Этапы формирования географической оболочки

Этапы развития географической оболочки

Географическая оболочка Земли в прошлом не была такой как сейчас.

Она длительно формировалась и стала результатом взаимодействия атмосферы, гидросферы, литосферы, биосферы и человека.

Ученые выделяют три исторических этапа в развитии географической оболочки.

Первый этап — геологический (или добиогенный). Это самый ранний этап истории Земли.

На этом этапе сначала жизни еще не было, а потом, хотя она и появилась, но все еще не оказывала существенного влияния на географическую оболочку.

Жизнь была представлена исключительно простейшими организмами, и они не оказывали существенного влияния на формирование географической оболочки. В атмосфере было очень мало молекулярного кислорода, зато было много углекислого газа.

Этот этап длился с момента образования Земли (где-то 4,5 млрд лет назад) до примерно 600 млн лет назад.

То есть этот этап самый длительный, он продолжался около 3 млрд лет.

Во время геологического этапа произошло формирование земной коры, появились материки, жизнь зародилась в океане и достигла своего расцвета там.

Второй этап — биологический. Он начался примерно чуть мене 600 млн лет назад. В это время атмосфера и гидросфера стали такими как сейчас, появился озоновый слой, жизнь распространилась по суше, образовалась почва.

На развитие географической оболочки существенное влияние оказывали живые организмы. Происходило формирование горных пород, имеющих органическое происхождение.

Третий этап — антропогенный (современный).

Точный момент появления человека неизвестен, однако ученые считают, что антропогенный этап развития географической оболочки начался примерно 40 тысяч лет назад, когда человек начал оказывать заметное влияние на природу.

С того времени влияние человека на природу становится все больше. При этом люди не учитывали закономерностей развития и существования географической оболочки и уже нанесли ей серьезный вред. Многие природные комплексы стали непригодны для существования.

Во Вселенной, чтобы что-то изменялось, необходима энергия.

Это касается и развития Земли, в частности ее географической оболочки. В основном на Землю энергия поступает от Солнца, однако немало энергии дает внутреннее тепло Земли.

Географическая оболочка, которая существует на Земле, — это уникальное явление, которого нет на других планетах.

Что такое географическая оболочка?

Географическая оболочка— материальная система, образованная при взаимопроникновении и взаимодействии атмосферы, гидросферы, литосферы, живого вещества, а на современном этапе — и человеческого общества.

Географическая оболочка, изменённая хозяйственной деятельностью — называется географической средой.

Географическая оболочка — крупнейший природный комплекс для которого характерна целостность за счет круговорота веществ и обмена энергии, устойчивость,  ритмичность (суточные, годовые, многолетние ритмы), иерархичность и зональность (природные и климатические пояса, природные зоны и высотная поясность).

Общая мощность географической оболочки составляет примерно 40 км.

.Именно в этой оболочке земли есть все необходимые источники для жизни.

Этапы развития географической оболочки Земли

Этапы географической оболочки:

• 1) Неорганический — до появления жизни на Земле в этот этап сформировались литосфера, первичный Океан и первичная атмосфера.
• 2) Органический — формирования и развитие биосферы преобразовавшей все существующие сферы Земли.
• 3) Антропогенный — современный этап развития географической оболочки, когда с появлением человеческого общества началось активное преобразование географической оболочки и возникновение новой сферы — сферы разума.

Динамика географической оболочки

Источники энергии в  географической оболочке

Движение в географической оболочке характеризуется большим разнообразием.

Установленные к настоящему времени закономерности перемещения энергии и вещества в географической оболочке составляют основу прогнозирования физико-географических процессов и управления ими. Исключительный динамизм географической оболочки питается двумя мощными потоками энергии: экзогенным, главным образом солнечным, и эндогенным, связанный с недрами Земли. Экзогенный поток энергии во много раз превосходит эндогенный.

У земной поверхности по приближенным подсчетам в географическую оболочку поступает 2.3 х 1024 Дж/год экзогенной энергии и 1.1 х 1021 Дж/год эндогенной энергии.

Трансформация и перенос энергии и вещества в географической оболочке. Перенос и распределение тепла

Важнейшей особенностью географической оболочки являются круговороты вещества и энергии.

Роль их в природе колоссальна, так как они обеспечивают многократность одних и тех же процессов и явлений, а также направленный характер их развития.

Круговорот веществ — многократное участие вещества в процессах, протекающих в геосферах планеты. Круговорот энергии — использование энергии в геосистемах для обеспечения круговоротов вещества.

Так как круговороты вещества и энергии в географической оболочке носят открытый характер, преобладание в них приходной или расходной частей свидетельствует о тенденциях развития данной системы, ее устойчивости или неустойчивости.

В развивающихся природных системах всегда превалирует приходная составляющая, что обеспечивает расширенное осуществление процессов и явлений.

Взаимодействие структурных частей географической оболочки протекает не хаотически. Это отдельные звенья общего круговорота вещества и энергии, которые связывают воздушную тропосферу, водную сферу, земную кору и биосферу в единое целое – географическую оболочку Земли и может быть назван общегеографическим круговоротом вещества и энергии.

Исходным звеном общегеографического круговорота веществ и энергии является земная поверхность.

Под влиянием солнечной энергии здесь возникают динамические явления – в воздушной тропосфере и водной оболочке. Они сопровождаются переносом тепла и влаги, формируются биосфера и кора выветривания – структурные части географических ландшафтов.

Общегеографические круговороты протекают медленно даже по геологическим масштабам времени.

Они не являются совершенно замкнутыми. В разные геологические эпохи с неодинаковой силой проявляются тектонико-магматические процессы, значительные колебания испытываетвулканизм, который воздействует на состав атмосферы, а через нее  — на биосферу; в непрерывной эволюции находится жизнь, и ландшафты каждого круговорота качественно отличны.

Общегеографические круговороты вещества и энергии представляют синтез частныхкруговоротов. Главнейшие из них – геологический круговорот, круговорот воды, биологический круговорот.

Перенос тепла от поверхности в атмосферу происходит тремя путями: тепловое излучение, нагревание или охлаждение воздуха при контакте с сушей, испарение воды.

Водяные пары, поднимаясь в атмосферу, конденсируются и образуют облака или выпадают в виде осадков, а выделяемое при этом тепло поступает в атмосферу. Поглощенная атмосферой радиация и тепло конденсации водяных паров задерживают потерю тепла земной поверхностью.

Над засушливыми районами это влияние уменьшается, и мы наблюдаем самые большие суточные и годовые амплитуды температуры. Наименьшие амплитуды температуры присущи океаническим районам. Являясь огромным резервуаром, океан хранит больше тепла, что ослабляет годовые колебания температуры вследствие высокой удельной теплоемкости воды. Таким образом, на Земле вода играет важную роль как аккумулятор тепла.

Структура теплового баланса зависит от географической широты и типа ландшафта, который, в свою очередь, сам зависит от нее.

Она существенно изменяется не только при движении от экватора к полюсам, но и при переходе с суши на море. Суша и океан различаются как по величине поглощенной радиации, так и по характеру распределения тепла..

До 80% энергии, поглощаемой океаном, расходуется на испарение воды. 20% энергии расходуется на турбулентный теплообмен с атмосферой (что также больше, чем на суше).

Вертикальный теплообмен океана с атмосферой стимулирует и горизонтальный перенос тепла, благодаря чему оно частично оказывается на суше. В теплообмене океана и атмосферы участвует 50-метровый слой воды.

Атмосферная циркуляция

Это система крупномасштабных воздушных течений над земным шаром или полушарием. Атмосферная циркуляция обусловлена неоднородным распределением температуры и атмосферного давления, возникновением так называемого барического градиента; получаемая энергия атмосферная циркуляции расходуется на трение, но непрерывно пополняется за счёт солнечной радиации.

Направление воздушных течений определяется барическим градиентом, вращением Земли, влиянием подстилающей поверхности. В тропосфере к атмосферной циркуляции относятся пассаты, муссоны, воздушные течения, связанные с циклонами и антициклонами, в стратосфере — преимущественно зональные воздушные течения (западный — зимой и восточный — летом).

Перенося воздух, а с ним теплоту и влагу из одних широт и регионов в другие, атмосферная циркуляция является важнейшим климатообразующим фактором.

В нижней тропосфере тропической зоны преобладает циркуляция, вызываемая пассатами — устойчивыми ветрами: северо-восточным — в Северном полушарии и юго-восточным — в Южном полушарии (наблюдаются в течение круглого года в среднем до высоты 4 км).

Над областью пассатов в средней и верхней тропосфере преобладают западный воздушные течения. Над некоторыми участками тропической зоны, в особенности в бассейне Индийского океана, преобладает режим муссонной циркуляции (зимний муссон совпадает с пассатом, летний муссон обычно имеет противоположное направление).

В тропосфере умеренных широт на перифериях субтропических антициклонов обоих полушарий преобладает западный перенос.

В нижней части тропосферы полярных районов преобладают восточные ветры. В средних широтах, в зоне больших горизонтальных градиентов температуры и давления, возникают тропосферные фронтальные зоны, струйные течения, циклоны и антициклоны, которыми осуществляется межширотный воздухообмен.

Атмосферная циркуляция в тропиках также не является изолированной от внетропической циркуляции.

Частое и интенсивное развитие циклонов и антициклонов внетропических широт приводит к образованию климатических областей низкого и высокого давления, которые хорошо выражены на многолетних картах атмосферного давления. Высокие циклоны и антициклоны простираются в верхнюю тропосферу и нижнюю стратосферу, однако в среднем вследствие общего согласованного убывания давления и температуры от низких к высоким широтам в этой части атмосферы преобладает западный перенос.

Выше 20 км атмосферная циркуляция носит сезонный муссонный характер, что обусловлено радиационным балансом стратосферы. Следствием этого является преобладание летом восточного, а зимой западного воздушного течения.

Термин «атмосферная циркуляция» применим также к атмосферным движениям, возникающим над небольшими площадями земной поверхности (местная циркуляция), — береговым ветрам (бризам), горно-долинным ветрам и т. п.

Литосферные круговороты

Благодаря вертикальным и горизонтальным движениям блоков земной коры и магматической деятельности, а также процессам сноса происходит обмен веществ земной поверхности с мантией.

Продукты выветривания коренных пород и биогенные накопления погружаются и превращаются в комплексы осадочных пород.

Еще глубже под влиянием очень высокой температуры и давления, а также воздействия глубинных растворов, осадочные породы подвергаются метаморфизации. На больших глубинах метаморфические породы находятся в состоянии термодинамического равновесия.

Нарушение этого равновесия происходит под влиянием падения давления, или поступает дополнительное тепло при радиоактивном распаде. Все это влечет за собой образование жидкой магмы.  Находящаяся под давлением магма, насыщена газообразными продуктами. С изменением давления, она прорывается в верхние слои земной коры и, охлаждаясь, переходит в изверженные  кристаллические породы.

Эти породы представлены глубинными интрузиями и излившимися на поверхность лавами.

Со временем происходит разрушение кристаллических пород, на продуктах их выветривания образуются ландшафты – начальное звено нового географического цикла.

Литосферные круговороты проявляются двояко. Во-первых, это действительно перемещение вещества самыми разнообразными механическими путями, что соответствует понятию «круговорот горных пород».

Во-вторых, это изменение вещественного состава перемещаемых или пребывающих в состоянии покоя горных пород (перенос минеральных веществ в земной коре), и такие процессы чаще называют геохимическими круговоротами.

Периодические движения в географической оболочке

Проявляются во многих процессах: тектонических, магматических, осадконакоплений, климатических, гидрологических, и многих других.

Многочисленные факторы говорят о колебаниях климата, которые вызваны изменениями параметров земной  орбиты, солнечной активности, приливами и отливами, и др.

Например, хорошо прослеживаются климатические колебания в 35 лет  и 1 800 лет. Последний зафиксирован в развитии природы Сахары, где неоднократно чередовались эпохи влажного и аридного климатов.

Периодичность характерна для тектонико-магматических процессов: поднятий и опусканий, землетрясений, складчатых движений, интрузивного и эффузивного вулканизма.

Между ними находятся периоды относительного тектонического покоя – в 50  — 150 млн. лет.

Периодичность прослеживается и в разрезах геологических отложений. В приледниковых озерах накапливается ленточная слоистость. Летом, когда ледник тает, в озеро приносится более крупнозернистый материал, зимой отлагается тонкий глинистый осадок.

Ритмичность и цикличность

Выявление ритмики природных явлений имеет важное значение для их прогнозирования.

ритмичность развития, т.е. повторяемость во времени тех или иных явлений. В природе Земли выявлены ритмы разной продолжительности — суточный и годовой, внутривековые и сверхвековые ритмы.

Суточная ритмика, обусловлена вращением Земли вокруг своей оси. Суточный ритм проявляется в изменениях температуры, давления и влажности воздуха, облачности, силы ветра; в явлениях приливов и отливов в морях и океанах, циркуляции бризов, процессах фотосинтеза у растений, суточных биоритмах животных и человека.

Годовая ритмика — результат движения Земли по орбите вокруг Солнца.

Это смена времен года, изменения в интенсивности почвообразования и разрушения горных пород, сезонные особенности в развитии растительности и хозяйственной деятельности человека.

Разные ландшафты планеты обладают различной суточной и годовой ритмикой. Так, годовая ритмика лучше всего выражена в умеренных широтах и очень слабо — в экваториальном поясе.

Большой практический интерес представляет изучение и более продолжительных ритмов: 11-12 лет, 22-23 года, 80-90 лет, 1850 лет и более длительных но, к сожалению, они пока еще менее изучены, чем суточные и годовые ритмы.

Саморегулирование в географической оболочке

Характерная черта динамики географической оболочки и ее компонентов — саморегулирование,которое базируется на принципе всеобщей связи явлений.

Благодаря саморегулированию географическая оболочка сохраняет свою устойчивость, и многие параметры геосистем находятся в состоянии динамического равновесия, несмотря на резкие колебания внешних факторов. Примером саморегулирования может служить солевой состав Мирового океана: несмотря на различия в количестве атмосферных осадков, испарении и речном стоке, соотношение ионов солей в океанической воде остается почти постоянным (В.И.Вернадский даже предлагал принять это соотношение за константу нашей планеты).

Другой пример — регулирование содержания диоксида углерода в географической оболочке на основе карбонатной системы Мирового океана.

Основная причина постоянства — всеобщая взаимосвязанность концентраций веществ. В соответствие с принципом Ле-Шателье-Брауна, нельзя изменить концентрацию одного компонента замкнутой термодинамической системы без изменения содержания остальных компонентов: если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, оказывать внешнее воздействие, то в системе усиливается то направление процесса, течение которого ослабляет данное воздействие, и положение равновесия смещается в том же направлении.

Это обстоятельство защищает систему от внешних возмущений.

Единство и целостность географической оболочки

Потоки воздуха, воды, льда, минеральных частиц и других веществ, а также потоки энергии служат своего рода каналами, связывающими части географической оболочки в единое целое.

Направление движений в географической оболочке определяется градиентами силовых полей, расположением блоков земной коры.

Горизонтальные перемещения воздуха, воды, минеральных частиц и других типов вещества в сотни и тысячи раз превышают вертикальные, таким образом, последние происходят в поле силы тяжести.

Источником переноса воздушных масс, а вместе с ними и других типов вещества служат в большинстве случаев горизонтальные градиенты.

Следовательно, среда географической оболочки анизотропна.

Изотропность – отсутствие выделенных направлений. Все направления одинаковы по своим свойствам. Анизотропна – не изотропна.

Универсальность взаимосвязей в географической оболочке ограничивается и неодинаковой скоростью распространения возмущений, переноса различных типов вещества.

Наибольшая скорость переноса характерна для фотонов излучения (около 300  000 км/ сек). Медленнее всего происходят перемещения блоков земной коры, а также льда. Поэтому, взаимодействия, например, в атмосфере, происходят во много раз быстрее, чем в других сферах.

Единство и целостность географической оболочки усложняет решение проблемы управления природными ресурсами. Это можно объяснить так: воздействие человека на ограниченные районы, на самом деле распространяются на значительные территории, а в конечном счете – по всей географической оболочке.

Изучение связей дает возможность определить относительно обособленные системы и вследствие этого – более удобные для управления.

Таким образом, в географической оболочке наблюдается диалектическое сочетание  единства и целостности с одной стороны, и структурности, расчлененности ее на отдельные части (подсистемы) – с другой.

В географическую оболочку энергия поступает из Космоса, недр Земли и выделяется при гравитационном взаимодействии планеты с ближайшими космическими телами — Луной и Солнцем. В зависимости от этого энергетические источники подразделяют на эндогенные и экзогенные.

Эндогенная энергия — это энергия земных недр, которая поступает в географическую оболочку в двух формах: теплового потока (теллурические токи) и путем механических перемещений вещества.

Величина теплового потока в среднем в 10-5 раз меньше потока электромагнитной солнечной энергии (0,06 Дж/м2·с).

Источниками эндогенной энергии являются: гравитационная дифференциация земного вещества по плотности, распад радиоактивных элементов, внутреннее трение масс вещества, неизбежно сопровождающее гравитационную дифференциацию, приливное трение, обусловленное взаимодействием Земли с Луной и Солнцем. Поступление тепла на земную поверхность через гейзеры, вулканические извержения и от других локальных и спорадических источников намного меньше и в общих расчетах обычно не учитывается.

Определенную часть эндогенной энергии составляет солнечная энергия, поступившая на земную поверхность ранее и сохранившаяся в «геохимических аккумуляторах» — горючих полезных ископаемых, горных породах абиогенного происхождения и рассолах, законсервированных в земной коре.

Экзогенная энергия: что это такое?

Энергия, поступающая на Землю из Космоса, называется экзогенной.

В количественном отношении она на 97% состоит из электромагнитного излучения Солнца — солнечной радиации.

Вследствие малой изменчивости интенсивности солнечной радиации, поступающей на верхнюю границу атмосферы, ее поток, рассчитываемый на 1 см2 в минуту, называют солнечной постоянной, которая равна 1,98 кал/(см2·мин), или 8,3 Дж/(см2·мин).

Электромагнитное излучение Солнца содержит широкий спектр волн разной длины.

Наряду с электромагнитными потоками в атмосферу проникает корпускулярный поток заряженных частиц — «солнечный» и «космический» ветер.

Их суммарная энергия в несколько тысяч раз меньше электромагнитной энергии и уступает (в количественном выражении) даже эндогенной энергии. Корпускулярный поток почти полностью поглощается магнитосферой и верхними слоями атмосферы.

Его изменчивость, обусловленная пульсациями солнечной активности, вызывает возмущения геомагнитного поля, что отражается на биологических процессах.

Суммарное воздействие эндогенной и экзогенной энергий изменяет вещество земной коры, создает форму и рельеф Земли.