Основы географии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Состав и структура географической оболочки

1. Литосфера - внешняя оболочка твердой части Земли, мощностью от нескольких до 200 км, включающая земную кору и верхнюю часть мантии. К собственно ГО относят лишь или земную кору, или осадочный слой зем. коры, или кору выветривания. Земная кора отделяется от верхней мантии поверхностью Мохоровичича, или Мохо, на которой происходит скачок скоростей продольных сейсмических волн, установленный югославским ученым А. Мохоровичичем.

Земная кора сложена магматическими, метаморфическими и осадочными породами. Магматические породы образуются при застывании магмы, внедрившейся в толщи вышележащих отложений (интрузивные породы - гранит, габбро, сиениты, диориты и др.) или излившейся на поверхность (эффузивные породы - базальт, андезит, липариты, вулканический туф и др.).

Осадочные породы формируются за счет либо продуктов разрушения ранее образовавшихся пород (обломочные или кластические), либо жизнедеятельности организмов (органогенные - известняки, каменный и бурый уголь, кремнистые породы), либо химических реакций (хемогенные - соли, руды металлов).

Метаморфические породы возникают в результате преобразования пород другого происхождения под воздействием высокой температуры и высокого давления, контакта с породами иного химического состава и т.д. К ним относятся сланцы, мрамор, кварциты и др.

Кристаллические породы магматического и метаморфического происхождения занимают 90% объема зем. коры. Однако для геогр. процессов не менее существенна роль осадочного слоя, который на большей части земной поверхности непосредственно контактирует с воздухом и водой. Средняя мощность осадочного слоя (стратисферы) составляет 2.62 км, реальная мощность колеблется от нуля на древних щитах до 10-12 км на пассивных окраинах континентов и в краевых прогибах платформ до 400-500 м в океаническом ложе. Наиболее распространенными горными породами в осадочной толще являются глины и глинистые сланцы (50%), пески и песчаники (23.6%), карбонатные породы (23.5%), лессы и лессовидные суглинки.

Различают три типа земной коры - материковый, океанический и переходный.

Материковая кора. Ее мощность меняется от 20-25 км под островными дугами и участками с переходным типом коры до 80 км под молодыми складчатыми поясами Земли, например под Андами или Альпийско-Гималайский поясом. В среднем мощность континентальной коры под древними платформами приблизительно равна 40 км. Состоит из осадочного, "гранитного" и "базальтового" слоев. Последние два названия условные: по некоторым физическим свойствам породы этих слоев близки к граниту и базальту. Однако бурение сверхглубоких скважин позволило установить иные причины скачков скоростей продольных сейсмических волн.

Океаническая кора двухслойная. Ее основная масса сложена базальтами, на которых лежит маломощный осадочный слой. Базальтовый слой на материках и в океанических днищах имеет одинаковое название, но принципиально отличается. На материках это контактные формирования между мантией и древнейшими, земными породами, как бы первичная корочка планеты, возникшая до ее самостоятельного развития (возможно, свидетельство "лунной" стадии эволюции Земли). В океанах это реальные базальтовые и иные образования в основном мезозойского времени, возникшие за счет подводных излияний при раздвижении океанических пространств и расколах литосферы. Поэтому границы между материковым и океаническим типами зем. коры обычно резкие, совпадают с глубинными разломами, часто уходящими в мантию; на поверхности они иногда выражены подводными обрывами материковых склонов.

Местами наблюдается так называемый переходный тип земной коры, для которого характерна значительная пространственная неоднородность. Он известен в окраинных морях Восточной Азии (от Берингова до Южно-Китайского), Зондском архипелаге и др. районах мира.

Земная кора формировалась длительное время: наиболее древние изученные горные породы имеют возраст 3.9 млрд. лет. Древнейшими элементами материковой коры являются докембрийские платформы, состоящие из двух слоев. Нижний слой (фундамент) состоит из смятых в складки, разбитых на блоки метаморфических пород, представляющих собой продукты древнейших складчатостей, которые завершились более 1.5 млрд. лет назад. Метаморфические породы прорваны магматическими интрузиями. На фундаменте горизонтально залегает толща слоистых осадочных горных пород, накопившихся в более поздние геологические периоды. Древние платформы отличает относительная стабильность, отсутствие складчатых движений, слабая дислоцированность. Выделяют Северо-Американскую, Русскую, Сибирскую, Китайскую, Южно-Американскую, Аравийскую, Индостанскую, Австралийскую и Антарктическую платформы.

Докембрийские платформы окаймлены более молодыми сооружениями. К ним относятся так называемые молодые платформы, фундамент которых сформировался в палеозое, и складчатые горные сооружения. Самыми молодыми структурными элементами материковой зем. коры являются геосинклинали. Геосинклиналь - это высокоподвижный, линейно-вытянутый и сильно расчлененный участок земной коры, для которого характерны большие скорости вертикальных движений и значительная их изменчивость в пространстве и во времени.

В пределах океанической коры выделяют талассократоны (океанические платформы) - устойчивые области океанического ложа, и георифтогенали - зоны срединно-океанических хребтов, где, как считают, вещество мантии поднимается на поверхность зем. коры и преобразуется в базальтовый слой.

Считается, что литосфера залегает на астеносфере - пластичном слое, который охватывает весь земной шар. Наличие пластичного слоя рассматривалось как необходимое условие горизонтального движения плит, получившего обоснование в 60-70гг. в так называемой гипотезе новой глобальной тектоники.

2. Гидросфера. К ней относят воду океанов и морей, поверхностные воды суши, льды и снега.

Поверхностные воды суши - это воды, представленные реками, озерами и болотами; составляют всего 0.014% мировых запасов воды, но несмотря на небольшой объем воды, они играют существенную роль в природных процессах.

Самым активным элементом рассматриваемой группы являются воды рек.

Питание рек бывает дождевым, снеговым, ледниковым и подземным. Характер стока рек связан с их питанием.

Текучие воды рек производят значительную работу, размывая русло и транспортируя продукты размыва - аллювий. Речные воды не только механически разрушают, но и растворяют горные породы, а затем переносят их в виде ионов, коллоидов, биогенных веществ, микроэлементов и др.

Обращает на себя внимание различие химического состава солей: в отличие от морских вод в реках абсолютно господствуют карбонаты.

Озера занимают общую площадь приблизительно в 2 млн. км², а суммарный объем их вод составляет свыше 1.76х10¹⁴м³. По условиям образования ложа, размерам, морфологии котловины, химическому составу вод, термическому режиму, структуре водообмена озера очень разнообразны.

Человечество создало также много искусственных водоемов - водохранилищ. Их число приближается к 30 тыс., а объем воды в них составляет более 5х10¹²м³.

Болота - это области суши, характеризующиеся избыточным увлажнением, застойным или слабо проточным режимом вод и специфической гидрофитной растительностью. Общая площадь болот на земном шаре равна 2.7х10⁶ км² (2% площади суши); суммарный объем болотных вод мира - около 11.5х10⁹м³, что в 5 раз превышает разовый объем воды в руслах рек. Болота являются специфическими ландшафтными системами. Их возникновение связано как с климатическими условиями, так и с геологическим строением. Заболачиванию территории обычно способствует близость водоупорного горизонта. В некоторых районах умеренных и субполярных широт роль водоупора выполняет вечная мерзлота.

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ - воды, находящиеся в горных породах в жидком, твердом и газообразном состоянии. По происхождению различают следующие типы подземных вод:

- инфильтрационные, образовавшиеся вследствие просачивания с поверхности дождевых, талых и речных вод;

- конденсационные, возникающие в пустотах и трещинах горных пород из водяного пара;

- седиментационные, формирующиеся в процессе геологического осадконакопления в водных условиях;

- магматогенные, или ювенильные, образующиеся при кристаллизации магмы и метаморфизации горных пород. Полагают, что большая часть вод гидросферы возникла путем конденсации водяного пара, выделявшегося при дегазации магмы.

По физическому состоянию п/з воды делят на следующие типы:

-Гравитационные воды - они перемещаются под действием силы тяжести, заполняют трещины и пустоты земной коры, занимают понижения на земной поверхности, образуя океаны, моря, озера, реки.

-Капиллярные воды - заполняют мелкие поры в почве и горных породах, удерживаясь в порах ха счет сил поверхностного натяжения и перемещаясь в зависимости от градиента температуры и влажности грунта. Благодаря большой силе поверхностного натяжения капиллярных вод они передвигаются в любых направлениях, в том числе против силы тяжести.

Оба типа воды активно участвуют во влагообороте.

-Пленочная вода - обволакивает частицы почвы и притягивается к ним силой поверхностного натяжения, поэтому плохо используется растениями и в целом слабо участвует во влагообороте.

-Гигроскопическая вода - обволакивает мелкие агрегаты почвы и отрывается от них только при сильном нагревании.

-Кристаллизационная вода - физически связана в минералах (напр. в гипсе), поэтому при ее удалении изменяются их физические свойства - гипс переходит в ангидрит.

-Конституционная вода - химически связана в минералах, поэтому при ее удалении минералы разрушаются.

По характеру нахождения в горных породах п/з воды подразделяются на поровые, трещинные или жильные, карстовые. Первый от земной поверхности, постоянно существующий безнапорный горизонт называется грунтовыми водами. Они, как правило, пресные и относятся к зоне активного водообмена с поверхностными водами.

В целом воды суши сильно преобразованы человеком в связи с орошением и осушением земель, переброской воды в районы, где ощущается большой ее недостаток, использованием в коммунальном хозяйстве и промышленности.

3. Мировой океан. Воды МО составляют 96.5% массы гидросферы. Они покрывают большую часть поверхности планеты (70.8%), образуя практически непрерывную водную оболочку Земли. Благодаря огромной водной массе океаны оказывают значительное влияние на тепловой режим земной поверхности, выполняя функции планетарного нагревателя и терморегулятора. В едином МО исторически принято выделять 4 океана.

Морские воды - это особый тип природных вод, содержащих почти все элементы таблицы Менделеева. Средняя соленость МО составляет около 35% , т.е. в 1000кг морской воды содержится 35кг солей. Подавляющая часть солей - хлориды натрия и магния (88.7%). Далее идут сульфаты (10.85%), карбонаты (0.3%) и пр. соединения.

Распределение солености в поверхностных водах МО имеет в значительной мере зональный характер, что отражает структуру его водного баланса.

В воде океанов и морей растворены также газы, наибольшее значение среди которых имеют кислород и углекислый газ. Между океаном и атмосферой происходит постоянный обмен газами.

Важной характеристикой является плотность морской воды, средняя величина которой составляет 1.025 г/см³ . Соленая морская вода имеет максимальную плотность при температуре замерзания.

Сравнительно большой объем воды, формирующийся в определенных районах МО и обладающий относительно постоянными физическими, химическими и биологическими характеристиками, называют океанической водной массой. Поверхностные воды в горизонтальном направлении разделяются океаническими фронтами на следующие типы водных масс: экваториальные, тропические, субтропические, субполярные, полярные.

Поверхностные воды (поверхностная структурная зона) распространяются примерно до глубины 300м и активно взаимодействуют с атмосферой. Поэтому иногда их называют океанической тропосферой по аналогии с тропосферой атмосферы. Ниже поверхностной структурной зоны располагается переходная зона (глубина 300-2000 м), еще ниже - глубинная и придонная.

4. Атмосфера - это внешняя газовая оболочка Земли. Верхняя часть ее, граничащая с космическим пространством и называемая экзосферой, или внешней атмосферой, простирается до высоты 2-3 тыс. км. На этой высоте плотность воздуха становится равной плотности вещества в Космосе. Воздух атмосферы удерживается у земной поверхности силой притяжения. Плотность воздуха на уровне моря в среднем равны 1.275 г/см³, а с высотой убывает, как и температура. На высоте около 300 км плотность воздуха уже в 100 млрд. раз меньше, чем у поверхности. Вес вышележащего столба воздуха определяет величину атмосферного давления, которое у земной поверхности составляет в среднем 760 мм ртутного столба, или 1атм (98066 Па).

Нижняя часть атмосферы, непосредственно прилегающая к земной поверхности, называется тропосферой. Ее средняя мощность 11км (в полярных широтах - 8 км, в экваториальных - 17 км). В тропосфере сосредоточено свыше 80% массы атмосферы. Физические свойства воздуха тропосферы тесно связаны с характером подстилающей поверхности.

На 76% по массе атмосфера состоит из азота и на 23% из кислорода. Остальная часть воздуха представлена аргоном (0.93%) и малыми количествами неона, гелия, криптона, ксенона и др. Таково соотношение постоянных составных частей воздуха тропосферы. Концентрация водяного пара у земной поверхности колеблется в пространстве и во времени от 0.2 до 4%. Содержание СО₂ довольно быстро убывает, снижаясь практически до 0 на верхней границе атмосферы.

Водяной пар и диоксид углерода служат атмосферными фильтрами, задерживающими длинноволновое излучение зем. поверхности. Благодаря этому возникает оранжерейный эффект атмосферы, который определяет общее повышение температуры на 27⁰ С.

Еще одну составляющую атмосферы, имеющую значительные пространственные и временные колебания, образуют аэрозольные частицы. К ним относятся находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии минеральная и вулканическая пыль, продукты горения (дым), кристаллики морских солей, споры и пыльца растений, микроорганизмы. Иногда к аэрозолям относят и капельки воды. Содержание аэрозолей определяет уровень запыленности и мутности атмосферы.

Выше тропосферы располагается стратосфера (примерно до 50 км). В ней падение температуры воздуха прекращается, а в верхней части температура даже растет. В стратосфере увеличивается количество озона, который задерживает солнечные и космические лучи определенного спектра, губительно действующие на живые организмы.

Над стратосферой располагается мезосфера. Она простирается до высоты около 80 км. Температура в этом слое снова снижается и достигает -80⁰ С. Еще выше находится термосфера, или ионосфера (до 800-1000км). В ней температура воздуха повышается: на высоте около 150 км до 220⁰ С, на высоте 600 км до 1500⁰ С. Следует, правда, отметить температуру в разреженном воздухе верхних частей атмосферы нельзя отождествлять с температурой у земной поверхности, ибо, рассчитываемая по скорости кинетического движения частиц, она не производит в условиях малой плотности воздуха того термического эффекта, который свойствен соответствующим величинам у земной поверхности.

Выше 1000км находится экзосфера.

В пределах тропосферы выделяют воздушные массы, под которыми понимают большие объемы воздуха, относительно однородные по температуре, влажности, прозрачности и др. характеристикам воздуха. Одновременно в тропосфере существует несколько десятков воздушных масс, которые контактируют в зонах атмосферных фронтов - пограничных слоях, имеющих ширину несколько десятков километров. Воздушные массы постоянно перемещаются, трансформируются, разрушаются и возникают вновь, что приводит к смене погоды.

5. Криосфера - неправильная по форме и непостоянная по конфигурации оболочка Земли, для которой характерна отрицательная температура. Вода в криосфере находиться в твердой фазе или в переохлажденном состоянии. К криосфере относятся:

- сезонный и многолетний снежные покровы,

- сезонная и многолетняя мерзлота,

- почвы и горные породы, содержащие лед в пустотах и порах,

- горные и покровные ледники, морские льды, трещинные и погребенные льды и т.д. К ней относятся также те части атмосферы, в которых отрицательная температура позволяет существовать ледяным кристаллам или переохлажденным каплям.

Общая площадь постоянного, снежного покрова и материковых льдов на суше в Сев. п/ш равна 2млн. км² (главным образом Гренландия), в Южном - 14млн. км² (Антарктида). Кроме того, на постоянных морских льдах и высокогорных ледниках площадь снежного покрова составляет приблизительно 14млн. км². Следовательно, на общую площадь постоянных ледников и снегов приходится около 6% площади всей поверхности планеты и примерно 20% площади суши.

Постоянный, снежный покров служит источником образования многолетних горных и материковых ледников, мощные покровы которых находятся в Антарктиде, Гренландии, на островах Земли Франца-Иосифа, Шпицбергене и др. В ледниках сосредоточено почти 69% всех запасов пресной воды, подавляющая ее часть заключена в ледниках Антарктиды.

Верхний слой земной коры, для которого характерны отрицательные температуры, подземный лед в различных формах и промерзание почв, образует криолитозону.

6. Биосфера - область активной жизни организмов, которая охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, т.е. область активного взаимодействия геосфер.

Б/с - совокупность живых организмов, населяющих земную поверхность. В настоящее время в землеведении б/с понимается как сфера современной и былой жизни в воздушной, водной и каменной средах, как бы дополнительная их характеристика, их специфическая особенность.

В настоящее время установлено, что живые организмы обитают в весьма разнообразной, практически любой среде, в том числе в атомных реакторах и океанических днищах с термальными проявлениями, в бескислородных условиях и в среде химических соединений типа сероводорода, углеводородов и др. Выяснено, что жизнь существует даже если света ничтожно мало, давление составляет сотни атмосфер, а температура - сотни градусов Цельсия.

В современных классификациях органический мир Земли на высшем таксономическом уровне организации живого вещества делится на два надцарства: прокариоты (безъядерные) и эукариоты (ядерные).

Первые включают два царства: архебактерии и бактерии, второе - три царства: животные, грибы и растения.

С точки зрения выполняемых функций в обмене веществом и энергией различают автотрофные и гетеротрофные организмы. К первым относятся зеленые растения и некоторые прокариоты (пурпурные фотосинтезирующие бактерии, сине-зеленые водоросли и хемобактерии). Они создают органическое вещество из неорганического, используя в качестве источника энергии чаще всего солнечную радиацию. Гетеротрофные организмы - животные, грибы, большинство бактерий - питаются готовым органическим веществом, причем грибы и бактерии используют органические остатки и продукты жизнедеятельности других организмов.

Живые организмы океана по типу местообитания и образу жизни объединяют в три группы: планктон - пассивно перемещающиеся (преимущественно по вертикали) одноклеточные водоросли и некоторые виды животных, они связывают цепи питания поверхностных и глубинных слоев; нектон - активно передвигающиеся животные; бентос - организмы, живущие на дне.

По условиям существования живых организмов в океанах выделяют несколько зон. По вертикали, соответственно изменению освещенности, это поверхностная зона - эпипелагиаль (до 200м), переходная, или мезопелагиаль (до 750-1000м), и глубоководная. По распределению жизни на дне выделяют литораль (приливно-отливная зона), сублитораль (до 200м), батиаль (до 2500-3000м), абиссаль (до 6000м) и ультраабиссаль (глубже 6 км).

Совокупность живых (живущих и отмерших) организмов, выраженная в вещественно-энергетических характеристиках (масса, химсостав и энергия), называется живым веществом. Основной характеристикой живого вещества является биомасса. Выявляется следующая закономерность - концентрация биомассы в зонах контактов контрастных сред, - теоретически ее предсказал В.И. Вернадский еще в 30-е годы. Главной контактной зоной ГО, ее фокусом является граница суши и океана с атмосферой. Толщина слоя, в котором сосредоточена здесь основная масса живых организмов, составляет от нескольких до десятков метров. Другие контактные зоны: льдов и морской акватории, береговая зона моря, морское дно, берега рек и т.д. - также обогащены биомассой и видовым составом организмов.

Следующая закономерность - основная часть биомассы сосредоточена на суше: здесь биомасса примерно в 200 раз больше, чем в океане. На суше фитомасса на три порядка превышает зоомассу, в океане зоомасса больше фитомассы примерно в 26 раз. Среди животных и растений океана преобладает по массе планктон.

Основные вехи эволюции биосферы:

-быстрое (в геологическом масштабе времени) завоевание жизнью земного пространства;

-постепенное преобразование геологических и геохимических круговоротов вещества в биогеологические и биогеохимические;

-преобразование первичной атмосферы и стабилизация ее газового состава;

-замена восстановительного (бескислородного) фона геохимической среды окислительным;

-возникновение почвообразовательного процесса и создание вследствие этого почвенной структуры;

-детерминация химической активности природных вод (создание зональной структуры гидросферы и вод зоны гипергенеза).

7. Кора выветривания. Твердое вещество литосферы образуется в условиях колоссальных температур и давлений, свойственных земным недрам. Попадая в условия земной поверхности, глубинные горные породы оказываются в новой и чуждой им обстановке: ничтожно малого давления и близкой к 0 температуре, присутствия свободного кислорода и воды, функционирования живых организмов, обилия органического вещества. Приспосабливаясь к такой обстановке, твердые горные породы начинают разрушаться. Такой процесс называют выветриванием горных пород или гипергенезом. Под ним понимают сумму процессов преобразования твердого вещества земной коры на поверхности суши под влиянием физико-географических условий. Сущность этих процессов состоит в перегруппировке атомов, образовании новых химических и биохимических соединений, устойчивых в термодинамической обстановке земной поверхности. В среднем наименее устойчивыми являются полевые шпаты, наиболее устойчив - кварц.

Физико-геогр. обстановка определяется наличием (отсутствием) воды, ее фазовыми переходами, биоценозом и активностью живых организмов, наличием энергии, температурой и влажностью. Эти факторы в значительной мере поясно-зональны, поэтому на поверхности суши существуют поясно-зональные типы выветривания. Ярким примером такого типа выветривания может служить латеритный, характерный для экваториально-тропических лесов.

Процесс выветривания приводит к перекристаллизации и измельчению вещества. Особое значение для ГО имеют тонкодисперсные разности вещества - гели, коллоиды (глинистое вещество, ил, гумус и др.). Выветривание воздействует не только на твердое вещество. Оно преобразует природные воды и воздух, находящиеся в зоне гипергенеза. Вода образует растворы и даже рассолы. Ионы раствора мигрируют вместе с водой, попадают в новые условия, где могут взаимодействовать с др. ионами, выпадать в осадок или кристаллизовываться. Этот процесс зависит от условий внешней среды.

Совокупность процессов выветривания создает кору выветривания (КВ). КВ - это рыхлый слой поверхностных горных пород вместе с включенными в него водами, воздухом, живыми организмами и продуктами их жизнедеятельности, образовавшийся в результате процессов выветривания. По образному определению основоположника геохимии ландшафта Б.Б. Полынова, КВ - это верхняя оболочка литосферы, в которой "земля", вода, воздух и жизнь приходят в тесное соприкосновение, и материя в своем вечном движении дает, быть может, наибольшее разнообразие форм.

Вещество КВ по большей части представлено рыхлыми бесформенными массами, мощность слоя резко изменчива. По вещественному составу - это преимущественно глины. В верхней части они, как правило, переходят в почву.



ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ

Океаны и суша по земной поверхности распределены неравномерно. Суша сосредоточена в северном полушарии (39 % всей поверхности, т.к. в южном полушарии лишь 19 %), водные массы, в основном в южном полушарии. Такое неравномерное чередование моря и суши вызывает климатические контрасты.

Проявление полярной асимметрии

В северном п/ш суша занимает 39% площади, а в южном - лишь около 20%. Вокруг северного полюса расположен океан, вокруг южного - материк Антарктида. На южных материках платформы занимают от 70 до 95% их площади, на северных - 30-50%. В северном полушарии есть пояс молодых складчатых сооружений (Альпийско-Гималайский), протянувшийся в широтном направлении. Аналога ему в южном п/ш нет. В северном полушарии между 50^о и 70^о расположены наиболее приподнятые в геоструктурном отношении участки суши (щиты Канадский, Балтийский, Анабарский, Алданский). В южном полушарии на этих широтах цепочка океанических впадин. В северном п/ш есть материковое кольцо, обрамляющее полярный океан, в южном - океаническое кольцо, которое окаймляет полярный материк. Климат северного полушария более континентальный, чем южного (годовая амплитуда температуры воздуха соответственно 14^о и 6^о). В северном полушарии слабое континентальное оледенение, сильное морское и велика площадь многолетней мерзлоты. В южном полушарии эти показатели прямо противоположны. В северном полушарии теплые течения распространяются до Северного Ледовитого океана, а в южном - лишь до субтропических широт. В северном полушарии огромную площадь занимает таежная зона, в южном - аналога ей нет. Также в южном полушарии отсутствуют зоны лесотундры, тундры, лесостепи и пустынь умеренного пояса. В целом значительны различия в видовом составе растительного и животного мира полушарий.

Асимметричность полушарий в расположении материков и океанов влияет на распределение температуры. Северное п/ш теплее южного примерно на 2 ^о. Это объясняется охлаждающим влиянием антарктического ледника, который отражает до 60% солнечной радиации, кроме того океаническое южное полушарие в большей степени покрыто облачностью. Термический экватор - линия, соединяющая точки с самыми высокими у земной поверхности средними температурами воздуха, - проходит в районе 5-10^о с.ш.

Барьеры в ГО

Барьерами называют участки ГО, которые оказывают существенное влияние на поля и потоки вещества и энергии, задерживая, трансформируя, усиливая или ослабляя их. По своей природе барьеры подразделяют на механические, физико-химические и техногенные.

Механические барьеры разрушают географический объект или препятствуют его распространению.

Физико-химические барьеры изменяют свойства контактирующих объектов, вызывая эмерджентность, или служат препятствием для обмена веществом и энергией вследствие их различий. Среди физико-химических барьеров наиболее известны геохимические барьеры-участки земной коры, где на коротком расстоянии происходит смена природной обстановки с изменением свойств среды, что определяет интенсивность миграции химических элементов и их возможные концентрации. Нередко на барьерах формируются рудные месторождения. Широко распространены на земной поверхности биогеохимические барьеры, связанные существованием соответствующих сред. Их возникновение связано с щелочно-кислотными условиями, которые определяются концентрацией водородных ионов.

Техногенные барьеры отражают результат антропогенной деятельности, следы которой наблюдаются повсеместно в виде плотин, зданий и прочих конструкций.

Барьеры возникают также при смене типов подстилающей поверхности, что приводит к трансформации и изменению структуры геосистем. Специфическим барьером является экватор.

На пути стремления расширить ареал встают внешние факторы, которые могут представлять естественные барьеры.

В роли биологических барьеров выступают видовые, главным образом, конкурентные отношения и хищничество.

Ряд природных барьеров организмы преодолевают, другие - нет. Преодоление естественных барьеров происходит за счет повышения сопротивляемости организма, его адаптации или за счет разрушения препятствия.

Контактные зоны

Это области взаимодействия различных сред или состояний, для которых характерны определенные процессы и явления, связанные с изменением свойств вещества. ГО представляет собой гигантскую контактную зону, с одной стороны, твердой части Земли, атмосферы и океаносферы, а с другой - Космоса. Внутри ГО существуют контактные зоны разного пространственного уровня - от глобальных до локальных. Поверхностный слой объекта обладает избыточной свободной энергией, повышенной потенциальной активностью, большим разнообразием условий. По мере преобразования поверхностного слоя твердых тел резко увеличивается общая площадь поверхности и возрастает эффект взаимодействия.

Одной из самых активных контактных зон ГО является береговая зона - побережье с прилегающими частями океанов, морей, рек и других водоемов.

Своеобразными контактными зонами являются приледниковые области и кромки льда в океанах, где наблюдаются скопления жизни.

Контактным зонам свойствен краевой эффект, проявляющийся в обогащении их природных ресурсов за счет проникновения объектов из соседних зон. Формирующиеся как бы промежуточные полосы геосистем называют маргинальными. Такой характер имеют не только природные, но и природно-антропогенные контактные зоны, называемые экотонами.

Зональность природных условий Мирового океана

Районирование водной толщи.

Зональность вод океана и их генетическое единство с зонами суши характеризуют общие черты природы ГО. Большой объем океаносферы заставляет рассматривать Мировой океан как трехмерную структуру, дифференциация которой должна учитывать уровни горизонтального, вертикального и азонального подразделений.

Широтная зональность в Мировом океане обусловлена общегеографическими и гидроклиматическими факторами. В океане она выражена более четко, чем на суше, благодаря большей однородности океанической поверхности и ограниченному воздействию такого мощного возмущающего фактора, как рельеф.

Поскольку одним из основных факторов зональности на земном шаре является распределение теплоты, то природные зоны водной поверхности обычно выделяют по термическим условиям.

Морские поясно-зональные структуры существенно отличаются от наземных за счет особых свойств гидросферы и присущей ей биосферы. Более дробные подразделения океаносферы зависят от изменчивости гидроклиматических факторов, инерционность которых значительна. Фундаментальное различие поверхности суши и океана, проявляющееся на уровне географической зональности, состоит в том, что пояса и зоны суши в большей мере историчны, так как формировались на протяжении длительного времени.

Закономерные распределения океанографических характеристик по мере удаления от материков характеризуются циркумконтинентальной зональностью, которая свидетельствует о существенном влиянии материков на омывающие их акватории.

Вертикальное районирование Мирового океана опирается на общепринятое разделение всей водной толщи на два слоя - теплый и холодный нижний.

Азональные структуры

На распределение водных масс влияют морские течения, нарушающие широтную зональность Мирового океана и создающие в нем азональные образования. Так холодные течения, направленные к экватору, внедряются в теплые воды экваториального пояса и нарушают его поверхностный режим и глубинную поясность.

Зональность океанического дна

Зональность дна, кроме географического положения бассейна, определяющего его гидроклимат, зависит от батиметрии, морфологических и геологических условий.

Зональность Мирового океана - главная закономерность распределения ландшафтов поверхностной толщи океана, дна, морских мелководий. Морские ландшафты отличаются единством зональных, азональных и вертикальных характеристик, которые зависят от глубины бассейна.

Вертикальная дифференциация ГО

Закономерная смена природных условий и ландшафтов с высотой или глубиной получила название вертикальной поясности.

Геосферы частично проникают, а в некоторых случаях пространственно вложены друг в друга. В вертикальном распределении их свойств наблюдается тенденция формирования различий, географическим следствием чего является их стратификация соответственно удельному весу преобладающих типов вещества и физическим свойствам геосфер и ГО в целом.

В соответствии с гравитационной дифференциацией нижний ярус занят земной корой, состоящей из наиболее плотного вещества, которая стратифицирована по удельному весу. На материках ее верхний ярус представлен стратисферой, которая на самой поверхности преобразована в кору выветривания и почву. В океанах поверхность суши сменяется толщей воды. Верхний ярус и на материках, и над океанами составляет атмосфера.

Ярусность проявляется в строении всех геосфер. Наиболее наглядная стратификация проявляется в горах, где изменение типов ландшафтов происходит по закону высотной поясности, установленному Докучаевым. Здесь соотношение теплоты и влаги меняется в зависимости от высоты местности: понижается температура, изменяется количество осадков. Имеют значение крутизна и экспозиция склонов, а также облачность. Соответственно этому изменяются и водно-тепловые условия, что приводит к смене ландшафтных зон с высотой и замещению их компонентов, например растительности.

На суше по характеру рельефа выделяют ярусы низменных равнин, низкогорных, среднегорных, высокогорных, нивальный. Суммарно их взаимодействие и создает хорошо наблюдаемую высотную поясность ландшафтов, в разных вариантах видимую практически на всех возвышениях земного рельефа. Ярусность атмосферы проявляется в высотном изменении температур, влажности и давления, воздушных масс, которые воздействуют на процессы выветривания и денудацию горных пород, контролируют типы почв и растительности. Не менее отчетлива ярусность Мирового океана. Она наблюдается как в подразделении литогенного продолжения материков, так и в подразделении водной толщи в соответствии со свойствами слагающих ее водных масс, что согласуется с условиями обитания морских организмов, занимающих соответствующие экологические ниши.

Географическая зональность

Важнейшей структурной чертой является закономерное изменение природных компонентов от экватора к полюсам, что отражается в широтной зональности.

Основные ее причины - форма и положение Земли относительно Солнца, вследствие чего солнечные лучи приходят на земную поверхность под разными углами, постепенно уменьшающимися в обе стороны от экватора. Наличие зональности на земном шаре обусловлено планетарно-космическими причинами. Однако географическая оболочка активно трансформирует внешние воздействия, поэтому, как заметил Калесник, правильнее говорить, что "планетарно-космические причины создают только основные предпосылки для возникновения зональности".

Сферы проявления широтной зональности

Докучаев назвал зональность мировым законом. Мировой закон зональности отражает лишь общие закономерности пространственного распределения физико-географических явлений.

На земной поверхности широтная зональность представлена поясами:

1)Радиационные пояса делятся на:

Жаркий (между тропиками), два умеренных (между тропиками и полярными кругами) и два холодных (между полюсами и полярными кругами).

2) Тепловые пояса. Жаркий, ограниченный в каждом полушарии изотермой +20 , два умеренных, два холодных.

3) Климатические пояса: экваториальный, два субэкваториальных, два тропических, два субтропических, два умеренных, два субполярных, два полярных.

4) Географические пояса.

Наиболее крупные зональные подразделения ГО.

По числу и названиям совпадают с климатическими.

В пределах географических поясов выделяют географические, или ландшафтные, зоны, которые характеризуются господством одного типа природных условий.

Периодический закон географической зональности

коэффициент увлажнения Высоцкого-Иванова

k=X/E0

радиационный индекс сухости Будыко

r=R/LX

LX-энергия, которая потребовалась бы на испарение выпадающих атмосферных осадков и др.

Под азональностью понимается распространение какого-то объекта или явления вне связи с зональными особенностями данной территории. Существуют две основные формы проявления азональности - секторность географических поясов и высотная поясность. Причина азональности - неоднородность земной поверхности: наличие материков и океанов, гор и равнин, своеобразие местных факторов: состава горных пород, рельефа, условий увлажнения и других особенностей.

Долготная дифференциация географических поясов проявляется, прежде всего, в формировании в их пределах трех секторов - материкового и двух приокеанических. Однако они выражены не везде одинаково, что зависит от характера циркуляции атмосферы, размеров, конфигурации и географического положения материка. Географическая зональность полнее всего выражена на самом крупном материке Земли - в Евразии - от арктического до экваториального пояса включительно. Наиболее ярко долготная дифференциация представлена в умеренном и субтропическом поясах Евразии, где отчетливо выражены все три сектора. В тропическом поясе выделяется два сектора. Слабо выражена секторность в экваториальном и приполярном поясах.

Следующее проявление азональности - высотная поясность - закономерная смена природных компонентов и природных комплексов с подъемом в горы от их подножья до вершин. Она обусловлена изменением климата с высотой: понижением температуры и до определенной высоты (до 2-3 км) увеличением осадков.

Высотная поясность имеет много общего с горизонтальной зональностью: смена поясов при подъеме в горы происходит в той же последовательности, что и на равнинах при движении от экватора к полюсам.

Наконец, говоря об азональности, нередко имеют в виду своеобразие территории, обусловленное особенностями слагающих их горных пород. Так, близкое к поверхности залегание растворимых горных пород приводит к формированию своеобразных карстовых ландшафтов, весьма существенно отличающихся от окружающих зональных природных комплексов. В районах распространения водно-ледниковых песков образуются ландшафты полесского типа. К азональным образованиям относят болота, поймы и террасы речных долин и ряд других природных комплексов. В заключение отметим, что азональность, так же как и зональность, - всеобщая закономерность. Каждый участок земной поверхности в связи с ее неоднородностью по-своему реагирует на приходящую солнечную энергию и, следовательно, приобретает специфические особенности, которые формируются на общем зональном фоне. По существу, азональность - конкретная форма проявления зональности. Поэтому любой участок земной поверхности одновременно является зональным и азональным.



ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ И ДИНАМИКА ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ

Эндогенная энергия - энергия земных недр, которая поступает в ГО главным образом в двух формах: теплового потока (теллурические токи) и путем механических перемещений.

Тепловой поток неравномерно распределен по земной поверхности, что связано с характером тектонических структур и возрастом земной коры. Наибольшие значения теплового потока наблюдаются на срединно-океанических хребтах, в сейсмоактивных и вулканических районах. Другими источниками эндогенной энергии являются: гравитационная дифференциация земного вещества по плотности, распад радиоактивных элементов, внутреннее трение масс вещества, сопровождающее гравитационную дифференциацию, приливное трение. Определенную часть эндогенной энергии составляет солнечная энергия, поступившая на земную поверхность ранее и сохранившаяся в "геохимических аккумуляторах" - горючих полезных ископаемых и горных породах абиогенного происхождения и рассолах, законсервированных в земной коре.

Экзогенная энергия - все виды энергии, поступающей к Земле из Космоса. В количественном отношении она на 97% состоит из электромагнитного излучения Солнца - солнечной радиации. Электромагнитное излучение Солнца содержит широкий спектр волн разной длины. Ультракоротковолновая радиация проникает до высоты 100-200 км и задерживается в ионосфере. Более длинные волны распространяются до высоты 70-80 км. Жесткая УФ радиация - 25-28 км. В тропосферу и непосредственно к земной поверхности поступают мягкая УФ радиация, видимое световое и инфракрасное излучение. Наряду с электромагнитными потоками в атмосферу проникает корпускулярный поток заряженных частиц - "солнечный" и "космический" ветер. 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. Соотношение:

Поток энергии	Мощность, Дж/(м2с)
Солнечная энергия (поглощенная атмосферой и земной поверхностью)	2,3102
Энергия космических лучей	210-6 - 310-6
Антропогенное производство энергии	3,210-2
Распад радиоактивных изотопов	~710-3
Энергия приливного трения	3,510-3
Энергия окисления органического вещества	0,4-0,6
Геотермическое тепло	~0,1
Тектоническая энергия	~10-3

Поступая в ГО, солнечная энергия существенно трансформируется. Часть электромагнитного излучения поглощается в атмосфере озоном, водяным паром, пылью; другая часть отражается верхней границей облаков и только 40 - 50 % достигает приповерхностного слоя воздуха и земной поверхности.

Большая часть энергии, достигшей земной поверхности, поглощается ею, остальная - отражается. Отношение отраженной радиации к падающей называют альбедо. Величина альбедо изменчива в пространстве и зависти от характера подстилающей поверхности. Минимальное значение альбедо имеет водная поверхность при высоком положении Солнца (? 1%), максимальное (97%) - у свежевыпавшего снега. Величина планетарного альбедо составляет 30 - 35%.

Поглощённая солнечная энергия нагревает земную поверхность, тем самым поверхность Земли сама становится источником только уже теплового излучения (или энергии) в тропосферу. Примерно 96% теплового излучения земной поверхности поглощается водяным паром, диоксидом углерода (СО₂) и аэрозолями. Поэтому говорят, что земное излучение как бы "запирается" в приповерхностном слое воздуха по принципу работы парника. Это явление называют парниковым или тепличным эффектом (естественный процесс функционирования ГО). Благодаря этому эффекту существует жизнь и сама ГО. Средняя температура земной поверхности 14,2^о (около 15^о) С. Это на 38^о выше расчетной температуры радиационного равновесия. Если бы отсутствовал парниковый эффект, то температура земной поверхности в среднем равнялась бы -23^оС, т.е. Земля была бы ледяной планетой. Поглощая тепловое излучение земной поверхности, атмосфера не рассеивает его в Космос, а возвращает обратно к Земле. Такой процесс называют противоизлучением атмосферы.

Потоки прямой и рассеянной радиации Солнца и противоизлучение атмосферы формируют радиационный бюджет земной поверхности. Он выражается следующей формулой:

R = S + D - O - E_З + E_А

R - радиационный баланс;

S - прямая радиация;

D - рассеянная радиация;

O - отраженная радиация;

E_З - излучение земной поверхности;

E_А - противоизлучение атмосферы.

Среднегодовая сумма R колеблется от отрицательных значений в полярных и околополюсных районах до 4,8 10⁹ Дж/м². В среднем для Земли он положителен и составляет 3,16 10⁹ Дж/м² в год.

В целом же Земля как планета теряет почти столько же энергии, что и получает. Только малая часть энергии накапливается в органическом веществе и геохимических аккумуляторах. Поэтому говорят, что Земля находится в лучистом равновесии.

Радиационный бюджет земной поверхности расходуется на испарение воды и влаги, нагревание почвы и воздуха, таяние снега и льда, фотосинтез, почвообразование и выветривание горных пород. Наблюдается равенство между приходом энергии и ее расходом на указанные процессы, что отображается в виде уравнения теплового баланса земной поверхности:

R = LE + P ± B + F + C

R - радиационный бюджет,

LE - теплота, затрачиваемая на испарение воды, таяние снега и льда,

P - перенос теплоты в воздухе турбулентными потоками,

B - теплообмен земной поверхности с почвой и ГП,

F - расход энергии на фотосинтез,

C - расход энергии на почвообразование и выветривание.

Очень часто энергию, затрачиваемую на фотосинтез, почвообразование и выветривание, отбрасывают при расчете теплового баланса, т.к. ее величина составляет менее 1 %. В реальности эта доля энергии имеет большое значение, поскольку может аккумулироваться, а затем преобразовываться в другие виды энергии. Этот процесс, будучи маломощным, оказывает существенное воздействие на ГО. В ней скопилось порядка 11 10¹⁴ Дж/м² энергии в рассеянном органическом веществе в осадочных породах, а также в виде каменного угля, нефти, горючих сланцев. Использование запасов этой энергии является основой традиционной энергетики.

Структура теплового баланса зависти от географической широты и типа ландшафта, т.е. она изменяется от экватора к полюсам и при переходе с океана на сушу и наоборот. Суша и океан различаются по величине поглощения радиации и по характеру распределения теплоты на глубину. В океане летом теплота распределяется в глубину на несколько сот метров (океанический термоклин). На суше теплота проникает на глубину всего лишь в несколько метров и за летний период накапливает тепла в 10 - 25 раз меньше, чем океан. Океан зимой охлаждается меньше, чем суша благодаря запасу теплоты, накопленной в умеренных и отчасти высоких широтах летом и в жарком поясе на протяжении всего года. Расчеты показывают, что разовое содержание теплоты в океане в 21 раз превышает ее поступление к земной поверхности в целом. Даже в 4-х метровом слое океанических вод теплоты в 4 раза больше, чем во всей атмосфере. Около 80 % энергии, поглощенной океана, тратится на испарение воды, остальные 20 % участвуют в турбулентном теплообмене с атмосферой.

Положительный баланс солнечной радиации в океане наблюдается в низких широтах (до 30^о - 40^о включительно в обоих полушариях). Отсюда избыток энергии переносится океаническими течениями и циркуляцией атмосферы в более высокие широты, повсеместно смягчая климат: в низких широтах - в сторону уменьшения жары, а в средних и высоких широтах - в сторону смягчения холодов.

Распределение температуры. Самая высокая температура наблюдается на термическом экваторе - линии, соединяющей точки с наиболее высокой среднегодовой температурой. Термический экватор - волнистая линия на широте 5^о с.ш. в океане и 10^о с.ш. на материках. Вверх от земной поверхности в пределах тропосферы температура понижается в среднем на 0,6^оС на каждые 100 метров высоты. В земной коре температура повышается с глубиной на 3^о на каждые 100 метров. В океане наблюдается двуслойная стратификация вод: теплый слой (несколько сотен метров за исключением высоких широт) и холодный, к которому относится основная масса воды (в глубину от 1000м). Глубинные воды Мирового океана имеют температуру от 1 до 2,5^оС, а средняя температура составляет 4^оС. Таким образом, усиление вертикального перемешивания вод океана приводит к снижению температуры его поверхности и общему охлаждению географической оболочки.

Атмосфера - наиболее подвижная часть ГО. В механическую энергию атмосферных движений переходит 1-2 % усваиваемой земной поверхностью солнечной энергии. Этот переход осуществляется в процессе функционирования географических тепловых машин (по В.В. Шулейкину). Самой большой географической тепловой машиной (ГТМ) является система "экватор-полюсы", которую называют ГТМ первого рода (связаны наиболее крупномасштабные движения в атмосфере). В этой тепловой машине разность температур постоянно поддерживается неравномерностью поступления солнечной радиации на сферичную Землю. Различия в нагревании материков и океанов приводят к возникновению тепловых машин второго рода. С ними связано зарождение внетропических муссонов. Эта ГТМ меняет свой знак в зависимости от сезона года: зимой роль нагревателя выполняет океан, летом - суша. Географическую машину третьего рода образуют циклонические и антициклонические кольца океанической циркуляции. ГТМ 4 рода - это система, в которой происходит вертикальный перенос теплоты в атмосфере от земной поверхности, а также от слоев локального нагревания в атмосфере. ГТМ пятого рода В.В. Шулейкин назвал систему тропического урагана. Тропический циклон представляет собой замкнутый "энергетический насос", посредством которого энергия Мирового океана передается в атмосферу и пространственно перемещается. Каждое такое образование перекачивает, как правило, несколько десятков кубических км воды в форме водяного пара и соответствующее количество энергии фазового перехода, которая выделяется, когда водяной пар конденсируется, и тратится на механическую работу и нагревание атмосферного воздуха (последнее в свою очередь порождает механическую работу). Тепловую машину 6 рода образуют синоптические вихри, развивающиеся в океане на границах течений и в центральных частях круговоротов и являющиеся физическим аналогом циклонов и антициклонов атмосферы. Крупномасштабные вертикальные кольца циркуляции наблюдаются в низких широтах. В экваториальной зоне воздух поднимается вверх. В верхней тропосфере он направляется в сторону тропиков в виде антипассата. На широте 30-35гр. происходит опускание воздуха, оттуда он направляется к экватору в виде пассата. Это вертикальное кольцо циркуляции было названо ячейкой Гадлея в честь английского ученого XVIII в., изучавшего пассатную циркуляцию. Совокупность движений атмосферного воздуха образует атмосферную циркуляцию. Основа возникновения - неравномерное распределение тепла в атмосфере (термический фактор). Общее представление о закономерностях движений воздуха можно получить при анализе среднего многолетнего распределения атмосферного давления (АД) и преобладающих ветров у земной поверхности в январе и июле. В распределении АД проявляется зональность с одной стороны, и влияние материков и океанов - с другой стороны. Зональность - наблюдается широтное чередование зон высокого давления и низкого давления. В области экватора давление ниже, чем в тропических и субтропических областях. Высокое давление в этих поясах сменяется низким в умеренных и субполярных широтах. К полюсам снова происходит небольшое увеличение давления. От субтропической области высокого давления в сторону экватора направлены пассаты, отклоняющиеся от градиента давления под действием силы Кориолиса, приобретающие восточную составляющую. В умеренных широтах господствует западный перенос, в полярных - восточный. Это осредненная картина, которая лишь в отдельные моменты совпадает с реальной действительностью. Изменчивость и непостоянство - характерные черты атмосферной циркуляции. В средних и высоких широтах перенос воздуха в больших масштабах осуществляется в виде вихревых потоков - циклонов и антициклонов. Циклон - движущаяся восходящая система потоков воздуха, образующих спираль, закручивающуюся в северном полушарии против часовой стрелки, в южном - по часовой. Поэтому в северном полушарии при перемещении циклонов с запада на восток (от 40^о до 80^о) в передней части происходит перенос воздуха с юга на север, в тыловой части - с юга на север. В южном полушарии аналогичный процесс, но противоположное направление потоков воздуха. Одновременно в циклонах существуют вертикальные движения - в центральной части воздух поднимается вверх.