мантии Земли около 600 млн лет назад. Это способствовало росту выхода кислорода в атмосферу,

что благоприятствовало быстрому развитию многоклеточных организмов.

  В современных условиях выделяющийся в мантии кислород частично поглощается:

  Расчеты показывают, что через 600 млн лет содержащееся в мантии железо окажется в состоянии магнетита. Магнетит устойчив в мантии, но при переходе в ядро Земли он распадается:

  Свободный кислород, не встречая препятствий, через  рифто-вые зоны устремится в атмосферу. Это, согласно расчетам, приведет к быстрому росту давления атмосферы (10 атм), приземная температура достигнет 250 °С. После вскипания воды океанов давление возрастет до 350 атм, а приземная температура достигнет 450 °С. В новых обстоятельствах жизнь окажется невозможной. История жизни атмосферы прервется через 5 млрд лет, после взрыва Солнца. Атмосфера не сможет противостоять мощному солнечному излучению и будет им испарена.

Резюме

  • С позиций  неклассической концепции глобальной эволюции Земли развитие геосферных оболочек выглядит иначе, чем в других концепциях.

  • В рассматриваемой  концепции первостепенное внимание уделяется динамическим факторам эволюции Земли. Среди этих факторов наиглавнейшим  является энергия, выделяемая при химико-плотностной дифференциации вещества в мантии и ядре Земли.

  • Согласно расхожему мнению, энергетика Земли  определяется потоками энергии Солнца. Такая энерго-гелиоцентрическая точка зрения ошибочна. Энергетика Земли определяется в первую очередь тем, что происходит внутри нее. Солнечная энергия сначала воспринимается, а затем отображается геосферными оболочками. На тектоническую деятельность Земли она оказывает незначительное влияние.

  • Механизм химико-плотностной дифференциации вещества определяет как само наличие геологических явлений, так и их специфику. Сравните: специфику звездных процессов детерминируют реакции термоядерного синтеза, особенности же биологических явлений обуславливаются генными механизмами ДНК, своеобразие геологических явлений зависит от механизма химико-плотностной дифференциации вещества в мантии и ядре Земли.

* «С  позиций неклассической концепции  глобальной геоэволюции в развитии  Земли выделяются следующие этапы:

  1) образование  планеты (4,7—4,0 млрд лет назад);

  2) нарастание  тектонической деятельности Земли и достижение ею своего пика (4-2,2 млрд лет назад);

  3) период  приблизительного постоянства в  тектонической деятельности планеты  (2,2 млрд лет назад—0,6 млрд лет  вперед);

  4) угасание  тектонической деятельности Земли  (0,6 млрд лет назад—1,6 млрд лет вперед);

  5) остывание  планеты под лучами Солнца (1,6—5 млрд лет вперед);

  6) опаление  Земли в результате взрыва  Солнца (около 5 млрд лет вперед);

  7) космическое  странствие планеты (через 5 млрд  лет).

   • Истории  эволюции геосферных оболочек Земли сопряжены

друг с другом, но каждая из этих историй имеет  свои весьма своеобразные этапы.

   • Земля  — уникальная планета. Если бы в  ней исходные концентрации веществ, в частности Fe, FeO, CO₂ , H₂ O были несколько другими, то тектоническая деятельность планеты вряд ли обеспечивала бы благоприятные условия для живых организмов, т.е. биоту. Имея это в виду, впору ставить вопрос не только о космологическом, но и геологическом антропном принципе. Бесспорно, существует глубокая связь между космологическим, геологическим, биологическим и антропологическим знаниями.

29. Абиотические факторы  и экологические  функции литосферы

  Каждая  из геосферных оболочек обладает как  абиотической, так и экологической значимостью. Абиотический и экологический подходы дополняют друг друга. При абиотическом подходе компоненты и явления неживой природы рассматривают как условие существования живых организмов, в том числе человека. При экологическом подходе факторы неживой среды изучаются не просто сами по себе, а в их конкретном взаимодействии с биотой и влиянием на нее. Несмотря на то, что все гео-сферные оболочки важны в абиотическом и экологическом плане, до недавнего времени абиотический и экологический подходы использовались в основном при изучении гидросферы и атмосферы. Лишь в середине 90-х годов было введено понятие -экологические функции литосферы». Что касается абиотических факторов и экологических функций мантии и яд-

ра Земли, то их изучение, надо полагать, будет признано также актуальным, но позднее. С изучением  абиотических факторов и экологических функций литосферы медлить нельзя: оно стало предельно насущным для будущего человечества уже сейчас. Материал данного параграфа является иллюстрацией к вопросу о единстве экологии и геологии, или о содержании геоэкологии. Абиотическая аспект дела рассматривается, как правило, вместе с его экологическим содержанием.