Физическая география
Таким образом, биосферой называется оболочка Земли, в границах которой по ходу всей геологической истории живые существа оказывали и оказывают в наше время воздействие на неживые элементы природной среды. Т. е. биосферу следует изучать исключительно в рамках тех пределов, где непосредственно органическая материя напрямую контактирует и контактировала с литосферой, гидросферой и атмосферой. В данном аспекте устанавливаются отличительные качества биосферы относительно географической оболочки, в которую, по мнению многих ученых, входит не только пространство подвижного взаимодействия органики с неорганикой, но и области, в границах которых все геосферы оказывают и оказывали воздействие друг на друга. Строение эпигеосферы характеризуется всеми чертами разностороннего взаимоотношения земных оболочек.
Полноценное определение биосферы показывает еще и то, что в ее составе содержится не только лишь кора выветривания (область литосферы, в сегодняшнее время подвергающаяся воздействию живых существ), но и в целом вся стратисфера (осадочная оболочка), сформировавшаяся при деятельном участии биоматерии. Нижние (древние) слои осадочной оболочки на данный момент не испытывают на себе преобразования со стороны биогенного материала, но в данных пластах отображена история соучастия органики в процессах литогенеза. Месторождения нефти, природного газа, залежи каменного угля – весомое тому свидетельство. Все эти типы естественного топлива обладают биогенной сутью.
Кроме всей стратисферы, в изучаемую нами оболочку включается вся гидросфера и тропосфера, выше которой деятельные биогенные элементы (т. е. живые организмы, воздействующие на процессы, протекающие в атмосфере) не могут жить. В атмосфере пределы биосферы устанавливают на высоте до 15 километров – от поверхности суши и океаносферы.
Гидросфера целиком включается в состав биосферы: даже в глубоководных желобах обнаруживаются активные формы жизни.
Устанавливая рубеж биосферы по подножию осадочного слоя, мы неминуемо приходим к такому определению, как статическая биосфера. От этого понятия нужно отличать динамическую биосферу. Различие между ними состоит вот в чем. В статическую биосферу входят те осадочные толщи, которые сегодня уже не подвергаются преобразованию со стороны живых организмов (глубина стратисферы: от 0 км на щитах – до 25 км). Динамическая биосфера охватывает пространство современной жизнедеятельности организмов и поэтому не распространяется дальше нижнего предела коры выветривания – т. е. ниже 200 м. В структуру коры выветривания иногда включается и почвенный слой.
Имеется еще такое понятие, как парабиосфера. Данный термин определяет биосферу как область распространения не только деятельной (преобразовательной) жизни, но и перспективно активной (на сегодняшний момент инертной), которая при благоприятных обстоятельствах способна быстро включиться в активную работу. К примеру, в приполюсных частях Земли, в пустынях тропического климата, а также в верхних слоях климатосферы перспективно деятельные органические формы существуют в неактивном статусе, т. е. в состоянии покоя (ожидания).
Непосредственно понятие «биосфера» обнаруживает себя как тройственная структура. Тройственность данной оболочки дает нам возможность поделить ее на три структурных категории:
1. Зоогеосфера (область развития животного мира). 2. Фитогеосфера (область развития растительных форм жизни). 3. Микробогеосфера (зона существования микроорганизмов).
Зоогеосфера в атмосфере распространяется до точек наибольшей высоты полета птиц; в Мировом океане – до точек максимальной глубины обитания рыб; в осадочные толщи животные не имеют возможности проникать глубоко (максимум – несколько метров).
Фитогеосфера распространяется на слой воздуха, доходящий до высоты верхушек крон наиболее рослых деревьев планеты; соответственно в осадочном слое нижний предел фитогеосферы ограничивается максимальной глубиной проникновения в грунт древесных корней; в Мировом океане водные растения способны развиваться на различной глубине – вплоть до 11 км.
Бактерии (микроорганизмы) в воздушной среде могут существовать до той высоты, где наблюдается максимальная концентрация озона – 20—25 километров; в осадочной оболочке – до глубины 5 км; в океаносфере такие организмы обнаруживаются везде и на любых уровнях.
По сути, определение «микробогеосфера» показывает, что биосферу возможно изучать как оболочку, в границах которой могут жить всякие живые организмы – и деятельные, и потенциально деятельные, и неактивные. Всё это свидетельствует о существовании такого понятия, как большая биосфера.
Как мы убеждаемся, пределы биосферы установить довольно сложно. Но в любом варианте последнее представление об этой оболочке (большая биосфера) в аспекте физической географии является наиболее неприемлемым.
Так или иначе, именно рамками биосферы очерчены границы эпигеосферы. Хотя рождает много точек зрения нижний предел географической оболочки, проводимый некоторыми учеными по подножию астеносферы.
Состав биосферы. Биосфера по определению составлена биогенными компонентами природы, которые мы можем поделить на следующие группы: 1 – животные, 2 – растения, 3 – грибы, 4 – микроорганизмы.
Животные формы биоматерии по разнообразию видов превалируют над растительными формами (1,5 млн. видов против 0,5 млн.), но совокупная животная биомасса уступает растительной. Грибы в отдельных случаях не вычленяют в автономную группу, а изучают их вкупе с растительными элементами. Однако подобный подход не является в достаточной степени правильным.
Все концентрические оболочки Земли, проанализированные нами ранее, включаются в состав эпигеосферы. В этом заключается ее коренная схожесть с биосферой. Но узловое различие между данными сферами, как уже было отмечено, содержится в том, что биосфера – это именно часть географической оболочки, ее деятельная биогенная ступень, органическая фаза эволюции.
Почвенный слой Земли
Общие особенности почвенно-растительного покрова материков. Почвой называется самый верхний слой земной коры, образующий дневную поверхность. В научных трудах некоторых исследователей почва так и рассматривается – в качестве непосредственно геологической формации, пусть даже и несколько нестандартной.
Нужно отметить, что и в наши дни фиксируется тенденция присоединения отрасли, которая изучает почвенный покров, к геологии – с целью ликвидации якобы научной «бесприютности» почвоведения. Однако особенность данной формации до такой степени тонка и уникальна, что мы не можем причислить ее даже к осадочным пластам. По-существу, любая научная система из цикла наук о Земле – будь то метеорология или же гидрология, а также вулканология – имеет право изучать почвенный покров со своих точек зрения, так как горизонты почвы воспроизводят и запечатлевают все процессы, протекающие в природной среде.
Появление почвы и в целом почвенно-растительного покрова – неповторимое событие для Вселенной. До сегодняшнего дня астрономы доподлинно не нашли ни одной такой планеты, минеральная база которой была бы с внешней стороны защищена подобным природным покрывалом.
Гидрометеорологическое и геологическое состояние Земли в такой мере благополучно, что почвенно-растительный покров должен по идее выстилать всю поверхность Земли. Однако такого факта мы не наблюдаем. Почвы нет там, где климатический режим проявляет себя как губительный фактор по отношению ко всему живому – т. е. в пустынных регионах планеты. В таких местах минеральная основа оголена и потому вступает в прямой контакт с тропосферой и солнечной энергией. По этой причине земля в пустынях в большей степени уязвима, нежели породы, которые защищены почвенно-растительным покровом. Такое обстоятельство делает акцент на еще одной функции почвенно-растительных систем – защитной. Поскольку грунт, несмотря на свою кажущуюся «незыблемость», достаточно бессилен перед стихиями Земли, которые обнаруживают себя в процессах формирования ландшафтов не только в качестве конструктивных агентов, но и стремительных деструктивных факторов.
Существует, конечно, тип пустынь, где защитное предназначение почвенно-растительного слоя принимают на себя ледниковые и снежные массы – холодные и ультрахолодные ледяные пустыни на севере и крайнем юге планеты, а также высокогорные местности. Т. е. такие ландшафты находятся на островах Арктики, в Антарктиде и на высокоприподнятых частях эпиплатформенных и эпигеосинклинальных горных стран. В какой-то степени подобные панцири предохраняют минеральную базу от любых видов эрозии грунта (денудации). Но, надо сказать, что от явления ледникового выпахивания такие ландшафты, само собой разумеется, не избавлены.
Однако выходы непосредственно горных пород на дневную поверхность возможно обнаружить не только лишь в пустынных регионах. Почвенно-растительного покрова может не быть на отвесных (обрывистых) горных склонах и на береговых уступах у рек, озёр, морей и океанов. В таких местах осыпные процессы проходят так динамично, что почва с растениями просто не успевают сформироваться. Часто встречаются и искусственные оголения грунта, появляющиеся в карьерах и в местах заброшенных котлованов. Но все эти антропогенные точки в любом случае зарастают со временем, или же наполняются грунтовой и атмосферной водой (так образуются пруды). Природная среда постоянно стремится к тому, чтобы по максимуму снизить причиненный ей урон в результате антропогенного давления.
На всех прочих территориях Земли почвенно-растительные процессы проходят в полноценном варианте. И здесь появляется проблема: а можно ли причислять к почве слои иловых отложений на дне океаносферы?.. Эти формации тоже ведь насыщены жизнью, воздухом, органикой различного рода…
Донные илы – океаническая версия, аналог сухопутной почвы, по причине их механической тождественности наземному слою. Почва, таким образом, кардинально видоизменяясь, продолжается и под морской водой. Однако между наземной почвой и ее донной вариацией имеется принципиальное различие. Донные илистые структуры – по существу, первичная стадия образования осадочных пластов. Почва же с точки зрения сохранения жизни животных и растений – конечный этап развития осадочных формаций, или конечный цикл, к которому «стремится» минеральная порода. «Почва» на дне океаносферы – это, по сути, начальная почва, или прапочва, которая потом при благоприятных климатических и тектонических условиях превращается в горную породу, а позже – в классическую почву. Само собой, не весь ил, аккумулирующийся на дне Мирового океана, впоследствии обнаружится на суше, из которого в конечном итоге сформируется полноценный почвенно-растительный покров. Но в общем подобный механизм является универсальным.
Факторы почвообразования. Почвенные горизонты появляются в итоге многосторонней трансформации дневной поверхности земной коры (самых верхних слоев). Перерождение минеральных пород в почвенный слой происходит по причине влияния на него многих факторов:
1. Геолого-геоморфологические факторы (состав и возраст материнской горной породы, крупные формы рельефа территории).
2. Климат (температурный режим воздуха, количество осадков).
3. Органические факторы (деятельность животных, растений и микроорганизмов, грибов).
4. Факторы, связанные с деятельностью человека.
5. Время.
Влияние пластики рельефа (геоморфологии) на организацию почвенного покрова двойственно. Крупные формы занимаются не только перераспределением атмосферных осадков по элементам рельефа (выступам и впадинам), но и сами по себе выполняют климатическую функцию. В данном отношении рельеф возможно причислить к группе климатических факторов.
Все перечисленные выше факторы синхронно влияют на минеральную породу в течение очень долгого времени. Поэтому пятый фактор, время, является основополагающим в процессах развития почвенного слоя. Минеральная порода становится почвой крайне медленно – после отхода моря, таяния ледника, перемены климата с сухого и ветреного на влажный (в песчаных пустынях), прекращения извержений лавы и т. д. Таким образом, нужно, чтобы прошло много времени: мощность почвенного профиля каждые сто лет увеличивается только лишь на 0,5—2 см.
Почвенные горизонты. Разница между типами почв зиждется на том, что почвенный профиль меняет свою структуру и мощность от места к месту. Толщину почвенного слоя устанавливают горизонты почвы, а вернее – их мощность и число. Рассмотрим порядок напластования горизонтов друг на друга в характерных почвенных профилях Восточно-Европейской равнины.
Широкие территории данной равнины в центральной ее части устланы такими типами почв, как подзолистые, дерново-подзолистые, дерновые, болотно-подзолистые почвы (заболоченные), торфяно-глеевые (болотные).
В подзолистой почве – 4 основных горизонта:
А0 – лесная подстилка (кора, ветки, опавшие листья)
А2 – подзолистый (элювиальный) – горизонт вымывания
В – горизонт вмывания (иллювиальный)
С – почвообразующая (материнская) порода
D – порода, подстилающая материнскую
Подзолистая почва развивается под сенью хвойных лесов – на различных песках и супесях.
D-горизонт при изучении профиля считается факультативным (т. е. не обязательным). Но учитывать его всё-таки нужно – при скрупулезном изучении почвенных характеристик ландшафта и при оценке целесообразности освоения какой-либо местности в хозяйственном плане. Дело в том, что подстилающий минеральный пласт оказывает сильное воздействие на вышележащую материнскую породу, а через нее – на все горизонты почвенного профиля. Наиболее ярко такое влияние прослеживается там, где под материнским пластом находится слой, который кардинально отличается по составу от почвообразующей породы (к примеру, когда карбонаты залегают под глинами).
В дерново-подзолистой почве – 5 основных горизонтов:
А0 – лесная подстилка либо тонкая дернина
А1 – гумус
А2 – элювиальный
В – иллювиальный
С – почвообразующая (материнская) порода
D – порода, подстилающая материнскую
Дерново-подзолистый тип почвы образуется под лесными массивами различного породного состава и на любой минеральной базе; на лугах, лесных опушках и пашнях. В отличие от подзолистой почвы, дерново-подзолистая характеризуется плодородным слоем. Это очень весомая разница, определяющая дерново-подзолистую почву как эффективную в аспекте сельскохозяйственного освоения.
Дерновые почвы имеют 4 основных горизонта:
Ад – дернина
А1 – гумус
В – иллювиальный
С – почвообразующая (материнская) порода
D – порода, подстилающая материнскую
Это почвы лугов, в которых, как можно понять, нет элювиальной (подзолистой) прослойки. Гумусовый горизонт обладает здесь мощным профилем. Образуются подобные почвы преимущественно на покровных лессовидных суглинках или в тех ландшафтах, где под почвообразующим пластом находятся известковые образования. В таких местах уже четко прослеживается функция подстилающих пород в развитии почвы.
Болотно-подзолистые почвы имеют 4 основных горизонта:
Ат – торфяной горизонт
А2 – подзолистый (элювиальный)
G – глеевый горизонт
С – почвообразующая (материнская) порода
D – порода, подстилающая материнскую
Данные почвы появляются под пологом влажных хвойных или смешанных лесов – в депрессиях рельефа либо на плоских территориях с замедленным дренажом (т. е. в тех местах, где наблюдается временный застой поверхностной влаги, либо там, где фиксируется высокое стояние грунтовой воды). В данных почвенных формациях выработан самостоятельный глеевый горизонт G.
Оглеение – биохимический процесс трансформации почвы в условиях кислородного недостатка.
Процессом оглеения может быть задета всякая почва, в которой формируется «независимый» глеевый слой. При таком раскладе к главному наименованию почвы приписывается слово «глеевая». Но порою подобной прослойки вообще нет в почве (в свободном виде), и признаки оглеения (горизонтальные и вертикальные полоски разной толщины, сизые пятна) возможно найти в одном горизонте, в нескольких или во всех горизонтах. В таком случае к буквенному индексу горизонта добавляется индекс – g, а к наименованию горизонта дописывается слово «глеево» (через дефис). Например, А1g, Bg и др.
Болотные почвы обладают всего лишь двумя горизонтами:
Ат – торфяной (слой торфа) – от 30 до 50 см
G – глеевый
Типы почв полярных регионов. В центральных регионах Антарктического материка, несмотря на жесткий полярный климат, образуется тип почвы, которую можно назвать почвой холодных пустынь. Она появляется в тех местах, где грунтовая поверхность свободна от ледников и снега – по причине чрезвычайно небольшого количества осадков и сильнейших ветров, не дающих снегу зафиксироваться и слежаться. Эта почва из-за своей древности отличается красноватым оттенком, потому что сформировалась она, согласно одной из многих версий, еще в те времена, когда Антарктида была жарким и влажным материком.
Из-за катастрофически сухого климата данная почва засоленная и не имеет почти никакого созидательного развития, существуя очень много лет в бездеятельном состоянии.
В прибрежных районах Антарктиды, где климатический режим намного теплее и влажнее, почвы уже не такие скромные, как в центральных частях континента: они содержат в себе большое количество гумуса и различных минеральных веществ (в особенности там, где живут пингвины, беспрерывно снабжающие почву органикой).
В арктическом географическом поясе среди каменистых территорий развиваются почвы, которые именуются арктическими дерновыми. Они отличаются серо-бурым цветом и имеют гумусовый горизонт (глубиной до 20 см).
Гравитационное и магнитное поля Земли
Кроме вещественных геосфер, Земля состоит еще из энергетических оболочек: гравитационное поле и магнитное поле.
Все вещественные оболочки обладают одним общим свойством – сферичностью, оттого и называются сферами. Подобной фигурой характеризуется также энергетическая оболочка Земли – гравитационное поле.
Гравитационное поле Земли. Это земное пространство (от центральной точки планеты – до высоты примерно 36 тыс. километров над твердой и жидкой земной поверхностью), в границах которого все предметы и явления испытывают на себе влияние силы тяжести.
Силой тяжести называется геометрическая сумма силы притяжения Земли и центробежной силы.
Необходимо отметить, что сила тяжести и сила притяжения Земли – это не совсем тождественные друг другу определения: на силу тяжести соответственно воздействует совокупность тех факторов, которые были озвучены выше, т. е. сила притяжения Земли и центробежная сила. Разберем первый фактор.
1. Сила притяжения Земли. Находится в зависимости от:
А. Влияния ближайших космических тел. Сила взаимного влияния объектов Вселенной зависит от: 1 – расстояний между ними; 2 – от массы самих тел. На земной шар воздействует Луна и Солнце. Но так как данные объекты расположены в достаточной мере далеко от Земли, их влияние (которое всё же фиксируется) в общем плане не принимается во внимание.
Б. Распределения масс на поверхности Земли и внутри нее. Горные системы создают добавочное давление на верхние слои мантии, из-за этого сила тяжести в таких регионах должна быть больше, чем на платформенных равнинах. На жидкой поверхности Мирового океана напротив – сила тяжести должна быть меньше, чем на платформенных равнинах, так как вода по определению легче твердых минеральных пород. Но измерения говорят о том, что сила тяжести на одной и той же параллели повсюду (и на суше, и на поверхности океаносферы) характеризуется одинаковой величиной. Этот факт свидетельствует, что массы внутри нашей планеты, находящиеся под земной корой и непосредственно на поверхности Земли, распределяются в целом равнозначно. Объясняется подобная равнозначность так. В местах, где осуществляется большое давление пород земной коры на мантийный материал (в горных системах), породы мантии опускаются вниз. А в тех частях Земли, где есть недостаток массы земной коры (дно Мирового океана), мантийное вещество подходит ближе к земной поверхности.
Поэтому земная кора, компенсируемая мантией, существует в состоянии изостатического равновесия. Земная кора как бы «плавает» в мантии. Таким образом, на поверхности Земли сила тяжести почти всюду равна. Отклонения (положительные аномалии) силы тяжести отмечаются исключительно в пределах молодых горных систем: под ними мантийное вещество пока не успело опуститься – нужно, чтобы прошло определенное время, поскольку сбитое равновесие приходит к норме не в один момент. Процессы компенсации (уравновешивания) земной коры протекают на глубине от 100 до 150 километров. Данный внутриземной слой именуется слоем изостазии.
2. Центробежная сила. Разберем теперь второй фактор, оказывающий влияние на силу тяжести.
На Земле, которая вращается и обладает шарообразной формой (в грубом расчете), центробежная сила находится в зависимости от широты местности. На полюсах такая сила равняется нулю, на экваторе – достигает наибольших значений. Чем меньше значение центробежной силы, тем большими значениями обязана обладать сила тяжести. Так и выходит: Северный и Южный полюса – это «точки», на которых сила тяжести больше на 0,6%, чем на экваториальной «полосе». Из этого возможно сделать вывод, что на полюсах сила тяжести равняется силе притяжения.
Гравитационное поле содержит в себе такое понятие, как ускорение свободного падения. На полюсах оно равняется 9,83 м/с², на экваторе 9,78 м/с². Ускорение свободного падения плавно уменьшается от полюсов в сторону экватора – 55/1000 м/с² на каждый градус географической широты.
Рассматривая всё, что было нами озвучено выше, следует утвердительно сказать, что сила тяжести почти целиком зависит от силы притяжения. Даже большая центробежная сила экватора не влияет существенным образом на величину гравитации (различие в силе тяжести между двумя полюсами и экватором – всего 0,6%).
Еще есть такое понятие, как напряженность гравитационного поля Земли. Так называется величина силы тяжести. В горизонтальном плане напряженность плавно и равнозначно убывает от полюсов к экватору. В вертикальном плане (от земной поверхности – вниз и вверх по вертикали) напряженность гравитационного поля уменьшается – в соответствии с изменением высоты и глубины. На высоте 36 тысяч км от поверхности суши или океанов, а также в центральной части земного шара сила тяжести равняется нулю.
Несложно вычислить радиус сферы гравитационного поля – от центральной точки Земли до 36 тыс. километров над поверхностью геоида. Исходя из среднего радиуса планеты, примерный радиус гравитационного поля равен 42 367 километров.
Сила тяжести всегда направлена по вертикали (отвесу) к поверхности Земли.
Гравитационное поле без какого-либо утрирования можно обозначить в качестве фундаментальной энергетической сферы Земли. Как сама Земля, так и все ее внутренние и внешние процессы, обязаны своим существованием и правильным функционированием именно гравитационному полю.
Значение гравитационного поля
1. Организация формы земного шара. 2. Удерживание атмосферного воздуха. 3. Атмосфера – залог существования гидросферной оболочки. 4. Уплотнение вещества внутри Земли и формирование плотного земного ядра. 5. Сила тяжести – первопричина гравитационной дифференциации земного материала, которая порождает нагрузку масс в глубине Земли, создавая тепловую энергию. Помимо этого, тепловая энергия высвобождается при радиоактивном распаде некоторых элементов (цезия, урана, тория). Тепловая энергия – причина тектонизма внутри планеты и на ее поверхности. 6. Стремление земной коры к изостатическому равновесию. 7. Сила тяжести обуславливает внешние геологические и гидрологические процессы: склоновое перемещение вещества, выпадение осадков, сток вод и пр.
Гравитационное поле – не уникальная энергетическая сфера нашей планеты. К невещественным оболочкам относится и магнитное поле Земли. Разберем сжато функцию геомагнитного поля в глобальных природных процессах земного шара.