Возникновение гидросферы

 

1. Кулешов Д. А. Стрельников Г.Е. Инженерная геодезия для строителей. - М.: Недра, 1990.- 256 с.

 

2. Поклад Г.Г. Геодезия.- М.: Недра, 1988.-304с.

 

Учение о гидросфере

Понятие гидросферы

Понятие «гидросфера» (греч. «гюдор» — вода, «сфера» — шар) постоянно трансформировалось. В настоящее время под гидросферой принято называть водную оболочку Земли, включающую всю несвязанную воду независимо от ее состояния: жидкую, твердую, газообразную. Гидросфера – геологическая оболочка Земли.

Нижняя граница гидросферы принимается на уровне поверхности мантии (поверхности Махоровичича), а верхняя проходит в верхних слоях атмосферы. Гидросфера включает в себя Мировой океан, воды суши – реки, озера, болота, ледники – атмосферную влагу, а также подземные воды, залегающие всюду на материках, на дне озерных и морских впадин и под толщей вечных льдов. Таким образом, гидросфера охватывает весь комплекс земных оболочек.

Общий объем гидросферы по последним данным составляет около 1341 млн. км³. Предполагается, что это количество воды в течение геологического времени практически остается неизменным, несмотря на продолжающееся поступление воды из мантии и из Космоса (ледяные ядра комет, метеорное вещество, пыль) и потери ее за счет разложенияводы фотосинтезом и диссипации легких газов в Космосе. Однако соотношение отдельных ее видов не было постоянным и менялось в разные периоды жизни Земли.

В современную эпоху основные запасы воды сосредоточены в Мировом океане (96.5%). Пресных вод в гидросфере всего 2.58% от общих запасов воды. Больше всего пресных содержится в ледниках и снежном покрове Антарктиды, Арктики и горных стран (1.78% объема гидросферы или 69.3% от запасов пресных вод на Земле). Громадные запасы воды аккумулированы в литосфере. Доля пресных подземных вод от общего запаса пресных вод на земле составляет 29.4%. На долю рек приходится 0.006%, пресных озер – 0.25%, на воду, содержащуюся в атмосфере, – 0.03% от общего количества пресных вод.

С одной стороны гидросферу можно рассматривать как пленку соленой воды, покрывающую 71% поверхности земли, с другой стороны – главная часть машины, вырабатывающей пресную воду. Относительно экватора вода распределена неравномерно: в Северном полушарии она занимает 61% поверхности, а в Южном – 80%.

Гидросфера непрерывна и едина. Её единство заключается в общности происхождения всех природных вод из мантии Земли, в единстве их эволюции, взаимосвязи всех видов вод и способности перехода одного вида вод в другой, в единстве их функций в природе (обмен веществами и энергией).

Возникновение гидросферы

Считается, что в результате Большого взрыва около 15 млрд. лет назад образовалось скопление космического материала, из которого возникла около 4,7 млрд. лет назад основная часть Солнечной системы, в том числе и наша планета (рис. 1). На начальном этапе под действием гравитационного поля Земли произошло расслоение газово-пылевого вещества, а затем в условиях разогрева земных недр развились разные по химическому составу и физическим свойствам оболочки планеты. Достигнув примерно современной массы, Земля стала разогреваться в результате гравитационного сжатия ее недр и за счет распада радиоактивных изотопов, и в мантии началось плавление и дифференциация вещества на летучие, легкоплавкие и тугоплавкие. Тугоплавкие вещества остались в недрах Земли, легкоплавкие в виде базальта образовали земную кору. Летучие вещества: водяной пар вулканических газов, соединения углерода, серы, аммиак, галоидные кислоты, водород, аргон и некоторые другие газы поднялись на поверхность и образовали атмосферу и гидросферу. Более тяжелые материалы скапливались ближе к центру, в то время как более легкие концентрировались у поверхности и образовывали постепенно твердеющую кору.

Ядро Земли состоит в основном из тяжелых соединений железа, там температура превышает 4000°С, а давление – более чем в миллион раз выше, чем на поверхности. Снаружи от ядра находится земная мантия. Вещество мантии в основном существует в твердом состоянии, но оно настолько близко к точке плавления, что ведет себя в значительной степени как жидкость. Внутренний частично расплавленный слой мантии с пониженной вязкостью, который ведет себя как относительно жидкое тело, называется астеносферой. Наконец, снаружи находится земная кора. По сравнению с более глубокими слоями она чрезвычайно тонка и, подобно пенке на молоке, плавает по поверхности мантии (рис. 2, 3). Если вязкость литосферы оценивается в 1025 пуазов, то вязкость астеносферы на 4-5 порядков меньше – 1020-1021 пуазов.

Существуют два основных типа земной коры: океаническая и континентальная, их характеристики сильно различаются. Континентальная земная кора в среднем значительно толще океанической. Кроме того, океаническая кора состоит из более тяжелых базальтов, в то время как основная порода континентальной коры - относительно легкий гранит.

Так как земная кора "плавает" по поверхности вязкой мантии, более тяжелая океаническая кора "погружена" в мантию глубже. Пространства, занятые океанической корой, оказались в своеобразных низинах, которые заполнились водой и определяют реальное положение океанов.

Плотная оболочка земли, включающая земную кору и верхнюю часть мантии называется литосферой (геологическая оболочка). Литосфера имеет толщину от почти нулевой в зонах срединно-океанических хребтов до 100 км на окраинах океана и до 400 км - в некоторых континентальных районах. Литосфера разделена на обособленные литосферные плиты. Под литосферной плитой понимают участок (блок) литосферы, который ведет себя как самостоятельное относительно жесткое тело и способен двигаться горизонтально, перемещаясь относительно соседних таких же участков литосферы. Литосферные плиты, особенно океанические, достаточно прочны и не подвержены деформациям. Литосферные плиты "плавают" по поверхности внутреннего, частично расплавленного слоя мантии, или астеносферы.

Проблема происхождения воды и формирования гидросферы, несмотря на довольно высокий современный уровень развития наук о Земле, до сих пор является наименее разработанной. Существует множество гипотез происхождения воды и развития гидросферы, но ни одна из них не вышла из стадии рабочей гипотезы, накопления, предварительной систематизации и обобщения материалов. Все гипотезы условно можно объединить в две большие группы: 1) теллурического (земного) происхождения, 2) космического происхождения воды.

Возможны два источника воды океанов: либо она происходит из изначально плотной атмосферы и в таком случае является столь же древней, как и сама Земля; либо она просачивается из недр Земли, то есть происходит своеобразное «ожижение» твердого вещества Земли за счет высвобождения связанной воды. Наиболее убедительной представляется гипотеза первой группы, согласно которой литосфера, атмосфера и гидросфера образовались в едином процессе, в результате выплавления и дегазации вещества мантии. По мнению, А.П. Виноградова, в момент формирования Земли из протопланетного облака все элементы ее будущей атмосферы и гидросферы находились в связанном виде в составе твердых веществ: вода – в гидроокислах, азот – в нитридах -и нитратах, кислород – в окислах металлов, углевод – в графитах, карбидах и карбонатах. Вода и анионы произошли при дегазации мантии, а катионы – продукты разрушения горных пород литосферы.

В самом деле, если принять объем Мирового океана равным 13.7 • 10⁸ км³, а возраст Земли – 4.6 • 10⁹ лет, то скорость равномерного поступления воды из недр Земли составит весьма малую величину 0,3 км³/год. Это вполне возможный минимальный годовой расход воды из недр Земли.

Причем почти весь водяной пар конденсировался (температур над поверхностью Земли, не превышала 4 – 15° С), превратился в жидкую воду и тем самым сформировал «праокеаны». В первичный океан переходили, растворяясь в воде, также и другие составные части вулканических газов – большая доля углекислого газа, кислоты, соединения серы и часть аммиака. Кислоты, особенно в воде, реагировали с силикатами горных пород, из них щелочные, щелочноземельные и другие элементы. В результате вода переставала быть кислой, а растворимые соли извлеченных из силикатов элементов переходили в океан, поэтому вода в нем сразу же становилась соленой. Первичный океан, вероятно, был неглубоким, но покрывал почти всю Землю. Моря существовали на земле 1 млрд. лет тому назад.

С ростом массы гидросферы увеличивался и объем океана, изменялись его очертания, что было связано и с формированием континентальной и океанической коры. С поверхности океана испарялась вода (пресная), которая, возвращаясь в виде дождей на земную поверхность, сформировала воды суши. Воды океана, суши и атмосферы составили единую земную оболочку – гидросферу. Это и определило одну из специфических особенностей Земли, отличающую ее от других планет Солнечной, – постоянное наличие на ней гидросферы.