Płaszcz Ziemi- skorupa „stałej” Ziemi, położona pomiędzy skorupą ziemską a jądrem Ziemi. Zajmuje 83% powierzchni Ziemi (bez atmosfery) objętościowo i 67% masy.
Od skorupy ziemskiej oddziela ją powierzchnia Mohorowicza, na której prędkość podłużnych fal sejsmicznych wzrasta gwałtownie z 6,7-7,6 do 7,9-8,2 km/s podczas przejścia od skorupy do płaszcza ziemi; Płaszcz oddziela się od jądra Ziemi powierzchnią (na głębokości około 2900 km), na której prędkość fal sejsmicznych spada z 13,6 do 8,1 km/s. Płaszcz Ziemi dzieli się na płaszcz dolny i górny. Ta ostatnia z kolei dzieli się (od góry do dołu) na podłoże, warstwę Gutenberga (warstwa o małych prędkościach fal sejsmicznych) i warstwę Golicyna (czasami nazywaną płaszczem środkowym). U podstawy płaszcza Ziemi wyróżnia się warstwa o grubości mniejszej niż 100 km, w której prędkości fal sejsmicznych nie rosną wraz z głębokością, ani nawet nieznacznie się zmniejszają.
Zakłada się, że płaszcz Ziemi składa się z tych pierwiastków chemicznych, które w czasie formowania się Ziemi znajdowały się w stanie stałym lub wchodziły w skład stałych związków chemicznych. Spośród tych pierwiastków dominują O, Si, Mg, Fe. Według współczesnych koncepcji skład płaszcza Ziemi jest zbliżony do składu meteorytów kamiennych. Spośród meteorytów kamiennych skład chondrytów jest najbliższy płaszczowi Ziemi. Zakłada się, że bezpośrednimi próbkami substancji płaszcza są fragmenty skał pośród lawy bazaltowej, wyniesione na powierzchnię Ziemi; można je również znaleźć razem z diamentami w rurach wybuchowych. Uważa się również, że fragmenty skał wydobyte przez pogłębiarkę z dna szczelin Grzbietów Śródoceanicznych stanowią substancję płaszcza.
Charakterystyczną cechą płaszcza Ziemi są najwyraźniej przejścia fazowe. Ustalono doświadczalnie, że w oliwinie pod wpływem wysokiego ciśnienia zmienia się struktura sieci krystalicznej, pojawia się gęstsze upakowanie atomów, przez co objętość minerału zauważalnie maleje. W kwarcu takie przejście fazowe obserwuje się dwukrotnie wraz ze wzrostem ciśnienia; najgęstsza modyfikacja jest o 65 ° C gęstsza niż zwykły kwarc. Uważa się, że takie przejścia fazowe są główną przyczyną bardzo szybkiego wzrostu prędkości fal sejsmicznych w warstwie Golicyna wraz z głębokością.
Górny płaszcz jedna z skorup globu bezpośrednio leżąca pod skorupą ziemską. Od ostatnich Mohorowiczów oddziela go powierzchnia znajdująca się pod kontynentami na głębokości od 20 do 80 km (średnio 35 km) i pod oceanami na głębokości 11-15 km od powierzchni wody. Prędkość propagacji fali sejsmicznej (stosowanej jako pośrednia metoda badania wewnętrznej budowy Ziemi) wzrasta przy przejściu od skorupy ziemskiej do górnego płaszcza w skokach od około 7 do 8 km/s na głębokość 400 km (kiedy dzieląc go na górny, środkowy i dolny). Strefa na głębokościach 400-900 km nazywana jest warstwą Golicyna. Płaszcz górny jest prawdopodobnie zbudowany z perydotytów granatu z domieszką w górnej części eklogitu.
Eklogit to skała metamorficzna składająca się z piroksenu o dużej zawartości kwarcu i rutylu (minerał zawierający domieszkę żelaza, cyny, niobu i tantalu TiO 2 - 60% tytanu i 40% tlenu).
Ważna cecha strukturalna górnego płaszcza - obecność strefy niskich prędkości fal sejsmicznych. Istnieją różnice w budowie górnego płaszcza w różnych strefach tektonicznych, na przykład pod geosynklinami i platformami. W górnym płaszczu zachodzą procesy będące źródłem zjawisk tektonicznych, magmowych i metamorficznych w skorupie ziemskiej. W wielu hipotezach tektonicznych ważną rolę odgrywa górny płaszcz; zakłada się na przykład, że skorupa ziemska powstała w wyniku stopienia się substancji górnego płaszcza , że ruchy tektoniczne są powiązane z ruchami górnego płaszcza; Zwykle uważa się, że płaszcz Ziemi prawie w całości składa się z oliwinu [(Mg, Fe) 2 SiO 4 ], w którym silnie dominuje składnik magnezowy (forsteryt), ale być może wraz z głębokością proporcja składnika żelaznego (fajalit ) wzrasta. Australijski petrograf Ringwood sugeruje, że płaszcz Ziemi składa się z hipotetycznej skały, którą nazwał pirolitem i której skład odpowiada mieszaninie 3 części periodytu i 1 części bazaltu. Obliczenia teoretyczne pokazują, że minerały w dolnym płaszczu Ziemi powinny rozłożyć się na tlenki. Na początku lat 70. XX w. pojawiły się także dane wskazujące na obecność niejednorodności poziomych w płaszczu Ziemi.
Nie ma wątpliwości, że skorupa ziemska oddzieliła się od płaszcza ziemskiego; Proces różnicowania się płaszcza Ziemi trwa do dziś. Zakłada się, że jądro Ziemi rośnie z powodu płaszcza Ziemi. Procesy zachodzące w skorupie ziemskiej i płaszczu Ziemi są ze sobą ściśle powiązane; w szczególności wydaje się, że energia potrzebna do ruchów tektonicznych skorupy ziemskiej pochodzi z płaszcza Ziemi.
Dolny płaszcz Ziemi- integralna część płaszcza Ziemi, rozciągająca się od głębokości 660 (granica z górnym płaszczem) do 2900 km. Obliczone ciśnienie w dolnym płaszczu wynosi 24–136 GPa, a materiał dolnego płaszcza nie jest dostępny do bezpośrednich badań.
W dolnym płaszczu znajduje się warstwa (warstwa D), w której prędkość fal sejsmicznych jest nienormalnie mała oraz charakteryzują się niejednorodnościami poziomymi i pionowymi. Zakłada się, że powstaje w wyniku penetracji ku górze Fe i Ni do krzemianów, które topią się w wyniku tych przepływów. Jest to niezwykle ważne, gdyż niektórzy badacze uważają, że części płyty subdukcyjnej gromadzą się w odległości 660 km od granicy, po czym stają się wykładniczo cięższe, opadają do jądra i gromadzą się w warstwie D.
skorupa Ziemska- najbardziej zewnętrzna ze stałych powłok Ziemi. Za granicę uważa się dolną granicę skorupy ziemskiej, podczas której od góry do dołu podłużne fale sejsmiczne gwałtownie zwiększają prędkość z 6,7-7,6 km/s do 7,9-8,2 km/s (patrz powierzchnia Mohorovicica). . To oznaka zmiany materiału z mniej elastycznego na bardziej elastyczny i gęstszy. Warstwa górnego płaszcza leżąca pod skorupą ziemską jest często nazywana podłożem. Razem ze skorupą ziemską tworzy litosferę. Skorupa ziemska jest inna na kontynentach i pod oceanem. Skorupa kontynentalna ma zwykle grubość 35-45 km, na obszarach krajów górskich - do 70 km. Górna część skorupy kontynentalnej składa się z nieciągłej warstwy osadowej, składającej się z niezmienionych lub nieznacznie zmienionych skał osadowych i wulkanicznych w różnym wieku. Warstwy są często zgniecione w fałdy, rozdarte i przesunięte wzdłuż szczeliny. W niektórych miejscach (na tarczach) muszla osadowa jest nieobecna. Pozostałą część grubości skorupy kontynentalnej dzieli się według prędkości fal sejsmicznych na 2 części o nazwach warunkowych: w górnej części - warstwa „granitu” (prędkość fal podłużnych wynosi do 6,4 km / s), w dolnej części - warstwa „bazaltowa” (6,4 -7,6 km/s). Podobno warstwę „granitową” tworzą granity i gnejsy, a warstwę „bazaltową” – bazalty, gabro i bardzo silnie przeobrażone skały osadowe w różnych proporcjach. Te 2 warstwy są często oddzielone powierzchnią Konrada, na przejściu której prędkość fali sejsmicznej gwałtownie wzrasta. Wiadomo, że wraz z głębokością skorupy ziemskiej zawartość krzemionki maleje, a wzrasta zawartość tlenków żelaza i magnezu; w jeszcze większym stopniu ma to miejsce podczas przejścia od skorupy ziemskiej do podłoża.
Skorupa oceaniczna ma grubość 5-10 km (wraz ze słupem wody - 9-12 km). Dzieli się na trzy warstwy: pod cienką (mniejszą niż 1 km) warstwą osadów morskich znajduje się „druga” warstwa, w której prędkość podłużnych fal sejsmicznych wynosi 4-6 km/s; jego miąższość wynosi 1-2,5 km. Prawdopodobnie składa się z serpentynitu i bazaltu, być może z przewarstwieniami osadów. W dolnej warstwie „oceanicznej” o średniej grubości około 5 km prędkość fal sejsmicznych wynosi 6,4-7,0 km/s; prawdopodobnie składa się z gabro. Grubość warstwy osadów na dnie oceanu jest zmienna, miejscami nie ma jej wcale. W strefie przejściowej z lądu do oceanu obserwuje się pośredni rodzaj skorupy.
Skorupa ziemska podlega ciągłym ruchom i zmianom. W swoim nieodwracalnym rozwoju obszary mobilne – geosynkliny – przekształcają się poprzez długotrwałe przekształcenia w obszary stosunkowo spokojne – platformy. Istnieje wiele hipotez tektonicznych wyjaśniających proces rozwoju geosynklin i platform, kontynentów i oceanów oraz przyczyny rozwoju skorupy ziemskiej jako całości. Nie ma wątpliwości, że główne przyczyny rozwoju skorupy ziemskiej leżą w głębszym wnętrzu Ziemi; dlatego szczególnie interesujące jest badanie interakcji między skorupą ziemską a górnym płaszczem.
Skorupa ziemska jest bliska stanu izostazy (równowagi): im cięższa, tj. im grubsza lub gęstsza jest jakakolwiek część skorupy ziemskiej, tym głębiej jest ona zanurzona w podłożu. Siły tektoniczne przełamują izostazę, ale gdy osłabną, skorupa ziemska wraca do równowagi.
Ryc. 25 – Skorupa ziemska
Jądro Ziemi - centralna geosfera o promieniu około 3470 km. Istnienie jądra Ziemi ustalił w 1897 r. niemiecki sejsmolog E. Wiechert, a głębokość (2900 km) określił w 1910 r. amerykański geofizyk B. Gutenberg. Nie ma zgody co do składu jądra Ziemi i jego pochodzenia. Być może składa się z żelaza (z domieszką niklu, siarki, krzemu lub innych pierwiastków) lub jego tlenków, które pod wysokim ciśnieniem nabierają właściwości metalicznych. Istnieją opinie, że rdzeń powstał w wyniku różnicowania grawitacyjnego pierwotnej Ziemi podczas jej wzrostu lub później (po raz pierwszy wyrazili to norweski geofizyk V.M. Orovan i radziecki naukowiec A.P. Vinogradov, lata 60-70).
Powierzchnia Mohorovica - powierzchnia styku skorupy ziemskiej z płaszczem Ziemi Powierzchnia Mohorowiczów została ustalona na podstawie danych sejsmicznych: prędkość podłużnych fal sejsmicznych podczas przejścia (od góry do dołu) przez powierzchnię Mohorowiczów wzrasta gwałtownie z 6,7-7,6 do 7,9-8,2 km / s i poprzeczny - od 3,6-4,2 do 4,4-4,7 km / s. Różne dane geofizyczne, geologiczne i inne wskazują, że gęstość materii również gwałtownie wzrasta, prawdopodobnie z 2,9-3 do 3,1-3,5 t/m 3 . Najprawdopodobniej powierzchnia Mohorovica oddziela warstwy o różnym składzie chemicznym. Powierzchnia Mohorovichicia nosi imię A. Mohorovichicia, który ją odkrył.
Z pierwszych trzech geosfer wiodąca rola niewątpliwie należy do skorupy ziemskiej, ponieważ jej całkowita masa jest wielokrotnie większa niż całkowita masa pozostałych dwóch skorup. Dlatego dane dotyczące względnej zawartości tego lub innego pierwiastka chemicznego w skorupie ziemskiej można w dużej mierze uznać za odzwierciedlające jego zawartość w całej biosferze.
Zewnętrzna twarda skorupa Ziemi - skorupa ziemska w ponad 99% składa się tylko z 9 głównych pierwiastków: O (47%), Si (29,5%), Al (8,05%), Fe (4,65%), Ca (2,96%) %), Na (2,50%), K (2,50%), Mg (1,87%), Ti (0,45%). W sumie - 99,48%. Wśród nich zdecydowanie przeważa tlen. Wyraźnie widać, ile pozostało na wszystkie pozostałe elementy. Jest to wagowe, to znaczy w procentach wagowych.
Istnieje inny wariant oceny - objętościowo (procent objętościowy). Oblicza się go biorąc pod uwagę wielkość promieni atomowych i jonowych w określonych związkach mineralnych tworzonych przez te pierwiastki. Zawartość w skorupie ziemskiej najpowszechniejszych pierwiastków w procentach objętościowych to (wg V.M. Goldshmidta): O – 93,77%, K – 2,14%, Na – 1,60%, Ca – 1,48%, Si – 0,86%, Al – 0,76 %, Fe – 0,68%, Mg – 0,56%, Ti – 0,22%.
Wyraźnie widać dość znaczne różnice w rozkładzie atomów pierwiastków chemicznych wagowo i objętościowo: poprzez gwałtowny spadek względnej zawartości Al, a zwłaszcza Si (ze względu na mały rozmiar ich atomów, a w przypadku krzemu w jeszcze większym stopniu jonów w związkach tlenowych), jeszcze wyraźniej podkreśla się wiodącą rolę tlenu w litosferze.
Jednocześnie ujawniono „anomalie” w zawartości niektórych pierwiastków litosfery:
„Spadek” obfitości najlżejszych pierwiastków (Li, Be, B) tłumaczy się specyfiką procesu nukleosyntezy (dominujące tworzenie węgla w wyniku połączenia trzech jąder helu jednocześnie); stosunkowo duża zawartość pierwiastków będących produktami rozpadu promieniotwórczego (wśród gazów obojętnych Pb, Bi, a także Ar).
W warunkach ziemskich liczebność dwóch kolejnych pierwiastków, H i He, jest nienormalnie niska. Wynika to z ich „zmienności”. Oba te pierwiastki są gazami, a ponadto najlżejszymi. Dlatego atomowy wodór i hel mają tendencję do przemieszczania się do górnych warstw atmosfery, a stamtąd, nie będąc trzymane przez ziemską grawitację, rozpraszają się w przestrzeń kosmiczną. Wodór nie został jeszcze całkowicie utracony, ponieważ większość stanowi część związków chemicznych - wody, wodorotlenków, węglowodorów, wodorokrzemianów, związków organicznych itp. A hel, który jest gazem obojętnym, stale powstaje jako produkt rozpadu radioaktywnego ciężkich atomów.
Zatem skorupa ziemska jest zasadniczo pakietem anionów tlenu połączonych ze sobą jonami krzemu i metali, tj. składa się prawie wyłącznie ze związków tlenu, głównie krzemianów glinu, wapnia, magnezu, sodu, potasu i żelaza. Jednocześnie, jak już wiadomo, nawet pierwiastki stanowią 86,5% litosfery.
Najpopularniejsze elementy nazywane są makroelementami.
Pierwiastki, których zawartość wynosi setne części procenta lub mniej, nazywane są mikroelementami. Pojęcie to ma charakter względny, gdyż w jednym środowisku dany pierwiastek może być mikroelementem, a w innym można go zaliczyć do podstawowych, tj. makroelementy (Przykładowo Al w organizmach jest pierwiastkiem śladowym, w litosferze jest makroelementem, żelazo w glebie jest makroelementem, a w organizmach żywych jest pierwiastkiem śladowym).
Aby określić ilość zawartości określonego elementu w określonym środowisku, używa się pojęcia „clark”. Termin ten kojarzony jest z nazwą F.U. Clarka, amerykańskiego geochemika, który jako pierwszy podjął się, na podstawie obszernego materiału analitycznego, obliczenia średniej zawartości pierwiastków chemicznych w różnych typach skał i w całej litosferze. Ku pamięci jego wkładu, A.E. Fersman w 1924 roku zaproponował nazwanie średniej zawartości dowolnego pierwiastka w określonym ośrodku materialnym Clarke'em tego pierwiastka chemicznego. Jednostką Clarke'a jest g/t (ponieważ niewygodne jest stosowanie wartości procentowych przy małych wartościach Clarka wielu elementów).
Najtrudniejszym zadaniem jest określenie Clarka dla litosfery jako całości, ponieważ jej struktura jest bardzo.
Wewnątrz skał podział krzemianów odbywa się na kwaśne i zasadowe.
Stężenia Li, Be, Rb, TR, Ba, Tl, Th, U i Ta są stosunkowo podwyższone w kwasach.
Najważniejsze z nich to Cr, Sc, Ni, V, Co, Pt.
Podajemy kolejność Clarksów różnych elementów według V.F. Barabanow:
Ponad 10 000 g/t - O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.
1000-10 000 - Mn, Ti.
100-1000 - C, F, P, S, Cl, Rb, Sr, Zr, Ba.
10-100 - Pb, Th, Y, Nb, La, Ce, Nd, Li, B, N, Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga.
1-10 - Eu, Dy, Ho, Er, Yb, Hf, Ta, W, Tl, U, Ge, As, Br, Mo, Sn, Sc, Pm, Sm, Be.
0,1-1,0 - Cd, Bi, In, Tu, I, Sb, Lu.
0,01-0,1 - Ar, Se, Ag, Hg.
0,001-0,01 - Re, Os, Ir, Ru, Rh, Pd, Te, Pt, He, Au.
Zgodnie z tą gradacją pierwiastki zawierające Clarksa powyżej 1000 g/t będą nazywane makroelementami. Te z niższymi Clarkami są pierwiastkami śladowymi.
Uwzględnienie Clarke’a jest z pewnością konieczne do prawidłowego zrozumienia prawidłowości procesów migracji pierwiastków chemicznych. Różne rozmieszczenie pierwiastków w przyrodzie ma dla wielu z nich nieuniknione konsekwencje, obecność znacznych różnic w ich zachowaniu w warunkach laboratoryjnych i w przyrodzie. Wraz ze spadkiem wartości Clarke'a zmniejsza się aktywne stężenie pierwiastka i niemożliwe staje się wytrącenie niezależnej fazy stałej z roztworów wodnych i innych metod tworzenia niezależnych form minerałów. Dlatego zdolność do niezależnego tworzenia minerałów zależy nie tylko od właściwości chemicznych pierwiastka, ale także od jego Clarka.
Przykłady: S i Se są chemicznie kompletnymi analogami, a ich zachowanie w procesach naturalnych jest inne. S jest wiodącym elementem wielu naturalnych procesów. Siarkowodór odgrywa ważną rolę w procesach chemicznych zachodzących w osadach dennych i w głębi skorupy ziemskiej, w powstawaniu złóż wielu metali. Siarka tworzy niezależne minerały (siarczki, siarczany). Selenowodór nie odgrywa znaczącej roli w procesach naturalnych. Selen występuje w postaci rozproszonej jako zanieczyszczenie minerałów utworzonych przez inne pierwiastki. Różnice pomiędzy K i Cs, Si i Ge są podobne.
Jedną z najważniejszych różnic między geochemią a chemią jest to, że geochemia uwzględnia tylko te interakcje chemiczne, które zachodzą w określonych warunkach naturalnych. Ponadto uwzględnienie Clarków (przynajmniej ich rzędów) w tym sensie jest podstawowym wymogiem w przypadku wszelkich konstrukcji geochemicznych.
Istnieją, a nawet dość powszechne, niezależne fazy mineralne szeregu pierwiastków z niskimi klarami. Dzieje się tak dlatego, że w przyrodzie istnieją mechanizmy, które pozwalają zapewnić powstawanie podwyższonych stężeń niektórych pierwiastków, w wyniku czego ich zawartość w niektórych obszarach może wielokrotnie przekraczać zawartość Clarke’a. Dlatego oprócz Clarke'a pierwiastka należy wziąć pod uwagę wartość jego stężenia w porównaniu z zawartością Clarke'a.
Stężenie Clarke'a to stosunek zawartości pierwiastka chemicznego w danym konkretnym kruszywa materiału naturalnego (skała itp.) do jego zawartości.
Przykładowe współczynniki stężeń niektórych pierwiastków chemicznych w złożach rud: Al – 3,7; Mn - 350; Cu - 140; Sn - 250; Zn - 500; Au-2000.
Na tej podstawie elementy z niskimi trzaskami dzielimy na dwie jakościowo różne grupy, które już Wam znamy. Nazywa się te, których dystrybucja nie charakteryzuje się wysokimi wartościami QC rozsiany(Rb, Ga, Re, Cd itp.). Potrafi tworzyć podwyższone stężenia o wysokich wartościach CC - rzadki(Sn, Be itp.).
Różnice w osiąganych wartościach QC wynikają z odmiennej roli poszczególnych pierwiastków w historii materialnej i technicznej działalności ludzkości (od czasów starożytnych znane były metale o niskiej zawartości węgla Au, Cu, Sn, Pb, Hg, Ag ... - i częściej Al, Zr ...).
Ważną rolę w procesach koncentracji i dyspersji pierwiastków w skorupie ziemskiej odgrywa izomorfizm - właściwość pierwiastków do wzajemnego zastępowania się w strukturze minerału. Izomorfizm to zdolność pierwiastków chemicznych o podobnych właściwościach do wzajemnego zastępowania się w różnych ilościach w sieciach krystalicznych. Oczywiście jest to charakterystyczne nie tylko dla mikroelementów. Ale to właśnie dla nich, zwłaszcza dla elementów rozproszonych, nabiera wiodącego znaczenia jako główny czynnik prawidłowości ich rozmieszczenia. Rozróżnia się izomorfizm doskonały – gdy elementy wymienne mogą zastępować się nawzajem w dowolnym stosunku (ograniczonym jedynie stosunkami zawartości tych elementów w układzie) oraz niedoskonały – gdy substytucja jest możliwa tylko w określonych granicach. Naturalnie, im bliższe są właściwości chemiczne, tym doskonalszy izomorfizm.
Rozróżnia się izomorfizm izowalentny i heterowalentny.
Wspólny rodzaj wiązania chemicznego jest tym, co chemicy nazywają stopniem jonowości - kowalencją. Przykład: chlorki i siarczki nie są izomorficzne, ale siarczany z manganianami są izomorficzne.
Mechanizm izomorfizmu izowalentnego. Jednorodność wzoru chemicznego powstałych związków i utworzonej sieci krystalicznej. Oznacza to, że jeśli rubid jest potencjalnie zdolny do tworzenia związków z tymi samymi pierwiastkami co potas, a struktura krystaliczna takich związków jest tego samego typu, wówczas atomy rubidu mogą zastąpić atomy potasu w jego związkach.
Podział pierwiastków chemicznych na makro- i mikroelementy, a tych drugich na rzadkie i rozproszone, ma ogromne znaczenie, ponieważ w przyrodzie nie wszystkie pierwiastki chemiczne tworzą niezależne związki. Jest to charakterystyczne głównie dla pierwiastków z wysokimi lub niskimi Clarkami, ale zdolnymi do miejscowego tworzenia wysokich stężeń (czyli rzadko).
Występowanie w przyrodzie w stanie rozproszonym i wszędzie (tylko w różnych stężeniach) jest właściwością wszystkich pierwiastków chemicznych. Fakt ten po raz pierwszy stwierdził V.I. Wernadskiego i otrzymał nazwę prawa rozpraszania pierwiastków chemicznych od Wernadskiego. Ale część pierwiastków może występować w przyrodzie, oprócz rozproszonej formy, występować w innej formie - w postaci związków chemicznych. Natomiast pierwiastki o niskich stężeniach występują jedynie w formie rozproszonej.
Mechanizm heterowalentnego izomorfizmu nieco bardziej skomplikowane. Po raz pierwszy na obecność tego typu izomorfizmu zwrócono uwagę już pod koniec XIX wieku. G. Czermak. Udowodnił, że bardzo złożone wzory chemiczne otrzymywane dla większości związków mineralnych z klasy krzemianów wynikają właśnie z izomorfizmu heterowalentnego, gdy całe grupy atomów wzajemnie się zastępują. Ten typ izomorfizmu jest bardzo charakterystyczny dla związków krzemianowych.
Innymi możliwościami znalezienia rozproszonych atomów pierwiastków w skorupie ziemskiej jest ich lokalizacja w defektach sieci krystalicznej, w jej wnękach, a także w stanie zasorbowanym na powierzchni innych cząstek, w tym koloidalnych.
Antropogeniczne oddziaływanie na przyrodę przenika obecnie do wszystkich obszarów, dlatego konieczne jest krótkie rozważenie charakterystyki poszczególnych skorup Ziemi.
Ziemia składa się z jądra, płaszcza, skorupy, litosfery, hydrosfery i. W wyniku wpływu żywej materii i działalności człowieka powstały jeszcze dwie skorupy - biosfera i noosfera, w tym technosfera. Działalność człowieka rozciąga się na hydrosferę, litosferę, biosferę i noosferę. Rozważmy pokrótce te muszle i charakter wpływu na nie działalności człowieka.
Ogólna charakterystyka atmosfery
Zewnętrzna powłoka gazowa Ziemi. Dolna część styka się z litosferą lub, a górna część ma kontakt z przestrzenią międzyplanetarną. składa się z trzech części:
1. Troposfera (dolna część) i jej wysokość nad powierzchnią wynosi 15 km. Troposfera składa się z , którego gęstość maleje wraz z wysokością. Górna część troposfery styka się z ekranem ozonowym - warstwą ozonową o grubości 7-8 km.
Ekran ozonowy zapobiega przedostawaniu się do powierzchni Ziemi twardego promieniowania ultrafioletowego lub wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego (litosfera, hydrosfera), które są szkodliwe dla wszystkich istot żywych. Dolne warstwy troposfery – do 5 km od poziomu morza – są siedliskiem powietrza, natomiast warstwy najniższe są najgęściej zaludnione – do 100 m od powierzchni lądu. Największy wpływ działalności człowieka, mający największe znaczenie ekologiczne, odczuwa troposfera, a zwłaszcza jej dolne warstwy.
2. Stratosfera - warstwa środkowa, której granicą jest wysokość 100 km nad poziomem morza. Stratosfera wypełniona jest rozrzedzonym gazem (azotem, wodorem, helem itp.). Wchodzi do jonosfery.
3. Jonosfera - górna warstwa przechodząca w przestrzeń międzyplanetarną. Jonosfera wypełniona jest cząsteczkami powstającymi w wyniku rozpadu cząsteczek - jonami, elektronami itp. W dolnej części jonosfery pojawiają się „zorze polarne”, które obserwuje się na obszarach poza kołem podbiegunowym.
Z ekologicznego punktu widzenia największe znaczenie ma troposfera.
Krótki opis litosfery i hydrosfery
Powierzchnia Ziemi, położona pod troposferą, jest niejednorodna - część jej zajmuje woda, która tworzy hydrosferę, a część to ląd, który tworzy litosferę.
Litosfera - zewnętrzna twarda skorupa globu, utworzona przez skały (stąd nazwa - „odlew” - kamień). Składa się z dwóch warstw - górnej, utworzonej przez skały osadowe z granitem i dolnej, utworzonej przez stałe skały bazaltowe. Część litosfery zajmuje woda (), a część to ląd, stanowiący około 30% powierzchni Ziemi. Najwyższą warstwę ziemi (w większości) pokryto cienką warstwą żyznej powierzchni - gleby. Gleba jest jednym ze środowisk życia, a litosfera jest podłożem, na którym żyją różne organizmy.
Hydrosfera - powłoka wodna powierzchni ziemi, utworzona przez całość wszystkich zbiorników wodnych na Ziemi. Grubość hydrosfery jest różna w różnych obszarach, ale średnia głębokość oceanu wynosi 3,8 km, a w niektórych zagłębieniach - do 11 km. Hydrosfera jest źródłem wody dla wszystkich organizmów żyjących na Ziemi, jest potężną siłą geologiczną, która krąży w obiegu wody i innych substancji, „kolebką życia” i siedliskiem organizmów wodnych. Wpływ antropogeniczny na hydrosferę jest również duży i zostanie omówiony poniżej.
Ogólna charakterystyka biosfery i noosfery
Od czasu pojawienia się życia na Ziemi powstała nowa, specyficzna powłoka - biosfera. Termin „biosfera” wprowadził E. Suess (1875).
Biosfera (sfera życia) to część skorup Ziemi, w której żyją różne organizmy. Biosfera zajmuje część (dolna część troposfery), litosfera (górna część, w tym gleba) i przenika całą hydrosferę i górną część powierzchni dolnej.
Biosferę można również zdefiniować jako powłokę geologiczną zamieszkaną przez organizmy żywe.
Granice biosfery wyznaczają warunki niezbędne do normalnego funkcjonowania organizmów. Górna część biosfery ograniczona jest intensywnością promieniowania ultrafioletowego, a dolna – wysoką temperaturą (do 100°C). Zarodniki bakterii występują na wysokości 20 km nad poziomem morza, a bakterie beztlenowe na głębokości do 3 km od powierzchni ziemi.
Wiadomo, że powstają z żywej materii. Gęstość biosfery charakteryzuje się koncentracją żywej materii. Ustalono, że największą gęstość biosfery charakteryzują powierzchnie lądowe i oceaniczne na styku litosfery i hydrosfery z atmosferą. Gęstość życia w glebie jest bardzo duża.
Masa żywej materii w porównaniu z masą skorupy ziemskiej i hydrosfery jest niewielka, ale odgrywa ogromną rolę w procesach zmian skorupy ziemskiej.
Biosfera to całość wszystkich biogeocenoz na Ziemi, dlatego uważana jest za najwyższy ekosystem Ziemi. Wszystko w biosferze jest ze sobą powiązane i współzależne. Pula genowa wszystkich organizmów na Ziemi zapewnia względną stabilność i odnawialność zasobów biologicznych planety, jeśli nie ma ostrej ingerencji w naturalne procesy ekologiczne przez różne siły o charakterze geologicznym lub międzyplanetarnym. Obecnie, jak wspomniano powyżej, czynniki antropogeniczne oddziałujące na biosferę nabrały charakteru siły geologicznej, z którą ludzkość musi się liczyć, jeśli chce przetrwać na Ziemi.
Od czasu pojawienia się człowieka na Ziemi w przyrodzie pojawiły się czynniki antropogeniczne, których działanie nasila się wraz z rozwojem cywilizacji, a także powstała nowa specyficzna powłoka Ziemi - noosfera (sfera inteligentnego życia). Termin „noosfera” został po raz pierwszy wprowadzony przez E. Leroya i T. Ya. de Chardin (1927), a w Rosji po raz pierwszy w jego twórczości został użyty przez V. I. Vernadsky'ego (lata 30.-40. XX wieku). W interpretacji terminu „noosfera” istnieją dwa podejścia:
1. „Noosfera to ta część biosfery, w której prowadzona jest działalność gospodarcza człowieka”. Autorem tej koncepcji był LN Gumilow (syn poetki A. Achmatowej i poety N. Gumilowa). Ten punkt widzenia jest słuszny, jeśli konieczne jest wyodrębnienie działalności człowieka w biosferze, wykazanie jej odmienności od działalności innych organizmów. Taka koncepcja charakteryzuje „wąskie znaczenie” istoty Noosfery jako powłoki Ziemi.
2. „Noosfera to biosfera, której rozwojem kieruje ludzki umysł”. Koncepcja ta jest szeroko reprezentowana i jest koncepcją w szerokim rozumieniu istoty Noosfery, gdyż wpływ ludzkiego umysłu na biosferę może być zarówno pozytywny, jak i negatywny, przy czym ten drugi bardzo często przeważa. Skład noosfery obejmuje technosferę - część noosfery związaną z działalnością produkcyjną człowieka.
Na obecnym etapie rozwoju cywilizacji i ludności konieczne jest „rozsądne” oddziaływanie na przyrodę, optymalne na nią oddziaływanie, aby w jak najmniejszym stopniu zaszkodzić naturalnym procesom ekologicznym, przywrócić zniszczone lub zaburzone biogeocenozy, a nawet życie ludzkie jako integralną całość. część biosfery. Działalność człowieka nieuchronnie powoduje zmiany w otaczającym świecie, jednak biorąc pod uwagę możliwe konsekwencje, przewidując możliwe negatywne skutki, należy zadbać o to, aby były one jak najmniej destrukcyjne.
Krótki opis sytuacji awaryjnych występujących na powierzchni Ziemi oraz ich klasyfikacja
Ważną rolę w naturalnych procesach ekologicznych odgrywają katastrofy, które stale powstają na powierzchni Ziemi. Niszczą lokalne biogeocenozy, a jeśli powtarzają się cyklicznie, w niektórych przypadkach są czynnikami środowiskowymi sprzyjającymi procesom ewolucyjnym.
Sytuacje, w których normalne funkcjonowanie dużej liczby osób lub biogeocenoza jako całość stają się trudne lub niemożliwe, nazywane są sytuacjami awaryjnymi.
Pojęcie „sytuacji nadzwyczajnych” ma większe zastosowanie do działalności człowieka, ale ma również zastosowanie do zbiorowisk naturalnych.
Ze względu na pochodzenie sytuacje awaryjne dzielą się na naturalne i antropogeniczne (technogeniczne).
Katastrofy naturalne powstają w wyniku zjawisk naturalnych. Należą do nich powodzie, trzęsienia ziemi, osuwiska, lawiny błotne, huragany, erupcje itp. Rozważmy niektóre zjawiska powodujące katastrofy naturalne.
Jest to nagłe uwolnienie energii potencjalnej wnętrza Ziemi, które przybiera postać fal uderzeniowych i drgań sprężystych (fal sejsmicznych).
Trzęsienia ziemi powstają głównie na skutek podziemnych zjawisk wulkanicznych, przemieszczeń warstw względem siebie, ale mogą mieć również charakter sztuczny i powstają w wyniku zapadnięcia się wyrobisk mineralnych. Podczas trzęsień ziemi dochodzi do przemieszczeń, wibracji i wibracji skał od fal sejsmicznych i ruchów tektonicznych skorupy ziemskiej, co prowadzi do zniszczenia powierzchni - pojawienia się pęknięć, uskoków itp., a także do wystąpienia pożarów, zniszczenie budynków.
Osuwiska - ślizgowe przemieszczanie się skał w dół zboczy z pochyłych powierzchni (góry, wzgórza, tarasy morskie itp.) pod wpływem grawitacji.
Podczas osuwisk dochodzi do naruszenia powierzchni, obumierania biocenoz, niszczenia osad itp. Największe szkody powodują bardzo głębokie osuwiska, których głębokość przekracza 20 metrów.
Wulkanizm (erupcje wulkanów) to zespół zjawisk związanych z ruchem magmy (stopionej masy skalnej), gorących gazów i pary wodnej unoszących się kanałami lub pęknięciami w skorupie ziemskiej.
Wulkanizm jest typowym zjawiskiem naturalnym, które powoduje ogromne zniszczenia naturalnych biogeocenoz, powodując ogromne szkody w działalności gospodarczej człowieka i silnie zanieczyszczając region sąsiadujący z wulkanami. Erupcjom wulkanów towarzyszą inne katastrofalne zjawiska naturalne - pożary, osunięcia ziemi, powodzie itp.
Potoki błotne to krótkotrwałe, burzliwe powodzie, które niosą ze sobą duże ilości piasku, kamyków, dużych gruzów i kamieni, które mają charakter potoków mułowo-kamienistych.
Potoki błotne są charakterystyczne dla regionów górskich i mogą powodować znaczne szkody w działalności człowieka, powodować śmierć różnych zwierząt i powodować niszczenie lokalnych zbiorowisk roślinnych.
Lawiny śnieżne nazywane są lawinami śnieżnymi i niosą ze sobą coraz większe masy śniegu i innych materiałów sypkich. Lawiny mają pochodzenie naturalne i antropogeniczne. Powodują ogromne szkody w działalności gospodarczej człowieka, niszcząc drogi, linie energetyczne, powodując śmierć ludzi, zwierząt i zbiorowisk roślinnych.
Powyższe zjawiska będące przyczyną sytuacji awaryjnych są ściśle powiązane z litosferą. Zjawiska naturalne tworzące sytuacje awaryjne są możliwe także w hydrosferze. Należą do nich powodzie i tsunami.
Powodzie to zalanie obszarów dolinami rzek, brzegów jezior, mórz i oceanów.
Jeśli powodzie mają charakter ściśle okresowy (przypływy, odpływy), wówczas w tym przypadku naturalne biogeocenozy są do nich przystosowane jako do siedliska pod pewnymi warunkami. Często jednak powodzie mają charakter nieoczekiwany i wiążą się z pojedynczymi zjawiskami nieokresowymi (nadmierne opady śniegu w okresie zimowym stwarzają warunki do wystąpienia powodzi rozległych, które powodują zalanie dużego obszaru itp.). W czasie powodzi następuje naruszenie pokrywy glebowej, teren może zostać zanieczyszczony różnymi odpadami w wyniku erozji składowisk, śmierci zwierząt, roślin i ludzi, zniszczenia osadnictwa itp.
Fale grawitacyjne o dużej sile powstające na powierzchni mórz i oceanów.
Tsunami mają przyczyny naturalne i spowodowane przez człowieka. Trzęsienia ziemi, trzęsienia morza i podwodne erupcje wulkanów są klasyfikowane jako przyczyny naturalne, a podwodne eksplozje nuklearne jako przyczyny spowodowane przez człowieka.
Tsunami powodują śmierć statków i wypadki na nich, co z kolei prowadzi do skażenia środowiska naturalnego, np. zniszczenie tankowca doprowadzi do zanieczyszczenia ogromnej powierzchni wody filmem olejowym, który jest trujący dla planktonu i formy pelargiczne zwierząt (plankton to zawieszone drobne organizmy, żyjące w powierzchniowej warstwie wód oceanu lub innego zbiornika wodnego; formy zwierząt pelargicznych – zwierzęta poruszające się swobodnie w słupie wody w wyniku aktywnego ruchu, np. rekiny, wieloryby, głowonogi; formy organizmów bentosowych – organizmy prowadzące bentosowy tryb życia, na przykład flądra, kraby pustelniki, szkarłupnie, glony przyczepione do dna itp.). Tsunami powodują silne mieszanie się wód, przeniesienie organizmów do nietypowego siedliska i śmierć.
Istnieją również zjawiska powodujące sytuacje awaryjne. Należą do nich huragany, tornada, różnego rodzaju burze.
Huragany – cyklony tropikalne i pozatropikalne, które w centrum charakteryzują się znacznie obniżonym ciśnieniem, towarzyszą wiatrom o dużej prędkości i niszczycielskiej sile.
Istnieją słabe, silne i ekstremalne huragany, które powodują ulewy, fale morskie i niszczenie obiektów lądowych, śmierć różnych organizmów.
Burze wirowe (szkwały) to zjawiska atmosferyczne związane z występowaniem silnych wiatrów o dużej sile niszczycielskiej i dużym obszarze dystrybucji. Jest śnieg, pył i burze bezpyłowe. Ulewy powodują przenoszenie górnych warstw gleby, ich niszczenie, śmierć roślin, zwierząt i niszczenie konstrukcji.
Tornada (tornada) to wirowa forma ruchu mas powietrza, której towarzyszy pojawienie się lejów powietrznych.
Siła tornad jest ogromna, w obszarze ich ruchu następuje całkowite zniszczenie gleby, giną zwierzęta, niszczone są budynki, przedmioty przenoszone są z miejsca na miejsce, powodując uszkodzenia znajdujących się tam obiektów.
Oprócz opisanych powyżej zjawisk naturalnych, prowadzących do sytuacji awaryjnych, istnieją inne zjawiska je wywołujące, których przyczyną jest działalność człowieka. Sytuacje awaryjne spowodowane przez człowieka obejmują:
1. Wypadki komunikacyjne. Kiedy łamane są zasady ruchu drogowego na różnych autostradach (drogi, koleje, rzeki, morza), giną pojazdy, ludzie, zwierzęta itp. Do środowiska naturalnego przedostają się różne substancje, w tym te, które prowadzą do śmierci organizmów wszystkich królestw ( np. pestycydy itp.). W wyniku wypadków w transporcie możliwe są pożary oraz przedostanie się gazów (chlorowodoru, amoniaku, substancji łatwopalnych i wybuchowych).
2. Wypadki w dużych przedsiębiorstwach. Naruszenie procesów technologicznych, nieprzestrzeganie zasad eksploatacji urządzeń, niedoskonałość technologii może spowodować uwolnienie do środowiska szkodliwych związków powodujących różne choroby u ludzi i zwierząt, przyczyniając się do pojawienia się mutacji w organizmach roślinnych i zwierzęcych, m.in. a także doprowadzić do zniszczeń budynków i pożarów. Najniebezpieczniejsze wypadki w przedsiębiorstwach korzystających z. Awarie w elektrowniach jądrowych powodują ogromne szkody, ponieważ oprócz zwykłych czynników szkodliwych (uszkodzenia mechaniczne, jednostronne uwolnienie szkodliwych substancji, pożary) awarie w elektrowniach jądrowych charakteryzują się uszkodzeniem terenu przez radionuklidy, promieniowaniem przenikliwym , a promień uszkodzeń w tym przypadku znacznie przekracza prawdopodobieństwo wystąpienia wypadków w innych przedsiębiorstwach.
3. Pożary obejmujące duże obszary lasów lub torfowisk. Z reguły pożary takie mają charakter antropogeniczny, na skutek naruszenia zasad postępowania z ogniem, ale mogą mieć także charakter naturalny, np. na skutek wyładowań atmosferycznych (piorunów). Takie pożary mogą być również spowodowane zwarciami w liniach energetycznych. Pożary niszczą naturalne zbiorowiska organizmów na dużych obszarach, powodując ogromne szkody gospodarcze w działalności gospodarczej człowieka.
Wszystkie opisane zjawiska naruszające naturalne biogeocenozy, powodujące ogromne szkody w działalności gospodarczej człowieka, wymagają opracowania i przyjęcia działań ograniczających ich negatywne oddziaływanie, co jest realizowane w ramach realizacji działań proekologicznych i radzenia sobie ze skutkami sytuacji nadzwyczajnych.
Ziemia ma niejednorodną strukturę i składa się z koncentrycznych powłok (geosfer), zarówno wewnętrznych, jak i zewnętrznych. Jądro, płaszcz należą do wewnętrznych, a litosfera (skorupa ziemska), hydrosfera, atmosfera i złożona skorupa ziemi - biosfera - do zewnętrznych.
Klasyczną definicję powłok ziemskich podał V.I. Vernadsky: „... Mniej lub mniej regularne koncentryczne warstwy pokrywające całą planetę, zmieniające się wraz z głębokością w pionowej części planety i różniące się od siebie specyficznymi właściwościami fizycznymi, chemicznymi i biologicznymi, charakterystycznymi dla każdej z nich, tylko z nią związanymi. ”
Litosfera(Greckie „lithos” - kamień) - kamienna skorupa Ziemi. Składa się ze skorupy ziemskiej i górnej części płaszcza (astenosfery). Skorupa ziemska składa się z ogromnych, ściśle przylegających do siebie bloków (płyt litosferycznych), które niejako „unoszą się” po powierzchni płaszcza, powoli poruszając się wraz z nim.
Powierzchnia litosfery charakteryzuje się znacznymi nieregularnościami, które decydują o rzeźbie Ziemi. Największe formy terenu to depresje oceaniczne (rozległe zagłębienia wypełnione wodą) i wysokie masy lądowe (kontynenty lub kontynenty) - Eurazja, Afryka, Australia, Ameryka Północna i Południowa, Antarktyda.
Skorupa ziemska jest najważniejszym zasobem ludzkości. Zawiera minerały palne(węgiel, torf, ropa naftowa, gaz, łupki bitumiczne), Ruda(żelazo, aluminium, miedź, cyna itp.) i niemetalowe(fosforyty, apatyty itp.) minerały, naturalne materiały budowlane(wapień, piasek, żwir itp.).
Hydrosfera(greckie „hydror” - woda) - powłoka wodna Ziemi, obejmująca wszystkie wody znajdujące się w stanie ciekłym, stałym i gazowym. Hydrosfera obejmuje wody oceanów, mórz, wody gruntowe i wody powierzchniowe lądu. Część wody występuje w atmosferze i organizmach żywych.
Ponad 96% objętości hydrosfery stanowią morza i oceany, około 2% to wody gruntowe, około 2% to lód i śnieg, a około 0,02% to lądowe wody powierzchniowe.
Hydrosfera odgrywa ogromną rolę w kształtowaniu środowiska naturalnego naszej planety, wpływa na procesy atmosferyczne (ogrzewanie i chłodzenie mas powietrza, nasycanie ich wilgocią itp.).
Atmosfera(Greckie „atmos” - para) - trzecia geosfera Ziemi, z którą związana jest biosfera, rozciąga się ponad powierzchnią litosfery i hydrosfery i nie ma ostrej górnej granicy (do wysokości 1000 km). , Stopniowo przenosimy się w przestrzeń kosmiczną. Jest to gazowa powłoka Ziemi, składająca się z azotu (78,08% objętościowych), tlenu (20,95%), argonu (0,93%) i dwutlenku węgla (0,03%). Stan atmosfery ma ogromny wpływ na procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne zachodzące na powierzchni Ziemi i w środowisku wodnym. Dla procesów życiowych szczególnie ważne są: tlen, służy do oddychania i mineralizacji martwej materii organicznej; dwutlenek węgla, wykorzystywane przez rośliny zielone w procesie fotosyntezy; ozon, stworzenie ekranu chroniącego powierzchnię ziemi przed promieniowaniem ultrafioletowym. Atmosfera powstała w wyniku potężnej aktywności wulkanicznej i górotwórczej, tlen pojawił się znacznie później jako produkt fotosyntezy.
Zwykle atmosferę przedstawia się jako zbiór warstw - troposferę, stratosferę i jonosferę.
Troposfera , zawierający około 80% masy całej atmosfery i prawie całą parę wodną, rozciąga się na wysokość około 9 km (na biegunach) - 17 km (na równiku). Jego rola jest szczególnie duża w kształtowaniu środowiska naturalnego Ziemi. W troposferze zachodzą globalne pionowe i poziome ruchy mas powietrza, które w dużej mierze determinują obieg wody, wymianę ciepła, transgraniczny transport cząstek pyłu i zanieczyszczeń. Rozciąga się nad troposferą stratosfera , obszar zimnego, rozrzedzonego powietrza o grubości około 20 km. Pył meteorytowy nieustannie opada przez stratosferę, wyrzucany jest do niej pył wulkaniczny, a w przeszłości produkty wybuchów jądrowych w atmosferze. W dolnej części stratosfera, rozciągający się od górnej granicy troposfery do wysokości około 50 km warstwa ozonowa , który charakteryzuje się podwyższoną zawartością ozonu. Stężenie ozonu na wysokościach warstwy ozonowej 15–26 km jest ponad 100 razy wyższe niż jego stężenie na powierzchni Ziemi. Warstwa ozonowa odbija zagrażające życiu promieniowanie kosmiczne i promieniowanie ultrafioletowe Słońca. Nad stratosferą jest mezosfera I jonosfera (termosfera ) to warstwa rozrzedzonego gazu zjonizowanych cząsteczek i atomów i wreszcie egzosfera (powłoka zewnętrzna).
Procesy atmosferyczne są ściśle powiązane z procesami zachodzącymi w litosferze i powłoce wodnej, których wskaźnikiem są zjawiska atmosferyczne: opady atmosferyczne, chmury, mgła, burza z piorunami, lód, burza piaskowa, szkwał, zamieć, mróz, rosa, szron, lukier, zorza polarna itd.
Prawie wszystkie powierzchniowe (egzogeniczne) procesy geologiczne wynikające z interakcji atmosfery, litosfery i hydrosfery zachodzą z reguły w biosferze.
Biosfera- zewnętrzna powłoka Ziemi, w skład której wchodzą: część atmosfery do wysokości 25-30 km (do warstwy ozonowej), prawie cała hydrosfera i górna część litosfery (do głębokości 3 km ). Osobliwością tych części jest to, że zamieszkują je żywe organizmy, które stanowią żywą substancję planety. Tylko organizmy niższe docierają do skrajnych granic biosfery - bakterie i przedstawiciele królestwa wirusów. Biosfera, będąc ekosystemem globalnym (ekosferą), jak każdy ekosystem, składa się z części abiotycznej (powietrze, woda, skały) i części biotycznej lub biota , który obejmuje ogół organizmów żywych pełniących swoją główną funkcję ekosystemu - Biogenny prąd atomów , dzięki odżywianiu, oddychaniu i rozmnażaniu. Zapewniają w ten sposób wymianę materii pomiędzy wszystkimi częściami biosfery. Niezbędnymi warunkami istnienia biosfery są obecność wody w stanie ciekłym oraz energia promienista Słońca.
Planeta Ziemia składa się z litosfery (ciała stałego), atmosfery (powłoki powietrznej), hydrosfery (powłoki wodnej) i biosfery (sfery rozmieszczenia organizmów żywych). Istnieje ścisły związek pomiędzy tymi sferami Ziemi, ze względu na obieg substancji i energii.
Litosfera. Ziemia jest kulą lub sferoidą, nieco spłaszczoną na biegunach, o obwodzie wokół równika wynoszącym około 40 000 km.
W strukturze globu wyróżnia się następujące muszle, czyli geosfery: samą litosferę (zewnętrzną skorupę kamienną) o grubości około 50 ... 120 km, płaszcz sięgający do głębokości 2900 km oraz rdzeń - od 2900 do 3680 km.
Według najczęstszych pierwiastków chemicznych tworzących skorupę Ziemi, dzieli się ona na górną - sialitową, która rozciąga się do głębokości 60 km i ma gęstość 2,8... o gęstości 3,0...3,5 g /cm 3 . Nazwy powłoki „sialitowe” (sial) i „simatyczne” (sima) pochodzą od oznaczeń pierwiastków Si (krzem), Al (aluminium) i Mg (magnez).
Na głębokości od 1200 do 2900 km znajduje się kula pośrednia o gęstości 4,0...6,0 g/cm 3 . Muszla ta nazywana jest „rudą”, ponieważ zawiera dużą ilość żelaza i innych metali ciężkich.
Głębiej niż 2900 km znajduje się jądro globu o promieniu około 3500 km. Rdzeń składa się głównie z niklu i żelaza i ma dużą gęstość (10...12 g/cm3).
Ze względu na właściwości fizyczne skorupa ziemska jest niejednorodna, dzieli się na typy kontynentalne i oceaniczne. Średnia grubość skorupy kontynentalnej wynosi 35...45 km, maksymalna grubość dochodzi do 75 km (pod pasmami górskimi). W jego górnej części zalegają skały osadowe o miąższości do 15 km. Skały te powstały w ciągu długich okresów geologicznych w wyniku przemieszczania się mórz przez ląd, zmian klimatycznych. Pod skałami osadowymi znajduje się warstwa granitu o średniej miąższości 20...40 km. Grubość tej warstwy jest największa w rejonach młodych gór, maleje w kierunku obrzeży kontynentu, a pod oceanami nie ma warstwy granitu. Pod warstwą granitu znajduje się warstwa bazaltu o grubości 15…35 km, zbudowana z bazaltów i podobnych skał.
Skorupa oceaniczna jest mniej gruba niż skorupa kontynentalna (od 5 do 15 km). Górne warstwy (2...5 km) składają się ze skał osadowych, dolne (5...10 km) - z bazaltu.
Skały osadowe znajdujące się na powierzchni skorupy ziemskiej stanowią materialną podstawę do tworzenia gleb, skały magmowe i metamorficzne odgrywają niewielką rolę w tworzeniu gleb.
Główną masę skał tworzą tlen, krzem i aluminium (84,05%). Jeżeli do tych trzech pierwiastków dodamy jeszcze pięć pierwiastków – żelazo, wapń, sód, potas i magnez, wówczas łącznie będą one stanowić 98,87% górotworu. Pozostałe 88 pierwiastków stanowi nieco ponad 1% masy litosfery. Jednak pomimo niskiej zawartości mikro- i ultramikroelementów w skałach i glebie, wiele z nich ma ogromne znaczenie dla prawidłowego wzrostu i rozwoju wszystkich organizmów. Obecnie wiele uwagi poświęca się zawartości mikroelementów w glebie, zarówno w związku z ich znaczeniem w żywieniu roślin, jak i w związku z problemami ochrony gleb przed zanieczyszczeniami chemicznymi. Skład pierwiastków w glebach zależy głównie od ich składu w skałach. Jednak zawartość niektórych pierwiastków w skałach i powstałych na nich glebach jest nieco zróżnicowana. Związane jest to zarówno ze stężeniem składników pokarmowych, jak i przebiegiem procesu glebotwórczego, podczas którego następuje względny spadek ilości zasad i krzemionki. Zatem gleby zawierają więcej tlenu niż litosfera (odpowiednio 55 i 47%), wodoru (5 i 0,15%), węgla (5 i 0,1%), azotu (0,1 i 0,023%).
Atmosfera. Granica atmosfery przebiega tam, gdzie siła ciężkości Ziemi jest kompensowana przez siłę odśrodkową bezwładności wynikającą z obrotu Ziemi. Nad biegunami znajduje się na wysokości około 28 tys. km, a nad równikiem – 42 tys. km.
Atmosfera składa się z mieszaniny różnych gazów: azotu (78,08%), tlenu (20,95%), argonu (0,93%) i dwutlenku węgla (0,03% obj.). W składzie powietrza znajdują się także niewielkie ilości helu, neonu, ksenonu, kryptonu, wodoru, ozonu itp., które łącznie stanowią około 0,01%. Ponadto powietrze zawiera parę wodną i trochę pyłu.
Atmosfera składa się z pięciu głównych powłok: troposfery, stratosfery, mezosfery, jonosfery i egzosfery.
Troposfera- dolna warstwa atmosfery ma grubość nad biegunami 8 ... 10 km, w umiarkowanych szerokościach geograficznych - 10 ... 12 km, a na szerokościach równikowych - 16 ... 18 km. Około 80% masy atmosfery koncentruje się w troposferze. Tutaj gromadzi się prawie cała para wodna znajdująca się w atmosferze, powstają opady atmosferyczne, a powietrze przemieszcza się poziomo i pionowo.
Stratosfera rozciąga się od 8...16 do 40...45 km. Obejmuje około 20% atmosfery, para wodna jest w niej prawie nieobecna. W stratosferze znajduje się warstwa ozonu, która pochłania promieniowanie ultrafioletowe ze słońca i chroni żywe organizmy na Ziemi przed śmiercią.
Mezosfera rozciąga się na wysokości od 40 do 80 km. Gęstość powietrza w tej warstwie jest 200 razy mniejsza niż na powierzchni Ziemi.
Jonosfera znajduje się na wysokości 80 km i składa się głównie z naładowanych (zjonizowanych) atomów tlenu, naładowanych cząsteczek tlenku azotu i wolnych elektronów.
Egzosfera reprezentuje zewnętrzne warstwy atmosfery i zaczyna się od wysokości 800 ... 1000 km od powierzchni Ziemi. Warstwy te nazywane są również kulą rozpraszającą, ponieważ tutaj cząstki gazu poruszają się z dużą prędkością i mogą uciec w przestrzeń kosmiczną.
Atmosfera Jest to jeden z niezbędnych czynników życia na Ziemi. Promienie słoneczne przechodzące przez atmosferę są rozpraszane, a także częściowo pochłaniane i odbijane. Para wodna i dwutlenek węgla szczególnie silnie absorbują promienie cieplne. Pod wpływem energii słonecznej następuje ruch mas powietrza, powstaje klimat. Opady atmosferyczne spadające z atmosfery są czynnikiem tworzącym glebę i źródłem życia organizmów roślinnych i zwierzęcych. Dwutlenek węgla zawarty w atmosferze w procesie fotosyntezy roślin zielonych zamienia się w materię organiczną, a tlen służy do oddychania organizmów i zachodzących w nich procesów oksydacyjnych. Znaczenie azotu atmosferycznego, wychwytywanego przez mikroorganizmy wiążące azot, służy jako element odżywiania roślin i uczestniczy w tworzeniu substancji białkowych.
Pod wpływem powietrza atmosferycznego zachodzą procesy wietrzenia skał i minerałów oraz procesy glebotwórcze.
Hydrosfera. Większą część powierzchni globu zajmuje Ocean Światowy, który wraz z jeziorami, rzekami i innymi zbiornikami wodnymi znajdującymi się na powierzchni Ziemi zajmuje 5/8 jego powierzchni. Wszystkie wody Ziemi, znajdujące się w oceanach, morzach, rzekach, jeziorach, bagnach, a także wodach gruntowych, tworzą hydrosferę. Z 510 milionów km 2 powierzchni Ziemi 361 milionów km 2 (71%) przypada na Ocean Światowy, a tylko 149 milionów km 2 (29%) znajduje się na lądzie.
Wody powierzchniowe lądu wraz z wodami lodowcowymi stanowią około 25 milionów km 3, czyli 55 razy mniej niż objętość Oceanu Światowego. W jeziorach gromadzi się około 280 tys. km 3 wody, z czego około połowa to jeziora świeże, a druga połowa to jeziora o wodach o różnym stopniu zasolenia. Rzeki zawierają jedynie 1,2 tys. km 3, czyli niecałe 0,0001% całkowitego zaopatrzenia w wodę.
Wody zbiorników otwartych znajdują się w ciągłym obiegu, co łączy wszystkie części hydrosfery z litosferą, atmosferą i biosferą.
Wilgoć atmosferyczna bierze czynny udział w wymianie wody, przy objętości 14 tys. km 3 tworzy 525 tys. km 3 opadów atmosferycznych opadających na Ziemię, a zmiana całej objętości wilgoci atmosferycznej następuje co 10 dni, czyli 36 razy w ciągu rok.
Parowanie wody i kondensacja wilgoci atmosferycznej zapewniają świeżą wodę na Ziemi. Co roku z powierzchni oceanów odparowuje około 453 tys. km 3 wody.
Bez wody nasza planeta byłaby nagą kamienną kulą, pozbawioną gleby i roślinności. Przez miliony lat woda niszczyła skały, zamieniając je w śmieci, a wraz z pojawieniem się roślinności i zwierząt przyczyniła się do procesu powstawania gleby.
Biosfera. Skład biosfery obejmuje powierzchnię lądu, dolne warstwy atmosfery i całą hydrosferę, w której powszechnie występują organizmy żywe. Zgodnie z naukami V. I. Wernadskiego przez biosferę rozumie się skorupę Ziemi, której skład, struktura i energia są określone przez aktywność organizmów żywych. V. I. Vernadsky zauważył, że „na powierzchni ziemi nie ma siły chemicznej działającej tak stale, a więc potężniejszej niż żywe organizmy wzięte jako całość”. Życie w biosferze rozwija się w postaci wyjątkowej różnorodności organizmów zamieszkujących glebę, dolne warstwy atmosfery i hydrosferę. Dzięki fotosyntezie roślin zielonych energia słoneczna gromadzi się w biosferze w postaci związków organicznych. Cały zespół organizmów żywych zapewnia migrację pierwiastków chemicznych w glebie, atmosferze i hydrosferze. Pod działaniem organizmów żywych w glebie zachodzą reakcje wymiany gazowej, utleniania i redukcji. Pochodzenie atmosfery jako całości wiąże się z funkcją wymiany gazowej organizmów. W procesie fotosyntezy w atmosferze doszło do powstania i gromadzenia się wolnego tlenu.
Pod wpływem działalności organizmów następuje wietrzenie skał i rozwój procesów glebotwórczych. Bakterie glebowe biorą udział w procesach odsiarczania i denitryfikacji z powstawaniem siarkowodoru, związków siarki, tlenku N(II), metanu i wodoru. Budowa tkanek roślinnych następuje w wyniku selektywnego wchłaniania przez rośliny pierwiastków biogennych. Po obumarciu roślin pierwiastki te gromadzą się w górnych poziomach gleby.
W biosferze zachodzą dwa przeciwne w swoim kierunku cykle substancji i energii.
Pod wpływem energii słonecznej zachodzi duży cykl, czyli geologiczny. Obieg wody obejmuje pierwiastki chemiczne lądu, które przedostają się do rzek, mórz i oceanów, gdzie są osadzane wraz ze skałami osadowymi. Jest to bezpowrotna utrata z gleby najważniejszych składników pokarmowych roślin (azot, fosfor, potas, wapń, magnez, siarka), a także pierwiastków śladowych.
W układzie gleba – rośliny – gleba zachodzi mały, czyli biologiczny cykl, natomiast składniki odżywcze roślin są usuwane z cyklu geologicznego i magazynowane w próchnicy. W cyklu biologicznym zachodzą cykle związane z tlenem, węglem, azotem, fosforem i wodorem, które w sposób ciągły krążą w roślinach i środowisku. Część z nich jest wycofywana z cyklu biologicznego i pod wpływem procesów geochemicznych przedostaje się do skał osadowych lub przedostaje się do oceanu. Zadaniem rolnictwa jest tworzenie takich systemów agrotechnicznych, w których pierwiastki biogenne nie wchodziłyby do cyklu geologicznego, lecz zostałyby utrwalone w cyklu biologicznym, utrzymując żyzność gleby.
Biosferę tworzą biocenozy, które stanowią jednorodne terytorium, na którym występuje ten sam typ zbiorowisk roślinnych wraz z zamieszkującym je światem zwierzęcym, w tym mikroorganizmami. Biogeocenozę charakteryzują charakterystyczne gleby, reżim wodny, mikroklimat i topografia. Naturalna biogeocenoza jest stosunkowo stabilna, charakteryzuje się zdolnością do samoregulacji. Gatunki objęte biogeocenozą dostosowują się do siebie i środowiska. Jest to złożony, stosunkowo stabilny mechanizm, który jest w stanie przeciwstawić się zmianom w środowisku poprzez samoregulację. Jeżeli zmiany w biogeocenozach przekroczą ich zdolność samoregulacji, wówczas może nastąpić nieodwracalna degradacja tego układu ekologicznego.
Grunty rolne to sztucznie zorganizowane biogeocenozy (agrobiocenozy). Efektywne i racjonalne wykorzystanie agbiocenoz, ich trwałość i produktywność zależą od właściwej organizacji terytorium, systemu rolnictwa i innych działań społeczno-gospodarczych. Aby zapewnić optymalne oddziaływanie na gleby i rośliny, należy poznać wszystkie zależności zachodzące w biogeocenozie i nie zakłócać wytworzonej w niej równowagi ekologicznej.