§ 10.1. Основные свойства географической оболочки

Географическая оболочка и ее особенности

Изучение взаимодействия природы и общества - одна из актуальных проблем современного естествознания. Анализ ее целесообразно начать с рассмотрения географической оболочки, где протекают очень сложные процессы, происходит взаимодействие потоков вещества и энергии.

Географическая оболочка Земли, включающая земную кору (литосферу), нижние слои атмосферы, гидросферу и всю биосферу, - целостная саморазвивающаяся сложная система, находящаяся в относительно подвижном равновесии. Все составные части географической оболочки и происходящие в ней процессы тесно связаны и взаимообусловлены. Более того, отдельные ее компоненты испытывают на себе влияние всех остальных компонентов. Это зачастую полностью изменяет первоначальные свойства всей взаимодействующей системы.

Обычно среднюю мощность географической оболочки оценивают в 50-60 км. Верхняя ее граница расположена в атмосфере - в тропопаузе, т.е. переходном слое от тропосферы к стратосфере (см. рис. 8.3), на высоте 8-10 км в приполярных широтах, 10-12 км в умеренных, 15-16 км в тропических и 17 км над экватором. Нижняя граница географической оболочки находится в пределах земной коры. Единого мнения о ее положении нет. Одни исследователи считают, что ее следует проводить в районе той части земной коры, где скорость распространения продольных и поперечных упругих волн скачкообразно меняется (граница Мохо). Другие ученые относят ее к расположенным выше частям земной коры - к области, в которой происходят химические и физические преобразования минеральных веществ под действием атмосферы, гидросферы и живых организмов (к так называемой зоне гипергенеза). Эти процессы распространяются на глубину от нескольких десятков до нескольких сот метров.

Географическая оболочка «вложена» в более широкое образование - в географическое пространство, оказывающее на нее непосредственное воздействие [24]. Снаружи географическое пространство асимметрично охватывает Землю - оно вытянуто в направлении, обратном Солнцу (рис. 10.1). Внешний предел географического пространства представляет собой границу магнитного поля Земли - магнитосферы, которая защищает географическую оболочку от действия солнечного ветра - потока заряженной плазмы (ионизированного газа) и частиц космического (внесолнечного) происхождения. Эти частицы направляются магнитными линиями магнитосферы к геомагнитным полюсам Земли и, частично проникая в географическую оболочку, оказывают существенное влияние на развитие живых организмов. Ультрафиолетовая радиация перехватывается озоновым слоем, который служит внутренней защитой географической оболочки, ее живых организмов. Длинноволновая радиация (лучи света), свободно проникая в географическую оболочку, обеспечивает протекание фотосинтеза и, следовательно, снабжение атмосферы и океана кислородом.

Географическая оболочка опирается на географическое пространство и со стороны нижней границы (т.е. ниже границы Мохо также располагается географическое пространство). Его влияние проявляется в том, что энергия земных недр создала (и создает) неровности земной поверхности, включая материки и океанические впадины, литосферу, входящую своей внешней частью в географическую оболочку. В то же время из земных недр в географическую оболочку поступают хлоридные рассолы, определяющие химизм океана, и т.д.

С понятием «географическая оболочка» тесно связано представление о биосфере - одной из оболочек Земли, возникшей в ходе эволюции планеты и характеризующейся наличием жизни. Первоначально термин использовался для обозначения одной из геосфер, входящих в состав географической оболочки, наряду с атмосферой, литосферой, гидросферой, но отличающихся от них насыщенностью живыми организмами и продуктами их жизнедеятельности. Благодаря работам В.И. Вернадского, раскрывшего огромную роль живых организмов в создании газового состава атмосферы, формировании осадочных горных пород, вод Земли и т.д., под биосферой стали понимать всю ту наружную область планеты Земля, в которой не только существует жизнь, но которая в той или иной мере видоизменена или сформирована жизнью [6, 7]. Возникновение биосферы - важный этап развития географической оболочки, предшествующий формированию ноосферы (сферы разума).

В результате активного круговорота вещества и энергии на поверхности суши, в месте непосредственного контакта слоя жизни и литосферы, являющемся фокусом взаимодействия живого и косного вещества, формируется своеобразное биокосное образование - почва, участвующая в биологическом круговороте элементов системы литосфера - растительность. Основатель генетического почвоведения В.В. Докучаев образно называл почву зеркалом ландшафта. Действительно, почва является достаточно чутким индикатором процессов, происходящих в географической оболочке. Корневая система растений поглощает из почвы воду и элементы минерального питания. Обмену элементами между почвой и растительностью способствуют обитающие вокруг корней микроорганизмы. На поверхность почвы падает отмершее органическое вещество наземной части растений. Часть его, а также останки и экскременты животных полностью минерализуются до простых веществ главным образом микроорганизмами, которые можно назвать «чистильщиками» почвы и биосферы от мертвых остатков организмов. В результате поверхностный горизонт почвы обогащается рядом биогенных элементов, заимствованных растительностью из более глубоких слоев почвы и атмосферы и необходимых для минерального питания следующих поколений организмов. Другая часть мертвого органического вещества минерализуется не полностью - из нее синтезируется сложное высокомолекулярное коллоидное органическое вещество бурого или черного цвета — гумус (перегной). Гумус обладает высокой устойчивостью против разложения и минерализации, поэтому он постепенно накапливается, что приводит к образованию на поверхности почвы темного гумусового горизонта (он присутствует в каждой почве, а в гидросфере -в донном иле водоемов). При своей большой устойчивости гумус все же подвергается медленному разложению. Поэтому он служит постоянным источником легкодоступных для организмов веществ и энергии и играет исключительную роль в создании почвенного плодородия. Гумус является резервом и стабилизатором органической жизни биосферы.

Процессы биогенной аккумуляции в почве совмещаются с процессами, характерными для коры выветривания, в результате чего первоначально однородная толща почвообразующей породы расчленяется на горизонты. Образуется почвенный профиль - характерный признак почвы, выделенный впервые основоположником почвоведения В.В. Докучаевым. Протекающие в почве процессы определяют в существенной степени превращения, происходящие в подпочвенных горизонтах коры выветривания. В почвах готовится основной материал, образующий в дальнейшем континентальные и морские отложения, из которых формируются новые горные породы. Более того, за счет выноса из почвы и в целом из коры выветривания легкоподвижных в водной среде элементов образовалась значительная часть солей гидросферы.

Энергетические источники существования географической оболочки

Своим существованием географическая оболочка обязана различным видам энергии [3, 24, 27, 28]:

◊ основные первичные виды энергии - лучистая энергия Солнца и внутренняя теплота Земли;

◊ вторичные виды энергии, являющиеся результатом трансформации первичных, - химическая энергия, проявляющаяся преимущественно в виде окислительно-восстановительных процессов, и биогенная, источником которой является фотосинтез у растений, хемосинтез у некоторых бактерий, энергия окисления при усвоении пищи животными, процессы размножения и прироста биомассы;

◊ техногенная энергия, т.е. энергия, создаваемая человеческим обществом в процессе производства, которая сопоставима по величине с природными факторами.

Солнечная радиация — основной двигатель всех природных процессов в географической оболочке. Именно благодаря ей текут реки, дуют ветры, зеленеют поля... Солнечная радиация дает 99,8% всей теплоты, попадающей на поверхность Земли. Всего 28% общего потока солнечной радиации, поступающей на верхнюю границу атмосферы, определяет тепловой режим земной поверхности. В среднем для всей поверхности Земли этот приток солнечной теплоты составляет 72 ккал/см² в год. Он расходуется на таяние льдов и испарение воды, на фотосинтез, а также на теплообмен между земной поверхностью, атмосферой и водами и между поверхностью и лежащими под ней слоями почвогрунтов. Заметим, что поскольку над сушей меньше облачность, следовательно, меньшее количество радиации отражается облаками в мировое пространство и суша получает солнечной радиации больше, чем такая же площадь океана. Но у суши и большая отражательная способность (альбедо): получая солнечной теплоты больше, чем океан, суша его больше и отдает. В итоге радиационный баланс поверхности океана составляет 82 ккал/см² в год, а суши - только 49 ккал/см² в год.

Приблизительно 1/3 общего количества солнечной энергии, поступающей на верхнюю границу атмосферы, отражается в мировое пространство, 13% поглощается озоновым слоем стратосферы, 7% - остальной атмосферой. Следовательно, только половина солнечной энергии достигает земной поверхности. Но из этой половины 7% отражается обратно в мировое пространство, а еще 15%, поглощаясь земной поверхностью, трансформируется в теплоту, которая излучается в тропосферу и в значительной мере определяет температуру воздуха.

Из общего количества солнечной энергии, поступающей на земную поверхность, растительность суши и моря использует для фотосинтеза в среднем около 1% (в оптимальных условиях увлажнения - до 5%), хотя фотосинтетически активная радиация (которую можно использовать для фотосинтеза) составляет примерно 50% суммарной радиации, поступающей на поверхность Земли. Из всего этого следует, что нахождение путей повышения интенсивности фотосинтеза за счет увеличения количества используемой солнечной энергии может привести к решению продовольственной проблемы, стоящей перед человечеством.

Географическая оболочка способна аккумулировать лучистую энергию Солнца, переводя ее в иные формы. Для нее характерно наличие так называемой геологической памяти -слоев осадочных пород, обладающих огромным энергетическим потенциалом, что создает предпосылки для дальнейшей прогрессивной эволюции всех частных геооболочек. Солнечная радиация оказывает значительное влияние на развитие литосферы, так как осадочные породы несут следы деятельности организмов - аккумуляторов солнечной энергии, а кристаллические породы, оказавшиеся в результате действия внутренних сил Земли на ее поверхности, включаются в круговорот веществ прежде всего под влиянием солнечной радиации.

Внутренняя теплота Земли играет важную роль в жизни географической оболочки, хотя ее поступает примерно в 5 тыс. раз меньше, чем солнечной теплоты. Источниками внутренней теплоты выступают:

О распад радиоактивных элементов (радия, урана, тория и др.). Их относительное содержание в земной коре невелико, но абсолютное количество измеряется сотнями миллионов тонн. Атомы радиоактивных элементов самопроизвольно распадаются, выделяя при этом теплоту. Она накапливалась с момента возникновения Земли и во многом определяла ее разогрев. Так, 1 г радия дает в течение часа 140 кал, а при полураспаде, который продолжается примерно 20 тыс. лет, выделяет столько же теплоты, сколько при сжигании 500 кг каменного угля. Общая величина тепловой энергии радиоактивного распада оценивается в 43 10¹⁶ ккал/год;

◊ гравитационная дифференциация с перераспределением материала по плотности (уплотнение) в мантии и ядре, сопровождающаяся выделением теплоты. Частицы, которые были неплотно «упакованы» при образовании нашей планеты, перемещаясь к ее центру, преобразовывают потенциальную энергию в кинетическую и тепловую.

В пределах географической оболочки действие гравитации усиливается, так как вещество здесь существует в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном). Поэтому тектонические процессы перемещения земной коры наиболее ярко проявляются на границе разных сфер — литосферы и атмосферы, литосферы и гидросферы. Если в литосфере давление возрастает равномерно в среднем на 275 атм на 1 см² на 1 км глубины, то в океане оно возрастает втрое медленнее, а давление воздуха в атмосфере по сравнению с литосферой и гидросферой ничтожно. Силы глубинной энергии вызывают горизонтальные перемещения литосферных плит, поднятия и опускания материков, отступание и наступание морей. Внутренняя жизнь Земли проявляется в виде землетрясений и извержений вулканов, а также гейзеров (источников, периодически выбрасывающих фонтаны горячей воды и пара).

Наиболее интенсивен обмен вещества и энергии в ландшафтообразующем слое географической оболочки. Мощность этого слоя оценивается величиной от 30—50 м в полярных пустынях до 150-200 м в зоне влажнотропических лесов (гилей); в океане он включает всю толщу гидросферы. Ландшафтообразующий слой характеризуется наиболее тесным прямым контактом всех компонентов географической оболочки под влиянием энергии Солнца, внутренних сил Земли (в том числе и силы тяжести) и деятельности человека.

Структура географической оболочки

Одной из важных особенностей географической оболочки является ее географическая зональность. Представления о ней появились еще в античной Греции. Концепция географической зональности была обоснована В.В. Докучаевым в 1899 г.

Неравномерное распределение солнечной радиации по поверхности Земли приводит к возникновению климатических поясов, для каждого из которых характерны определенные природные процессы. На их основе выделяют географические пояса.

Обычно говорят о 13 географических поясах: один экваториальный, два субэкваториальных (в Северном и Южном полушариях), два тропических, два субтропических, два умеренных, два субполярных (субарктический и субантарктический) и два полярных (арктический и антарктический). Даже сам перечень названий свидетельствует о симметричном расположении поясов по отношению к экватору. В каждом из них преобладают определенные воздушные массы. Для экваториального, тропического, умеренного, арктического поясов характерны собственные воздушные массы, а в остальных поясах попеременно господствуют воздушные массы соседних географических поясов. В летней половине года в Северном полушарии господствуют воздушные массы из более южного пояса (а в Южном, наоборот, из более северного), в зимней половине года - из более северного пояса (а в Южном полушарии — из более южного).

Широтные географические пояса суши неоднородны, что определяется прежде всего тем, в каком районе - приокеаническом или континентальном - они находятся. Приокеанические районы лучше увлажняются, а континентальные, внутренние, напротив, более сухие, так как здесь влияние океанов почти не ощущается. На этом основании пояса делятся на приокеанические и континентальные секторы.

Наиболее наглядно секторность выражена в умеренных и субтропических поясах Евразии - континенте максимальных размеров. Здесь влажные лесные ландшафты приокеанических окраин по мере движения в глубь материка сменяются сухими степными, а затем полупустынными и пустынными ландшафтами континентального сектора. Менее четко секторность проявляется в тропическом, субэкваториальном и экваториальном поясах. В тропиках выделяются всего два сектора. Пассаты (устойчивые на протяжении года воздушные течения над океанами) приносят осадки только на восточные окраины поясов, где распространены влажные тропические леса. Во внутренних и западных районах сухой, жаркий климат; на западных побережьях пустыни выходят к самому океану. По два сектора выделяют также в экваториальном и субэкваториальном поясах. В субэкваториальном - это постоянно влажный (восточный) с лесными ландшафтами и сезонно влажный (включает всю остальную часть), занятый редколесьями и саваннами. В экваториальном поясе большая часть территории относится к постоянно влажному сектору с влажными «дождевыми» лесами и лишь восточная периферия — к сезонно влажному, где распространены преимущественно листопадные леса. Самая резкая «секторная граница» проходит там, где на пути воздушных масс встают горные барьеры (например, Кордильеры в Северной Америке и Анды в Южной). Здесь западные приокеанические секторы ограничены узкой прибрежной полосой равнин и прилегающих горных склонов.

Секторы подразделяются на более мелкие единицы - природные зоны, различающиеся по соотношению тепла и влаги, так как одинаковое количество осадков, например менее 150-200 мм в год, в тундрах может привести к развитию болот, а в тропиках - к формированию пустынь.

Если в основе деления материков на пояса лежат прежде всего различия радиационных условий на земной поверхности, то в основе деления на зоны - различия радиационного баланса и годовых сумм осадков, т.е. увлажнение земной поверхности. Соотношение теплоты и влаги выражается формулой радиационного индекса сухости [11, 24, 28]:

I_R = R /(Lr\

где R - годовой радиационный баланс поверхности, т.е. приход — расход лучистой энергии солнечной радиации, ккал/см²; L - годовая скрытая теплота испарения, ккал/см ; г - годовая сумма осадков, г/см². Радиационный баланс R поверхности суши уменьшается от экватора к полюсам: на экваторе он составляет около 100 ккал/см² в год, в районе Санкт-Петербурга - 24 ккал/см² в год (рис. 10.2). Индекс сухости недостаточно полно характеризует географические зоны. Одно и то же его значение, как видно из рисунка, типично для разных природных зон: и для тайги, и для широколиственных лесов умеренного пояса, и для экваториальных лесов. Поэтому ученые пытаются найти более универсальные характеристики географической зональности.

При движении от полюсов к экватору на материках, в особенности в Северном полушарии, некоторые общие свойства природы периодически повторяются: за безлесной тундрой следуют к югу лесные зоны умеренного пояса, за ними - степи и пустыни умеренного, субтропического, тропического поясов, далее — леса экваториального пояса. Эта закономерность была отражена в периодическом законе зональности, согласно которому основу дифференциации географической оболочки составляют:

◊ количество поглощаемой солнечной энергии, возрастающее от полюсов к экватору и характеризуемое годовыми величинами радиационного баланса земной поверхности;

◊ количество поступающей влаги, характеризующееся годовыми суммами осадков;

◊ соотношение теплоты и влаги, точнее, отношение радиационного баланса к количеству теплоты, необходимому для испарения годовой суммы осадков, - радиационный индекс сухости.

Закон периодичности проявляется в том, что величины индекса сухости меняются в разных зонах от 0 до 4—5, трижды между полюсами и экватором они близки к единице - этим значениям соответствует наибольшая биологическая продуктивность ландшафтов (рис. 10.3).

Ландшафты - более мелкие единицы по сравнению с природными зонами, служат основными ячейками географической оболочки. По микроклимату, микрорельефу, почвенным подтипам ландшафты подразделяются на урочища и далее на фации, которые отличаются от окружающих. Это может быть конкретный овраг или холм и их склоны, лес, поле и т.д.

Расположение географических поясов и зон на земной суше можно уяснить, обратившись к гипотетическому однородному равнинному материку площадью, равной площади суши [28, 33]. Очертание этого материка в Северном полушарии — нечто среднее между Северной Америкой и Евразией, а в Южном - нечто среднее между Южной Америкой, Африкой и Австралией (рис. 10.4). Нанесенные на этом гипотетическом материке границы географических поясов и зон отражают генерализованные (средние) контуры их на равнинах реальных материков. Названия природных зон даны по растительности, так как в одних и тех же природных зонах на разных материках растительный покров имеет сходные черты. Однако на распределение растительности оказывает влияние не только зональный климат, но и другие факторы - эволюция материков, особенности пород, слагающих поверхностные горизонты, и, конечно, деятельность человека. Заметим, что структура поясов и набор природных зон усложняются от арктических районов к экватору. В этом направлении на фоне увеличивающегося количества солнечной радиации в условиях увлажнения возрастают региональные различия. Этим объясняется более разнообразный характер ландшафтов в тропических широтах. В полярных районах при постоянном переувлажнении, но недостаточном количестве теплоты этого не наблюдается.

На ландшафтную структуру географической оболочки помимо климатических факторов влияют различия в строении земной поверхности. Например, в горах отчетливо проявляется высотная (или вертикальная) зональность, где ландшафты изменяются от подножий к вершинам. Существование широтной (горизонтальной) и высотной зональности позволяет говорить о трехмерности географических поясов. Растительность и животный мир горных ландшафтов развивались одновременно с подъемом самих гор, т.е. горные виды растений и животных, как правило, возникали на равнинах. В целом в горах видовое разнообразие растений и животных выше в 2-5 раз, чем на равнинах. Нередко горные виды обогащают растительность равнин. Тип вертикальной зональности (набор высотных зон) зависит от того, в каком географическом поясе, в какой природной зоне расположены горы, и смена зон в горах не повторяет их смену на равнинах, там формируются специфические горные ландшафты, причем возраст горных ландшафтов уменьшается с высотой.

◊ полярная асимметрия. Она выражается, в частности, в том, что Северное полушарие более материковое, чем Южное (39 и 19% площади суши). Кроме того, различаются географическая зональность высоких широт Северного и Южного полушарий и распространение организмов. Например, в Южном полушарии нет именно тех географических зон, которые занимают самые большие пространства на материках в Северном полушарии; на пространствах суши и океана в Северном и Южном полушариях обитают разные группы животных и птиц: для высоких широт Северного полушария характерен белый медведь, а для высоких широт Южного полушария - пингвин. Перечислим еще ряд признаков полярной асимметрии [28, 33]: все зоны (горизонтальные и высотные) сдвинуты к северу в среднем на 10°. Например, пустынный пояс расположен в Южном полушарии ближе к экватору (22° ю.ш.), чем в Северном полушарии (37° с.ш.); антициклональный пояс высокого давления в Южном полушарии расположен на 10° ближе к экватору, чем в Северном полушарии (25 и 35°); большая часть теплых океанических вод направляется из экваториальных широт в Северное, а не в Южное полушарие, поэтому в средних и высоких широтах климат Северного полушария теплее, чем Южного;

◊ асимметрия материков и океанов. Земная поверхность поделена между материками и океанами в отношении 1:2,43. При этом у них есть много общего. И на суше, и в океане господствуют все три типа вещества, названные В.И. Вернадским косным, биокосным и живым. Так, косное вещество океана -это океаническая вода с растворенными в ней солями и механическими взвесями, и некоторые из них служат основой питания растительных организмов, как почвы материков. И в океанической, и в материковой частях географической оболочки живое вещество сосредоточено главным образом в приповерхностном слое. Различия биомасс и их продуктивности на суше и в океане очень значительны. На континентах преобладают растения, а в океане - животные. Биомасса океана составляет всего 0,13% суммарной биомассы живых организмов планеты. Живое вещество планеты в основном сосредоточено в зеленых растениях суши; организмов, не способных к фотосинтезу, менее 1%. По количеству видов сухопутные животные составляют 93% общего количества видов. То же соотношение характерно для растений - 92% сухопутных и 8% водных. По числу видов растения составляют около 21%, животных - примерно 79%, хотя по биомассе доля животных - 1% всей биомассы Земли. В общем случае Л.А. Зенкевич различал три плоскости симметрии - асимметрии океана и суши и соответственно три типа симметрии: экваториальную плоскость; меридиональную плоскость, проходящую через материки и выражающую сходство целых океанов; меридиональную плоскость, разделяющую каждый океан на восточную и западную части. Те же плоскости симметрии можно выделить и для материков: экваториальную плоскость, которая подчеркивает их полярную асимметрию; плоскости вдоль меридиональных осей океанов, которые отмечают индивидуальные особенности материков; плоскости по меридиональным осям материков (Евразии, Африки и т.д.), которые подчеркивают, например, различия муссонных - восточных и западных - секторов материков.