4 года назад
Нету коментариев

Химический состав отдельных частей географической оболочки очень разнообразен. Это особенно хорошо видно на фоне однообразного состава вещества известной нам части Вселенной, где 93 % всех атомов составляют атомы водорода. На Земле водорода и гелия (второго по распространению во Вселенной элемента) сравнительно мало. Преобладают кислород, железо, кремний, алюминий, магний, кальций, натрий, углерод, калий (рис. II.1).

Содержание основных химических элементов в геосферах и изверженных породах

Содержание основных химических элементов в геосферах и изверженных породах

Сложный химический состав вещества географической оболочки — следствие ее длительного развития. Главное значение имели условия образования Солнечной системы и Земли, гравитационная и физико-химическая дифференциация первоначально гомогенного вещества мантии, из которого образовались внешние геосферы, и длительная эволюция географической оболочки, в ходе которой на поверхности Земли происходило накопление отдельных химических веществ и элементов. В результате вещественный состав оболочки достиг той сложности, которую мы наблюдаем на земной поверхности.

Физические свойства вещества. Для процессов, происходящих в географической оболочке, большое значение имеют физические свойства вещества: плотность, текучесть, теплоемкость, теплопроводность, отражательная способность и др. Плотность вещества в оболочке убывает в среднем снизу вверх, что обусловлено его гравитационной дифференциацией. Горные породы имеют плотность 2-103—3-103 кг/м3, живое вещество и вода — около 103, воздух в нижних слоях— 1,275 кг/м3. В атмосфере плотность убывает с высотой по логарифмическому закону. Уменьшение плотности воздуха с высотой приводит к возникновению адиабатических процессов, при которых перемещение воздуха по вертикали в гравитационном поле Земли обусловливает нагревание воздушных масс (при перемещении вниз) и охлаждение их (при перемещении вверх) без притока или оттока тепла. Адиабатические процессы служат причиной возникновения разнообразных циркуляционных эффектов, например появления устойчивой и неустойчивой стратификации (расслоения) атмосферы при определенном вертикальном изменении температуры.

В океане в связи с несжимаемостью воды изменение плотности, с глубиной за счет сжатия практически не выражено. Плотность океанской воды более зависит от температуры и солености, которые и определяют гравитационное перемешивание вод (наряду с ветровым).

Другая важная характеристика вещества — степень раздробленности. Для глубинных горных пород характерна массивность, т. е. малое значение отношения площади поверхности к объему породы. Чем ближе к земной поверхности, тем в более раздробленном состоянии находится твердое вещество. В поверхностном слое земной коры (коре выветривания, почве, осадках на дне океана и водоемов суши) значительная часть вещества находится в тонкодисперсном состоянии, образует коллоиды (частицы размером от 10-7 до 10-5 см). Их особенно много в почвах, где характерны коллоидные системы — гели. Чем выше раздробленность пород, тем больше общая площадь их поверхности и, следовательно, выше химическая активность, а также влагоемкость пород. Изменяются и другие свойства пород с увеличением их раздробленности.

Большую роль в процессах, происходящих в географической оболочке, играет текучесть вещества, т. е способность его частиц перемещаться относительно друг друга. Особенно большой текучестью обладают воздух и вода. Благодаря этому они производят значительную разрушительную работу (эрозия, абразия, дефляция) на земной поверхности. Кроме того, текучесть воды и воздуха служит необходимым условием возникновения турбулентных движений в этих средах. Турбулентным называют движение, при котором элементы подвижной среды (газ, жидкость) совершают неупорядоченные хаотические перемещения по сложным траекториям. Однако, несмотря на хаотичность движения отдельных элементов (отдельных частиц воздуха и воды, отдельных вихрей), в совокупности образуется направленный поток.

Движения в атмосфере и океане всегда турбулентны. Турбулентные потоки осуществляют перенос тепла, влаги, минеральных частиц, органического вещества в виде спор, бактерий, семян растений. Перенос тепла турбулентным путем в сотни тысяч раз эффективнее молекулярного переноса. Таким образом, океан и особенно атмосфера благодаря своей текучести являются средами, в которых наиболее интенсивно происходит перемещение вещества и энергии.

Текучестью обладают не только воздух и вода, но и вещество астеносферы, горные породы, лед и др. Вещество астеносферы иногда образно называют «жидким» твердым веществом. Предполагают, что на кратковременные нагрузки оно реагирует как твердое вещество, но при длительных нагрузках начинает вести себя как жидкое вещество, подчиняясь гидростатическим законам. Считают, что литосферные плиты как бы плавают на веществе астеносферы, перемещаясь за сотни миллионов лет на тысячи километров (см. гл. III).

В повседневной жизни мы также встречаем вещества, имеющие двойственный характер: лед, вар и др. Резкий удар вызывает раскалывание кусков льда или вара. Но одновременно они текут под влиянием собственной силы тяжести. Хорошим примером может служить ледяной покров Антарктиды. Лед образуется в Антарктиде в результате самоуплотнения снега, выпадающего на поверхность материка. Это так называемый фирновый лед. Рек в Антарктиде нет. Между тем высота материка остается практически постоянной. Лед медленно течет к краям материка. Там глыбы льда откалываются и начинают «путешествовать» по океанам в виде айсбергов. Между приходом влаги (в виде снега) и расходом (в виде ледяных глыб) существует подвижное равновесие.

Вещество земной коры также в определенной степени обладает свойством текучести. Вспомним складки пластов горных пород. Они смялись (часто без разрывных нарушений) под длительным воздействием горизонтального и вертикального давлений. Подтверждением наличия свойств текучести у земного вещества в целом является тот факт, что под действием центробежных сил, вызываемых вращением вокруг оси, Земля приобрела полярное сжатие. Интересно, что фактическое сжатие Земли несколько больше сжатия фигуры равновесия жидкости, соответствующей современной скорости осевого вращения Земли. Это объясняется тем, что вещество Земли течет как жидкость с очень большой вязкостью и не успевает приспособиться к вековому замедлению вращения планеты из-за приливного трения. Поэтому современная фигура Земли соответствует фигуре равновесия при скорости вращения, наблюдавшейся 10 млн. лет назад.

В процессах теплообмена большую роль играет такая физическая характеристика, как отражательная способность — альбедо различных поверхностей. Альбедо — отношение отраженной радиации к поступившей на поверхность объекта. Выражается в процентах или долях единицы. Свежий снег отражает до 95 % приходящей солнечной радиации, лес — от 10 до 25, посевы зерновых культур — 20— 30 %. Альбедо воды невелико: при зенитальном положении Солнца поверхность глубоких водоемов отражает всего 5 % радиации. Таким образом, благодаря альбедо создаются большие климатические различия.

Физико-географическое значение имеют и такие физические свойства вещества, как теплоемкость и поверхностное натяжение жидкостей. Таким образом, наличие в географической оболочке веществ, обладающих различными физическими свойствами, является одним из условий возникновения физико-географической дифференциации.

Свойства воды. Среди различных типов вещества на земной поверхности особое место занимает вода. Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геологических процессов — считал В. И. Вернадский. Вода — одна из великих стихий природы, волновавших человека с глубокой древности. Фалес Милетский, один из величайших мыслителей древности, считал воду первоисточником всего сущего.

Большая роль воды в природных процессах определяется ее замечательными свойствами. Вода — единственное из широко распространенных природных соединений, находящееся в земных условиях в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Это определяет большое разнообразие ее взаимодействий с другими веществами. Активность взаимодействия с другими веществами связана и с ее сильной растворяющей способностью. В результате в природе нет чистой воды. Даже в лаборатории получить идеально чистую воду исключительно трудно.

Вода очень подвижна. Она перемещается под действием силы тяжести, капиллярных сил, осмотических сил (проникает через стенки органических клеток). Благодаря своей сложной структуре она обладает многими аномальными свойствами. Температура ее таяния 0°, а кипения 100°, хотя, как и оксид водорода, она должна была бы превращаться в пар уже при —80 °С. Велика теплоемкость воды. Она характеризуется также высокими величинами скрытой теплоты испарения и таяния. Для превращения 1 г воды в пар требуется примерно 2,5-103 Дж, для превращения 1 г льда в воду — около 0,33-103 Дж. Соответственно при конденсации водяного пара и при замерзании воды выделяется такое же количество энергии. Таким образом, фазовые переходы воды сопровождаются большим поглощением и выделением тепла, что оказывает громадное влияние на процессы в географической оболочке.

Свойства вещества физико-географических объектов. В условиях земной поверхности различные типы вещества приобретают новые свойства, отличные от тех, которыми они обладают в лабораторных условиях в «чистом» виде. Новые свойства приобретаются по следующим причинам: в связи с ростом размеров (массы и объема) объектов, в связи с взаимодействием объектов, а также с включением в состав любого вещества в природных условиях примесей. Приобретение новых качеств за счет названных факторов можно продемонстрировать на примере усложнения уровней структуры «водных» объектов: молекулы Н2О (химическое соединение) — ансамбли молекул воды (вещество вода) — природные воды (морская вода, воды суши и др.) — водные массы — Мировой океан ‘.

Географы начинают анализ названных объектов с третьего уровня, поскольку второй уровень ими принимается как исходный. Именно с природными водами мы встречаемся в реальной природной обстановке.

Природные воды приобретают по сравнению с предыдущим уровнем новые качества благодаря растворенным в них соединениям. Температура наибольшей плотности воды растет с увеличением солености. При солености 24,695 %о (т. е. 24,695 г/кг) и ниже температура наибольшей плотности выше температуры замерзания. Соответственно у пресных вод наибольшая плотность наблюдается при температуре 4 °С; вода в твердом виде (лед) легче, чем вода при 4 °С, поэтому пресные водоемы не промерзают зимой до дна: охлажденные поверхностные воды не могут опуститься в более плотные, хотя и более теплые воды.

Соленость морских вод большей частью выше 24,695 %о. При такой солености температура наибольшей плотности ниже температуры замерзания. Поэтому в океане охлаждающаяся с поверхности вода при достижении определенной температуры становится тяжелее нижележащих вод и Начинает опускаться. Этот процесс находится в основе термической конвекции в океане. Благодаря ему в океане идет снабжение глубин кислородом, а в верхние слои поступают питательные вещества из придонных слоев.

Водные массы, т. е. сравнительно большие объемы воды, обладающие относительной однородностью физико-географических характеристик, приобретают новые качества. Каждая водная масса взаимодействует с другими, а также с воздушными массами. В их пределах уже проявляется действие отклоняющей силы вращения Земли, возникают вихревые системы. Благодаря движению такие свойства воды, как теплоемкость и теплопроводность, отличаются от теплоемкости и теплопроводности просто «воды»: объемная теплоемкость последней всего лишь в два раза больше, чем у горных пород (т. е. вещества суши), но реальная теплоемкость океанов примерно в двадцать раз больше теплоемкости суши. Это связано с тем, что благодаря вертикальному перемешиванию усвоение тепла в океане идет значительно эффективнее, чем на суше (см. Ш.2.1). Новые качества (по сравнению с отдельными водными массами) приобретает в целом Мировой океан. Для него характерно высокое постоянство уровня воды и солевого состава. Только в масштабах такой сложной системы, как океан, в целом возможно регулирование этих характеристик. Любая водная масса в отдельности (тем более отдельные порции воды) не в состоянии осуществлять эффективную регуляцию своих параметров. Мы наблюдаем их относительное постоянство в каждой точке, в том числе и в пределах водных масс, лишь потому, что они объединены в систему Мирового океана.

Аналогичное изменение качеств можно наблюдать и при переходе от молекул воздуха к воздушным массам, а от них к атмосфере, а также при переходе от одного уровня к другому в литосфере. Таким образом, с ростом размеров и сложности объектов в географической оболочке наряду с чисто «вещественными» характеристиками все большее значение приобретает их структура.