Атмосфера, гидросфера, литосфера

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

на тему: «Атмосфера, гидросфера, литосфера»

Атмосфера

Условием появления и развития жизни на земле является атмосфера -- окружающая Землю газовая среда. Её масса около 2,15 * 1015 т, или менее одной миллионной доли всей массы Земли. Толщина нижнего слоя атмосферы (тропосферы), содержащего около 80 % её массы, от 8 км в полярных широтах до 18 км в экваториальном поясе. В стратосфере, расположенной до 55 км над поверхностью, находится до 20 % массы атмосферы. Сухой воздух у поверхности Земли содержит по объёму 73 % азота и 21 % кислорода, малые доли аргона и углекислого газа.

Атмосфера задерживает свыше половины энергии солнечного излучения, достигающего ее наружных границ. Коротковолновое гамма которое могло бы быть губительным для жизни на земле, целиком поглощаются атмосферой (точнее, находящейся в её верхних слоях моно сферой, а также слоем озона) и до поверхности земли не доходят. Атмосфера защищает поверхность Земли и от падения метеоритов. Между атмосферой и поверхностью Земли происходит постоянный тепло-, влаго-и газообмен, изменяется атмосферное давление, совершается циркуляция воздуха, что имеет большое значение для изменений погоды.

В связи с наличием в атмосфере водяного пара и углекислого газа она почти не пропускает теплового излучения, создавая так называемый «парниковый эффект». Это способствует удержанию тепла у поверхности и более высокой температуры, чем она была бы без обволакивающей Землю атмосферной оболочки.

Увеличение содержания углекислого газа в атмосфере в результате человеческой деятельности, процессов горения, в которых сжигается кислород, и образуются углекислый газ и другие газы, приводит к усилению «парникового эффекта», может вызвать повышение средней температуры, угрожает таянием полярных льдов. На состав атмосферы отрицательно влияет выброс различных других вредных веществ -- окислов серы, окислов азота, углеводородов, твердых частиц (пыли) и др.

Движение реактивных самолётов разрушает тонкий слой озона, находящегося в верхних слоях тропосферы и нижних слоях атмосферы и служащего защитой от радиации.

В наибольшей степени загрязняет атмосферу транспорт, преимущественно автомобильный -- основной источник углекислого газа, углеводородов и окислов азота. В целом на его долю приходится более половины всех выбросов в атмосферу. Крупный источник загрязнения -- электростанции, выбрасывающие окислы серы, окислы азота и пыли; далее -- промышленность, выпускающая углекислый газ, окислы серы, углеводороды и твердые частицы. Прочие источники загрязняют атмосферу преимущественно углекислым газом, углеводородами, твердыми частицами. Загрязнение атмосферы продуктами производственной деятельности оказывает обратное разностороннее вредное влияние на производство и быт людей.

Особенно сильно загрязнена атмосфера в развитых странах. Промышленные районы США выпускают в воздух такое большое количество загрязнителей (измеряются миллионами тонн ежегодно), что если бы не движение воздуха с океанов над континентом Америки, последствия такого загрязнения могли бы быть очень тяжелыми. Весьма неблагоприятно это сказывается в тех городах, где циркуляция воздуха мала. Например, в Нью-Йорке, Лос-Анджелесе, в Токио, в Лондоне в безветренные дни дышать тяжело, увеличиваются заболеваемость и смертность от бронхита, астмы, эмфиземы лёгких, сердечнососудистых болезней. Установлена зависимость между смертностью от бронхита и загрязнением воздуха в Англии. Особенно тяжело сказывается на здоровье соединение дыма и тумана -- смог (smoke fog). Смертность от рака лёгких выше у городских, чем у сельских жителей. По расчетам американских экономистов, снижение загрязнения воздуха дает значительную экономию в расходах населения на лечение.

Большой ущерб от загрязнения воздуха наносится зданиям и сооружениям вследствие коррозии, появления трещин, ослабления материалов. По данным Агентства по охране среды, ущерб, нанесенный всем видам зданий и сооружений в 45 городах США, составляет около 600 млн. долл. Под угрозой разрушения находятся исторические памятники Италии, Греции, Египта.

Загрязнение воздуха наносит ущерб сельскому хозяйству. Наличие двуокиси углерода в атмосфере затрудняет дыхание растений. Фтористые соединения плохо влияют на фотосинтез. Уменьшаются количество и вес плодов. Так, ежегодные потери в сельском хозяйстве США от вредных веществ, попадающих в атмосферу, составляет многие миллионы долларов. Только в восточных штатах страны ежегодные убытки от потерь урожая достигают 20 млн долл.

По имеющимся наблюдениям, загрязнение атмосферы наносит значительный ущерб хвойным лесам. Источником загрязнения являются дымовые трубы электростанций, металлургических, нефтеперегонных заводов, выбрасывающих в атмосферу много газов и пыли. Особенно большой вред наносится сернистым ангидридом, взаимодействующим с влагой атмосферы, в результате на землю изливаются кислотные дожди, которые не только вредят деревьям, но разъедают мрамор, железо. К вредным газам, содержащим двуокись серы, окись углерода, окислы азота и попадающим в атмосферу с промышленных предприятий данной страны, прибавляются еще выбросы, переходящие из других стран через государственные границы. Так, вредные выбросы из труб промышленных предприятий северо-востока США отравляют атмосферу не только самих США, но и Канады. Выбросы из Японии в свою очередь достигают США. Из Англии сернистый ангидрид и другие загрязнители достигают Норвегии и Швеции, из Франции попадают в ФРГ. Уровень кислотности в озерах и других водоемах Норвегии местами равен кислотности томатного сока или даже винного уксуса.

Атмосфера относится к тем природным бассейнам, которые невозможно ограничить национальными или государственными границами -- воздушная масса постоянно движется и находится в пользовании всего человечества. Поэтому загрязнение атмосферы одной страной нередко причиняет вред другой стране.

США на своей территории потребляют вдвое больше кислорода из воздуха, чем его выделяется в пределах их территории. Это значит, что они потребляют кислород, создающийся вне страны, поступающий в США из океанов. Необходимо сотрудничество стран в деле использования воздуха, как общего для всей планеты ресурса.

геологическая оболочка планета земная кора

Гидросфера

Гидросфера представляет собой одну из геологических оболочек нашей планеты. Она включает в себя океаны, моря, все водные объекты суши (реки, озера, болота и водохранилища), подземные воды, ледники и снежный покров. Основным компонентом гидросферы является вода. Часто гидросферу рассматривают как глобальную открытую систему, которая занимает 75% поверхности земного шара. Гидросфера содержит 1,5 млрд. км3 воды, 96% из которых приходится на долю Мирового океана. В подземных и почвенных водах, реках, озерах, болотах, водохранилищах и ледниках запасы воды измеряются миллионами км3. В атмосфере воды значительно меньше, и ее объем не превышает 15 тыс. км3. Уникальные свойства воды Вода - единственное химическое соединение, которое существует в природе в виде и жидкости, и твердого вещества (лед), и газа (пары воды). Всем хорошо известно, что вода при нормальных условиях - бесцветная прозрачная жидкость без запаха. Она обладает целым рядом удивительных физико-химических свойств: высоким поверхностным натяжением (с этим свойством связано значительное капиллярное поднятие воды, что способствует питанию растений по корневым системам); высокими температурами кипения и замерзания; удельные энтальпии (теплосодержание) плавления и испарения выше, чем у большинства веществ; плотность воды в жидкой фазе больше плотности льда, поэтому лед плавает на поверхности воды, и водоемы не замерзают до дна. Вода является прекрасным растворителем для многих веществ. Благодаря высокой растворяющей способности воды в ней содержатся практически все химические элементы, из которых наиболее важны для живых организмов. Обилие растворенных элементов превращает водную среду в своеобразный «ведьмин студень», в котором возможны самые фантастические преобразования энергии, вещества и информации. Почти все биохимические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организмов, сводятся к реакциям в водных растворах.

Границы гидросферы

В широком смысле границы гидросферы определяются границами распространения воды как химического соединения. Верхняя граница обнаружения воды находится на высоте 8-18 км, где молекулы воды разлагаются под действием УФ-излучения. Нижняя граница водной оболочки располагается на глубине около 10 км ниже дна океана и на 6-14 км ниже уровня земной поверхности. По определению В. И. Вернадского, нижняя граница гидросферы - это та область земной коры, где при высоких температурах (до 1800° С) протекают не только процессы разложения, но и синтез молекул воды. С точки зрения экологии, границы гидросферы определяются более четко и совпадают с границами водных объектов: морских и пресноводных водоемов и водотоков суши. Гидросфера - динамически активная оболочка. Горизонтальный перенос и перемешивание масс воды определяет постоянное перераспределение их свойств, передачу на огромные расстояния и глубины. Мировой океан как составная часть гидросферы Как уже упоминалось, около 96% объема гидросферы приходится на долю Мирового океана. Его главной особенностью является консервативность и устойчивость во времени. Особенно удивительно сохранение постоянства солевого состава океанской воды: процентное соотношение в ней основных солей остается неизменным в любом районе океана и на всех глубинах, независимо от степени распреснения. Большая теплоемкость воды сглаживает крайние температуры, ведет к накоплению большого количества тепла, что создает благоприятные условия для развития и распространения организмов по всей водной толще. Малая изменчивость физических условий в Мировом океане способствовала в свое время зарождению жизни, в настоящее время благоприятствует поддержанию ее наибольшего разнообразия. Из 33 классов растений, известных биологам, в гидросфере встречаются представители 18, а из 63 классов животных - 60. Можно считать, что гидросфера, и в особенности Мировой океан, являются хранилищами видового разнообразия жизни. Следует отметить, что химический состав крови всех животных (включая и человека) близок по составу к морской воде. Выйдя из «морской стихии» на сушу, живые существа продолжают поддерживать в своих кровеносных сосудах привычную морскую среду. Функции крови и морской воды в принципе одинаковы. Это - транспорт живых клеток, белково-углеводных комплексов и растворенных газов. Важными свойствами океанической среды, помимо устойчивости в геологическом масштабе времени, являются также: - непрерывность (в отличие от континентальных водоемов); - сплошная заселенность и почти полное отсутствие безжизненных зон; - интенсивная циркуляция; - наличие приливов и отливов. В океане могут быть выделены две основные группы местообитаний (биотопов) растений и животных: это прибрежные биотопы (зона шельфа) и биотопы открытых вод (пелагиаль). Прибрежные биотопы имеют достаточно выраженные, очерченные границы. Обычно они размещаются по шельфу поясами (полосами), параллельными береговой линии, которые сменяют друг друга по мере возрастания глубины. В пелагической части океана структура биотопов зависит от режима течений и особенностей циркуляции водных масс в каждом конкретном районе. При наличии устойчивых связей всей водной массы с дном (вследствие интенсивного гидродинамического переноса) образуется единый биотоп. Гораздо чаще, однако, в океане возникает ситуация, когда контрастные водные массы, отличающиеся физико-химическим режимом, располагаются друг над другом по типу слоеного пирога. В этом случае целесообразно рассматривать их как отдельные биотопы. Общими особенностями пелагических биотопов являются большие размеры и размытость границ.

Литосфера

ЛИТОСФЕРА - внешняя сфера «твердой» Земли, включающая земную кору и часть верхней мантии (рис. 1).

Толщина коры под континентами составляет, в среднем, 35-40 км. Там, где на суше расположены молодые высокие горы, она часто превышает 50 км (например, под Гималаями достигает 90 км). Под океанами кора более тонкая - в среднем около 7-10 км, а в некоторых районах Тихого океана - всего 5 км. Границы земной коры определяются по скорости распространения сейсмических волн. Сейсмические волны дают информацию и о свойствах мантии. Установлено, что верхняя мантия состоит, главным образом, из силикатов магния и железа. Состав нижней мантии остается загадкой, однако высказывается предположение, что она содержит оксиды магния и кремния. Заключения о составе земного ядра были сделаны на основании не только анализа сейсмических волн, но и расчетов плотности и изучения состава метеоритов. Считается, что внутреннее ядро представляет собой твердый сплав железа и никеля. Внешнее ядро, по-видимому, жидкое и имеет несколько меньшую плотность. Некоторые специалисты считают, что оно содержит до 14% серы.

Земная кора, гидросфера и атмосфера образовались, в основном, в результате высвобождения веществ из верхней мантии молодой Земли. Сейчас время в срединных хребтах на дне океанов продолжается формирование океанической коры, сопровождающееся выделением газов и небольших количеств воды. По-видимому, и образование коры на молодой Земле было результатом подобных процессов, вследствие чего сформировалась тонкая оболочка, составляющая менее 0,0001% объема всей планеты. Состав этой оболочки, образующей континентальную и океаническую кору, изменялся во времени, прежде всего, за счет перехода элементов из мантии из-за частичного плавления на глубине примерно 100 км. Средний химический состав современной земной коры характеризуется большим содержанием кислорода, за которым следуют кремний и алюминий (рис. 2).

Средние значения относительного содержания химических элементов в верхнем слое земной коры по предложению советского геохимика А.Е. Ферсмана (1883-1945) называют кларками элементов в честь американского ученого Франка Уилгсуорта Кларка (1847-1931), который разработал методы количественной оценки распространенности химических элементов.

Анализ значений кларков позволяет понять многие закономерности распределения химических элементов. Кларки химических элементов земной коры различаются более чем на десять порядков. Так, если алюминия в земной коре содержится более восьми процентов по массе, то, например, золота 4,3·10^-7 %, меди - 5·10^-3 %, урана - 3·10-⁴%, а такого редкого металла, как рений - всего 7·10-⁸ %.Элементы, содержащиеся в относительно большом количестве, образуют в природе многочисленные самостоятельные химические соединения, а элементы с малыми кларками рассеяны, преимущественно, среди химических соединений других элементов. Элементы, кларки которых меньше 0,01%, называют редкими.

Основными соединениями, образующими литосферу, являются диоксид кремния, силикаты и алюмосиликаты. Большую часть литосферы составляют кристаллические вещества, образовавшиеся при охлаждении магмы - расплавленного вещества в глубинах Земли. При остывании магмы образовывались и горячие растворы. Проходя по трещинам в окружающих горных породах, они охлаждались и выделяли содержащиеся в них вещества.

Поскольку некоторые минералы стабильны только при определенных условиях, при изменении температуры и давления они распадаются. Например, ряд силикатов, образующихся глубоко в коре при высоких температуре и давлении, становятся неустойчивыми, когда попадают на поверхность Земли. С другой стороны, на большой глубине под действием внутреннего тепла Земли и повышенного давления многие горные породы меняют свой вид, образуя новые кристаллические формы.

Поверхность континентальной коры подвержена действию атмосферы и гидросферы, что выражается в процессах выветривания. Физическое выветривание является механическим процессом, в результате которого порода размельчается до частиц меньшего размера без существенных изменений в химическом составе. Химическое выветривание приводит к образованию новых веществ, оно происходит под действием влаги, особенно подкисленной, и некоторых газов (например, кислорода), разрушающих минералы.

Простейший процесс выветривания - это растворение минералов. Вода вызывает разрыв ионных связей, соединяющих, например, катионы натрия и хлорид ионы в галите NaCl. В этом процессе не участвуют катионы водорода, поэтому он не зависит от рН.

При разрушении веществ, содержащих элементы в низких степенях окисления, например, сульфидов, большую роль играет кислород. В эти процессы часто вовлечены микроорганизмы. Так, окисление пирита FeS₂можно моделировать следующим рядом реакций. Сначала окисляется сера(-I):

2FeS₂ + 2H₂O + 7O₂ = 4H⁺ + 4SO₄^2- + 2Fe²⁺

Затем следует окисление железа(II), катализируемое железоокисляющими бактериями:

4Fe²⁺ + O₂ + 6H₂O = 4FeO(OH) + 8H⁺

Образующийся гетит FeO(OH) покрывает дно ручьев в виде характерного желто-оранжевого налета.

Железоокисляющие бактерии извлекают энергию при окислении неорганических веществ, поэтому они развиваются там, где нет органических соединений, используя в качестве источника углерода СО₂. Однако окисление железа - не очень эффективный способ выработки энергии: для получения 1 г клеточного углерода должно быть окислено примерно 220 г железа(II). В результате там, где живут железоокисляющие бактерии, образуются большие отложения соединений железа(III).

Выветривание карбонатных минералов, например CaCO₃, происходит при взаимодействии с кислотами, содержащимися в воде за счет поглощения диоксида углерода, а также антропогенного диоксида серы. При этом поверхностные воды нейтрализуются и обогащаются гидрокарбонат-ионами:

CaCO₃ + H₂CO₃ = Ca²⁺ + 2HCO₃-

Разрушение силикатов, например Mg₂SiO₄ (форстерит) можно описать следующим уравнением:

Mg₂SiO₄ + 4H₂CO₃ = 2Mg²⁺ + 4HCO₃- + H₄SiO₄

Реакция идет за счет образования чрезвычайно слабой ортокремниевой кислоты, при этом минерал со временем полностью растворяется. Однако при выветривании более сложных силикатов растворимыми оказываются не все продукты. В общем случае в результате выветривания образуются, в основном, кварц и глинистые минералы - водосодержащие слоистые алюмосиликаты. Например, при выветривании CaAl₂Si₂O₈ (анортит) твердым продуктом реакции является глинистый минерал каолинит:

CaAl₂Si₂O₈ + 2H₂CO₃ + H₂O = Ca²⁺ + 2HCO₃- + Al₂Si₂O₅(OH)₄

На скорость выветривания влияет биосфера (где создается диоксид углерода), а также рельеф суши и климат, состав воды, тип материнской породы и кинетика реакций с участием отдельных минералов. Так, во влажных тропиках выветривание происходит быстрее. Это связано с тем, что высокие температуры ускоряют реакции, а постоянные ливни делают возможным быстрое вымывание и снос в моря, и океаны даже практически нерастворимых соединений, например, оксидов алюминия и железа.

Продукты выветривания образуют рыхлые континентальные отложения, мощность которых меняется от 10-20 см на крутых склонах до десятков метров на равнинах и сотен метров - во впадинах. Средний минералогический состав рыхлого покрова суши заметно отличается от состава земной коры континентов (рис. 3).

На рыхлых покровных отложениях сформировались почвы, играющие важнейшую роль во взаимодействии живых организмов с земной корой. В почвах систематически консервируется значительная масса органического вещества, синтезированного высшими растениями. Окисление органического вещества в почвах катализируется ферментами микроорганизмов, при этом образуется диоксид углерода, который при взаимодействии с водой дает слабую угольную кислоту. Это может понизить рН почв до 4-5, что оказывает существенное влияние на процессы выветривания. Почва участвует в круговороте азота, серы и фосфора, а также многих металлов. Поэтому проблема охраны почв имеет большое значение.

На ранних этапах истории человечества деятельность людей почти не затрагивала глубины Земли. Однако с началом бурного развития промышленности резко возросли потребности человека в полезных ископаемых. Их добыча и переработка начали оказывать вредное воздействие на природу. При разработке открытых горных выработок образуется много пыли, загрязняющей окрестности. Огромные площади занимают отвалы «пустой» породы, образующиеся при добыче твердых полезных ископаемых. Откачка воды из горных выработок приводит к образованию подземных пустот. Многие горнодобывающие предприятия сбрасывают в реки недостаточно очищенные стоки, что ведет к загрязнению природных вод. В окружающую среду попадают вредные вещества из отвалов этих предприятий. Немало опасных веществ рассеивается при транспортировке руд и продуктов их переработки.

Загрязнение окружающей среды в результате добычи и переработки полезных ископаемых можно уменьшить, если использовать достижения науки и более совершенные технологии.

Размещено на Allbest.ru