Глава 2
Окружающая среда

В настоящее время, как уже было показано, воздействие человека на окружающий мир стало настолько мощным, что он стал с трудом справляться с последствиями этих воздействий.

Тоской и отчаянием звучат слова современного поэта А. Дементьева:

Что же это за окружающий нас мир, который, как теперь уже человек понимает, нужно оберегать, сохранять и восстанавливать?

Окружающая человека среда представляет собой глобальную (и не только в рамках нашей одной планеты) метамегасистему, состоящую из двух, тесно взаимодействующих и взаимосвязанных мегасистем: природной и техногенной сред. Природная среда включает четыре основные макросистемы (геосферы): атмосферу, гидросферу, литосферу и биосферу. Естественно, что в результате всей деятельности человека в пределах определенного исторического времени все эти

18

макросистемы существенным образом изменены. В доисторические времена человечество находилось внутри природной среды, являясь по существу частью составляющей биосферы, и взаимодействовало с другими макросистемами через биосферу и биосферные процессы.

В историческое время человек, по существу выделившись из биосферы уже в виде человечества, превратился в пятую макросистему со всеми характерными для нее признаками, такими составляющими, как общество, общественные формации, хозяйственная деятельность, войны и т. д.

Техногенная среда также состоит из нескольких макросистем, включающих искусственные сооружения и здания, города, городские агломерации, промышленные зоны и регионы, а также инженерные сети и коммуникации, транспортные системы и т. д. Одной из составляющих является "строительная система" как разновидность "природно-техногенной системы" (ПТС). Таким образом, под "строительной системой" мы понимаем собственно здания, сооружения и их комплексы с инфраструктурой инженерных сетей, обеспечивающих их функционирование, а также сосредоточенные в них технологии. В большинстве случаев строительная система служит оболочкой, отделяющей техногенную и природную среду. Строительная система - совокупность всех этапов инвестиционно-строительного процесса проекта и его участников, имеющая объектно-правовую направленность и реализуемая в условиях воздействия конкретных факторов внешней среды.

Строительная система как форма природно-техногенной системы (ПТС) многими учеными рассматривается как некоторая экосистема. В пользу отнесения ее к экосистемам в первую очередь говорит наличие в ней таких биотических факторов, как человек и обитающие в природной составляющей ПТС представители флоры, фауны, микроорганизмов. Для обеспечения гомеостаза вновь созданные такого рода антропогенные экосистемы требуют нарастающего управляющего действия человека. Это нарастание за счет глубокого проникновения всегда чревато постепенным угнетением природных компонентов среды. Поэтому для сохранения природной составляющей и оптимизации гомеостаза экосистемы следует снизить антропогенный натиск. Одним из факторов, смягчающих натиск, является оптимальное проектное решение и реализация "строительной системы". Опыт строительства показывает, что экологично-оптимальное решение во многом связано с грамотным использованием особенностей природной среды и их динамикой, в том числе и при взаимодействии со строительной системой на всем периоде ее эксплуатации.

Особенностью техногенной среды является возможность продления перечня входящих в нее макросистем, таких как человечество,

19

которое может рассматриваться как одна из составляющих техногенной среды, и имеет способность создавать новые макросистемы, отказываясь по мере исчерпания надобности от старых экосистем. То есть при определенных условиях отдельные макросистемы техногенной среды могут как появляться, так и исчезать. Очень важной особенностью техногенной среды является значительная дробность ее отдельных макросистем, что объясняется чрезвычайно широким спектром воздействий человека на среду в процессе его жизнедеятельности. Серьезной особенностью техногенной среды является возможность формирования макросистем с сугубо негативными характеристиками по воздействиям на природную и техногенную среду. Примерами может служить "макросистема Чернобыля после аварии" и отчасти зона Аральского моря (уже практически исчезнувшего). Отрицательные техногенные последствия существования таких макросистем превалируют по своей значимости над любыми природными характеристиками и при нынешнем развитии человеческих знаний и состоянии общества не могут быть устранены человеком в обозримом будущем.

КРАТКИЙ ОЧЕРК О ПЛАНЕТЕ ЗЕМЛЯ

Межзвездное пространство не представляет собой пустоты в обычном понимании, а заполнено газово-пылевым материалом, в котором, как и во всей Вселенной, преобладает водород. Путем реакции ядерного синтеза из водорода образуется гелий, из которого, в свою очередь, возникает углерод. На рис. 2 представлен ряд некоторых превращений. Ядерные процессы внутри газо-пылевого облака продолжались несколько сот миллионов лет: ядра гелия объединялись с ядрами углерода и формировали ядра кислорода, а затем неона, магния, кремния, серы и т. д. Одна из схем возникновения и развития Солнечной системы показана на рис. 3.

Таким образом, под действием высоких температур и гравитационного сжатия, обусловленного вращением облака вокруг своей оси, возникают различные химические элементы, составляющие основную массу звезд, планет и их оболочек. Этот процесс в общем-то является закономерным в эволюции Вселенной и Солнечная система возникла в полном с ним соответствии. Однако для дальнейшего развития по сути к возникновению жизни необходимы были некоторые космические и планетарные условия, такие, как:

• размеры планеты, так как ее масса не может быть большой, в противном случае энергия атомного распада природных радиоактивных элементов может вызвать перегрев планеты и радиоактивное загрязнение, что несовместимо с жизнью (в известных нам формах); малая же планета неспособна удержать сколько-нибудь значимую атмосферу;
• движение планеты вокруг звезды должно осуществляться по

20

• круговой или близкой к ней орбите, что позволяет постоянно и равномерно получать необходимое количество излучаемой звездной энергии;
• постоянная интенсивность излучения светила; в противном случае поток лучистой энергии, поступающей на планету, будет неравномерным, а это вызывает обычно резкие колебания температур, что неизбежно создает препятствия для возникновения и развития жизни, так как ее существование очерчено жесткими температурными рамками. Для этого достаточно вспомнить, что известные нам живые существа на 80-90 % состоят из воды как жидкости, которая при 0° С замерзает, а при 100° С закипает.

Земля входит в планетарную систему звезды Солнце. В связи с этим необходимо привести некоторые сведения о нем. Солнце - центральное тело Солнечной системы представляет собой типичную, довольно распространенную во Вселенной звезду - карлик спектрального класса G2. Солнце являет собой раскаленный плазменный газовый шар, находящийся в равновесии в поле своего собственного тяготения. Солнце по нашим понятиям огромно, его масса составляет большую часть массы всей Солнечной системы и равна 2 × 20³⁰ кг (масса Солнца в 750 раз превышает массу всех планет и в 330 000 раз массу Земли); радиус Солнца 7 × 10⁸ м, средняя плотность (р) = 1,4 × 10³ кг/м³, ускорение силы тяжести (g) = 2,7 × 10² м/с².

Светимость современного Солнца равна 3,83 × 1023 кВт, но за время

21

о - облако туманности, вращающееся вокруг своей оси со скоростью один оборот в 100 млн. лет; б, а - фрагментация газово-пылевой туманности; г - дальнейшая фрагментация; д, е, ж, з - конденсация газово-пылевой материи, которая под действием гравитационного притяжения приводит к образованию звезды и планет примерно за 10 млн. лет

своего существования она была различной и в начале периода плане-тообразования была значительно меньше. Земля получает лишь одну двухмиллиардную долю солнечного излучения, но и этого, как показывает наш жизненный опыт, вполне достаточно, чтобы управлять погодой и климатом на земном шаре и приводить в движение огромные воздушные и водные массы. Температура поверхности Солнца составляет 5770 К, в недрах же более 10 млн. К. Химический состав представлен на 90 % водородом, около 10 % гелием и десятые доли процента составляют практически все остальные элементы, среди которых иногда можно насчитать только отдельные атомы. Источник солнечной энергии - термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Энергия передается из недр Солнца излучением, а в приповерхностной зоне конвекцией (рис. 4).

С конвективным перемещением плазмы связаны различные особенности ее поверхностной зоны - фотосферы: грануляция,

22

солнечные пятна, спикулы и т. п. Наличие, отсутствие, изменение размеров, в частности, солнечных пятен активно влияет на многие земные процессы. С солнечными пятнами связана так называемая солнечная активность с периодизацией в 11 лет. Солнечная атмосфера, состоящая из хромосферы и солнечной короны, находится в сложном динамическом состоянии, в ней наблюдаются солнечные (хромосферные) вспышки, протуберанцы и из нее непрерывно происходит постоянное истечение вещества короны в межпланетные пространства (солнечный ветер). Протуберанцы - это огромные по объему облака газа в виде "занавесей" или "столбов", масса которых измеряется миллиардами тонн. Во время вспышек отдельные части протуберанцев могут подниматься вверх со скоростью до нескольких сот километров в секунду и на высоты до 1 млн. км, что превышает радиус Солнца.

Отмечается определенная зависимость между активностью в солнечной атмосфере и процессами жизнедеятельности растений и животных, состоянием здоровья, погодно-климатическими аномалиями и другими географическими явлениями. Однако достаточных научных

23

данных для объяснения механизма этого взаимодействия пока не имеется.

Солнечная планетарная система насчитывает девять больших планет, часть из которых обладает спутниками и несколько тысяч малых планет (астероидов). Принципиально к Солнечной системе относят такие своеобразные космические тела, как кометы и метеоритное вещество. Сила тяготения Солнца является причиной движения планет вокруг него по орбитам, находящимся на различных расстояниях. Надо отметить, что достаточно сложно, не искажая масштаб, изобразить наглядно Солнечную систему (если изобразить Землю в виде кружка в 1 мм, то Солнце окажется на расстоянии 11 м от Земли и его диаметр будет 11 см; орбита Плутона изобразится окружностью диаметром 440 м). В табл. 1 показаны основные параметры планет Солнечной системы.

а.е.- астрономическая единица - расстояние от Земли до Солнца.

В целом среди планет Солнечной системы достаточно четко выделяются некоторые группы: планеты "земной группы" - Меркурий, Венера, Земля и Марс; "планеты-гиганты" - Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун; особо стоит самая далекая и меньше всех изученная небольшая планета Плутон и группа малых планет - астероидов.

Большая часть массы планет земной группы приходится на долю твердых веществ, в составе этих планет - оксиды и другие соединения кремния, алюминия, железа, магния, кальция.

Малая плотность планет-гигантов (например, у Сатурна она меньше плотности воды) объясняется тем, что они, главным образом, состоят из газов и жидкостей в виде соединений водорода и гелия, которые и слагают эти планеты почти на 98 %. В атмосфере этих планет

24

содержится метан и аммиак. Предположительно по мере приближения к центру планет-гигантов за счет роста давления водород должен перейти в газожидкое двухфазное состояние. Водород при этих давлениях (в несколько миллионов раз больше земного атмосферного) приобретает свойство металла. Ядро Юпитера, сложенное силикатами, металлами и металлическим водородом, в 1,5 раза больше Земли, а по массе (больше Земли) почти в 15 раз. Любая из планет-гигантов больше по массе любой из планет земной группы, самая же крупная планета - Юпитер - больше самой крупной из планет земной группы - Земли по диаметру в 11 раз, а по массе более чем в 300 раз.

Планеты-гиганты быстрее вращаются вокруг оси и по количеству спутников превосходят планеты земной группы. На последние 4 планеты всего 3 спутника, а на 4 планеты-гиганты - 54. Планеты-гиганты имеют еще и кольца из мелких обломков и газа. Спутники планет-гигантов достигают весьма больших размеров; на них обнаружены следы тектонической и вулканической деятельности.

О природе Земли как планеты будет подробно изложено в дальнейших главах, сейчас же мы приведем общую характеристику планет земной группы и спутника Земли - Луны.

У всех планет земной группы - Меркурия, Венеры, Земли и Марса есть общее в строении - литосфера, которая как бы отвечает твердому агрегатному состоянию вещества. У трех планет: Венеры, Земли и Марса имеется атмосфера, а гидросфера установлена пока лишь на нашей планете. На рис. 5 показано строение планет земной группы и Луны, а в табл. 2 - характеристика атмосферы планет земной группы.

Таблица 2.Характеристика атмосфер планет земной группы (по Р.А. Петросовой и др., 1998)

В целом принято считать, что плотность атмосферы на Венере в 100 раз больше земной, а у Марса в 100 раз меньше, чем на Земле.

Геолого-историческое изучение позволяет сделать вывод о том, что у Марса, Венеры и Земли (у Меркурия, наверное, тоже, пока атмосфера не была сорвана "солнечным дыханием") первичный состав атмосферы был одинаковым, но у Венеры и Марса он практически не изменился.

25

Трансформация земной атмосферы напрямую связана с наличием на нашей планете жизни. Следов жизни на Венере, Марсе и тем более Меркурии пока земными космическими аппаратами и наблюдателями в достоверном виде не обнаружено.

Существенное значение имел также тот факт, что никогда в истории Земли водоемы не промерзали до дна. Данные об обмене углекислого газа между атмосферой и сушей (при участии гидросферы) во многом объясняют потерю Венерой гидросферы и проливают свет на причины отсутствия на Марсе условий для жизни, схожей с земными формами.

Меркурий. Это очень небольшая по размерам планета ближе всех расположена к Солнцу и вследствие этого испытывает его мощнейшее воздействие. На поверхности обнаружены кратеры метеоритного происхождения, низменности больших размеров, которые условно можно именовать "морями", и возвышенности, похожие на "материки". Строение и свойства поверхностного слоя представляются схожими с лунными грунтами. Вследствие отсутствия атмосферы перепады температур очень велики - от 450° С до -180° С, что вызвано как близостью Солнца, так и продолжительностью меркурианских суток (без малого в 180 раз длиннее земных).

Венера. В целом по размерам и массе эта планета очень близка Земле. Прямому изучению Венеры препятствует чрезвычайно плотная непрозрачная атмосфера. Облака, по всей видимости, состоят из капель концентрированной серной кислоты, ее кристалликов, серы. Суточные колебания температур практически отсутствуют, хотя сутки на Венере в 240 раз длиннее земных. Для атмосферы Венеры характерно наличие парникового эффекта. Высокая плотность атмосферы и облачность в целом не препятствуют проникновению значительного количества солнечной энергии и в то же время не позволяют тепловому излучению от Венеры рассеиваться в космическом пространстве. Все это привело к тому, что температура на поверхности Венеры достигает 470° С. "Осмотр" поверхности Венеры производился как с помощью космических аппаратов, так и специальными устройствами на телескопах.

26

Полученные данные показали, что на поверхности Венеры преобладают измененные пространства, имеются высокие плоскогорья и весьма высокие горы (от 8 до 12 км). Выявлены следы вулканической и тектонической деятельности и кратеры метеоритного происхождения.

Марс. Эта планета всегда интересовала земных наблюдателей. Достаточно вспомнить астронома Д. Скиапарелли, фантастов Г. Уэллса и А.К. Толстого, но все-таки пока "жизни на Марсе" обнаружить не удалось. На поверхности этой планеты имеются "моря", "каналы", "материки" (есть весьма подробные карты). По последним данным уточнено огромное количество метеоритных кратеров, обнаружены гигантские вулканические конусы высотой в 15-20 км, диаметр основания которых достигает 600 км. И хотя считается, что вулканическая деятельность на Марсе прекратилась несколько сот миллионов лет назад, но эндогенные процессы в недрах Марса еще могут показать свою мощь. При описании рельефа Марса выявлены следы активных экзогенных процессов, которые оставили осыпи, эрозионные врезы и даже дюны и следы пылевых бурь.

Американские спускаемые аппараты типа "Викинг" передали на Землю данные о химическом составе пород на поверхности Марса, в частности кремния до 20 %, железа до 14 %. Из минералов, очень много похожих на лимонит (оксид железа), что в общем-то и объясняет красноватый цвет планеты на земном небосклоне.

Надо сказать, что для существования на Марсе форм жизни, хоть в чем-то схожих с земными, условия в природной среде не слишком подходящи: средняя температура на поверхности - 60° С и почти никогда не бывает положительной даже в средних и экваториальных широтах. На полюсах Марса температура падает до -150°С, при которой, естественно, замерзает не только вода, но даже и углекислый газ становится "сухим льдом".

Смена времени года приводит к таянию полярных ледяных шапок, что влечет за собой увеличение атмосферного давления и вызывает сильные ветры со скоростями более 100 м/с и, естественно, пыльные бури. Вся вода Марса сосредоточена, по всей вероятности, в полярных шапках и близлежащих к ним зонах вечной мерзлоты.

Луна. Строго говоря, Луна не является полноправным членом группы внутренних планет, но выявленная роль Луны во многих процессах, происходивших на Земле в различные геологические эпохи, требует внимательного ее рассмотрения. Надо сказать, что Луна - это пока единственное космическое тело вне пределов Земли, на котором побывал человек. Роль Луны огромна, недаром иногда систему Земля - Луна называют двойной планетой. Земля и Луна расположены очень близко друг к другу сейчас и были еще ближе в начале своего существования. По массе современная Луна всего в 81 раз меньше Земли, а Прото-Луна была еще больше.

27

Но именно масса Луны и обусловила отсутствие у нее атмосферы (при ускорении свободного падения в 6 раз меньше земной, молекулам газа гораздо легче покинуть Луну). Именно отсутствие атмосферы и гидросферы, а также исключительно медленное вращение вокруг оси (сутки на Луне равны земному месяцу) приводят к тому, что за лунный день ее поверхность нагревается до + 120° С, а ночью остывает до - 170° С. Это привело к активизации процессов механического дробления пород и образованию знаменитой лунной пыли, которая представляет собой тонкораздробленный материал, называемый реголитом.

Дополнительным фактором разрушения лунных пород явилась, при отсутствии защитного экрана атмосферы, постоянная на протяжении нескольких миллиардов лет "бомбардировка" метеоритами и микрометеоритами. Скорость их падения, точнее удара, достигает десятков километров в секунду.

Крупные тела оставляют после удара огромные кратеры размером до 200 км в диаметре. Спускаемые отечественные и американские лунные аппараты и астронавты доставили на Землю образцы лунных горных пород. Состав минералов, который был получен в результате проведенных исследований, показал, что в своем разнообразии он гораздо беднее земных пород, но существенно богаче, чем обнаруженные минералы в метеоритах. Других, нежели земные, минералов в лунных образцах не обнаружено, но в них нет ни одного, который образовывался бы в водной среде или при наличии свободного кислорода. Кроме того, лунные породы обеднены летучими соединениями и никаких признаков или следов органических соединений, тем более микроорганизмов и других организмов, не обнаружено.

"Материки" Луны, видимые нами как светлые и "моря" - как темные впадины, отличаются по химическому составу слагающих пород и геологической (селенологической) истории. На более молодой поверхности "морей", покрытой вулканической лавой, гораздо меньше кратеров. Выявлены горы сбросового типа, складчатых же образований пока не обнаружено. Очень важным обстоятельством является отсутствие на Луне типичных процессов водной эрозии и химического выветривания, что служит подтверждением отсутствия на Луне атмосферы и гидросферы, которых не было и за всю ее историю.

Астероиды. Всего в настоящее время известно более 6000 малых планет, из которых самая крупная - Церера (диаметр 1000 км). В целом же считается, что общее число малых планет, диаметр которых превышает 1 км, может насчитывать до 1 млн. Масса же всех астероидов не превышает одной тысячной массы Земли. Необходимость изучения астероидов и метеоритов - космических тел, падающих на Землю, вызвана не только исключительно научными интересами, но и очень важным обстоятельством экологического характера, а именно вероятностью столкновения значительных по размеру космических тел с Землей.

28

Расчеты показывают, что воздействие космического тела диаметром 1 км равносильно взрыву всех атомных и водородных бомб, накопленных к этому времени всеми странами. Удар космического тела размером в поперечнике в 10 км вызовет экологическую катастрофу с возможным уничтожением биоты и восстановлением ее только через несколько сот тысяч лет. Удар космического тела с поперечником более 100 км способен разрушить нашу планету, особенно при встречном столкновении и с обычными для таких ситуаций скоростями сближения 30 км/с. Во всяком случае явным последствием такого удара будет уничтожение атмосферы, а тем самым и всего живого. К настоящему времени известно около 20 тел астероидного типа (от 50 см до 50 км), орбиты которых расположены в непосредственной близости к нашей планете. Космонавты и астронавты установили, что около Земли не реже, чем 4 раза в месяц пролетает космическое тело от 5 до 50 см в диаметре. При рассмотрении возможности столкновения космических тел с Землей обычно используются статистические методы. Эти методы показали, что "встречи" Земли с телом размером 10 км происходят один раз в 60-100 млн. лет, размером в 1 км - один раз в миллион лет, около 100 м - каждые 5000 лет, менее 100 м - раз в 300 лет. В течение же одного года на Землю падает в среднем 200 тыс. т внеземного вещества. Палеоданные показывают, что в своей истории Земля испытала столкновение с достаточно крупными астероидами. Ученые Принстонского университета А. Фишер и М. Артур в 1997 г. впервые выдвинули гипотезу о совпадении периодов массовой гибели флоры и фауны на Земле со столкновением ее с крупными небесными телами. Палеонтологи Д. Рол и Дж. Сенковски установили, что почти через каждые 26 - 27 млн. лет происходило массовое исчезновение представителей флоры и фауны. Группа американских ученых во главе с У. Альваресом связывает глобальную катастрофу, произошедшую 65 млн. лет назад, с падением на Землю очень крупного астероида, когда за очень короткое время вымерзли почти все плавающие и летающие рептилии, динозавры, водоросли и планктон, т. е. значительная часть биоты. В качестве доказательства они приводят найденные в глинистых отложениях этого времени большие количества иридия, весьма редкого химического элемента, который был распылен при взрыве от удара о Землю большого астероида.

В 1989 г. на 6 ч разминулся с Землей астероид размерами около 800 м, который астрономы обнаружили "со спины", когда он уже прошел орбиту Земли. 8 декабря 1992 г. астероид Тоутатис (6 км в диаметре) прошел мимо Земли на расстоянии 3 млн. км; 26 сентября 2000 г. этот астероид снова приблизится к Земле. В конце мая 1996 г. мимо Земли всего на расстоянии 450 тыс. км прошел не зарегистрированный ранее астероид 1996 JAL (D = 500 м). Это первый известный такого рода факт.

Опасения по поводу возможного столкновения таких тел с Землей значительно усилились после падения на Юпитер кометы Шумейкер

29

- Леви-9 в июле 1995 г. При этом комета лишь проходила мимо Юпитера, но, попав в его мощное гравитационное поле, развалилась на большое число кусков и тем не менее, как показали наблюдения ряда участков поверхности юпитерианской атмосферы, температура там достигала 20 - 30 тыс. ° С. Можно предположить, что на глубине она могла достигать и миллиона градусов. При не разрушении кометы удар ее о Юпитер мог сказаться и на устойчивости Солнечной системы. Это заставило Конгресс США принять в адрес NASA (Национальной администрации по аэронавтике и освоению космоса) следующую рекомендацию: "Поручается каталогизировать и отслеживать все кометы и астероиды, которые пересекают орбиту Земли".

Из числа столкновений, имевших катастрофические последствия, можно назвать падение в 1908 г. Тунгусского метеорита - объекта, который по современным представлениям был ядром небольшой кометы.

Нет особых оснований считать, что количество столкновений с Землей может сколько-нибудь увеличиться или уменьшиться. Но если говорить о возможностях столкновений космических тел с Землей, то о кометах можно сказать вслед за А.С. Пушкиным: "Как незаконная комета в кругу расчисленных светил", т. е. встреча эта может быть весьма неожиданной и, мягко говоря, малоприятной.

Уместно поставить вопрос: "Обладает ли человечество возможностями, чтобы избежать экологические катастрофы, зависящие от космических причин?" Этот вопрос для специального изучения.

Форма и строение Земли. Обычно форма Земли описывается термином "земной шар" (это, кстати, выражается одним из способов изображения географической информации в виде глобуса). Установлено, что масса Земли равна 5,98 × 10²⁷ г, объем 1,083 × 10 см³, средний радиус 6371 км, средняя плотность 5,52 г/см³, среднее ускорение силы тяжести 981 Гал. Форма Земли близка к трехосному эллипсоиду вращения с полярным сжатием: у современной Земли полярный радиус 6356,78 км, а экваториальный - 6378,16 км. Длина меридиана Земли составляет 40008,548 км, длина экватора 40075,704 км. Различие в экваториальных и меридианальных размерах или, проще говоря, "сплюснутость" нашей планеты с полюсов является следствием вращения Земли вокруг полярной оси, а величина этого различия связана со скоростью вращения. Иногда Землю описывают как сферу, но форма нашей планеты имеет свое собственное имя - геоид. Не секрет, что земная поверхность значительно изменчива по высоте от глубоких океанских впадин (Марианская - 11 521 м) до высоких горных вершин (Эверест - 8842 м). Геоид вне континентов совпадает с невозмущенной поверхностью Мирового океана, на континентах же поверхность геоида рассчитана по гравиметрическим исследованиям и с помощью космических наблюдений.

Поверхность Земли на 70,8 % (6361,1 млн. м²) занята водой, суша

30

же составляет 29,2 % (148,9 млн. км²). В общем виде (рис. 6), как установлено современными геофизическими исследованиями (по скоростям распространения сейсмических волн, данными о плотности земного вещества, расчетами массы Земли, космическими экспериментами и наблюдениями), Земля сложена как бы из нескольких концентрических оболочек: внешних - космосфера, атмосфера (газовая оболочка), гидросфера (водная оболочка), биосфера (область распространения живых организмов) и внутренних, которые собственно и являются типичными геосферами (ядро, мантия и литосфера). Непосредственному наблюдению доступны лишь часть космосферы, атмосферы, гидросферы, самая верхняя часть земной коры, биосфера. С помощью буровых скважин основное изучение проводится до глубин 8 км. Проходка сверхглубоких скважин, которая с научными целями осуществляется в России, США и Канаде (наибольшая глубина в 12252 мм достигнута в России на "Кольской сверхглубокой"), позволила отобрать образцы горных пород со значительных глубин для непосредственного изучения. Главная цель этих работ - достижение границ "гранитного" и "базальтового" слоев литосферы или верхних границ мантии. Строение более глубоких недр Земли изучается сейсмическими и гравиметрическими методами. Непосредственное изучение поднятого на поверхность мантийного вещества должно многое объяснить в истории образования земной коры и мантии, что играло

31

далеко не последнюю роль в формировании условий жизнеобитания на нашей планете.

Границы между внутренними сферами Земли, естественно, носят достаточно условный характер и отвечают уровню современного геологического знания. Эти границы за счет взаимопроникновения изменяются как по площади, так и по глубине.

Земное ядро состоит из внешнего (жидкого) и внутреннего (твердого) ядра, плотность вещества во внешнем ядре с глубиной возрастает от " 9,5 г/см³ до " 12,3 г/см³. В центральной части внутреннего ядра плотность достигает величины почти в 14 г/см³. Масса земного ядра составляет до 32%, а объем -16% от массы и объема планеты. Современные специалисты считают, что по составу в земном ядре примерно 90 % железа с примесью кислорода, серы, углерода и водорода, в центральной же части внутреннего ядра состав представлен железоникелевыми соединениями, что практически отвечает составу большого числа метеоритов.

Мантия Земли представляет собой силикатную оболочку между ядром и подошвой литосферы. Поданным О.Г. Сорохтина (1994), масса мантии составляет 67,8 % от общей массы Земли. Мантия подразделяется на верхнюю (до глубины " 400 - 1000 км) и нижнюю (до глубины около 2900 км). Под океанами в верхней мантии выделяется слой, в котором вещество находится в частично расплавленном состоянии.

Весьма важным элементом в строении мантии является зона, называемая литосферой. Эта зона физически представляет собой переход от охлажденных твердых пород к частично расплавленному веществу мантии, которое обладает пластическими свойствами и являет собой астеносферу. Мантия состоит из так называемого пиролита (75 % перидотита и 25 % базальта). Содержание радиоактивных элементов в ней весьма низкое, так как в среднем U - 10"8 %, Th - 10~⁷ %, ⁴⁰К - 10~⁶ %. Мантия сейчас расценивается как источник сейсмических, тектонических, вулканических, горообразовательных и магматических процессов.

Земная кора представляет собой верхний слой нашей планеты, которая ограничивается снизу так называемым слоем Мохоровичича, где происходит скачкообразное увеличение скоростей сейсмических волн (до 8,2 км/с).

На земной коре отражается воздействие двух противоположно направленных групп процессов, из которых одни как бы "наращивают" земную поверхность в виде гор, вертикальных и горизонтальных перемещений блоков, а вторые "сглаживают" возникшие неровности, заполняют осадочным материалом понижения. Земная кора, все время находясь в состоянии изменения, оказывает существенное влияние на устойчивость и стабильность протекающих на ней процессов в других геосферах.

32

Современные геологи выделяют два типа земной коры: океаническую и континентальную. Океаническая кора имеет мощность 20 - 25 км и состоит из слоя осадочных пород, подстилающихся базальтами, долеритами и габбро. Континентальная кора по мощности достигает 80 км и сложена тремя слоями: осадочным, "гранитным", "базальтовым".

Весьма важным обстоятельством, отличающим земную кору от других геосфер, является повышенное содержание в ней долгоживущих радиоактивных изотопов урана ²³²U, теория ²³⁸Th, калия ⁴⁰К, причем их наибольшая концентрация выявлена в "гранитном" слое континентальной коры. В океанической коре радиоактивные элементы представлены "следами".

В целом земная кора по химическому составу, %, может быть описана следующим образом: кислород - 46,8; кремний - 27,3; алюминий - 8,7; железо - 5,1; кальций - 3,6; натрий - 2,6; калий - 2,6; магний - 2,1; другие - 1,2. Литосфера - одна из главнейших геосфер представляет собой оболочку Земли, которая объединяет земную кору, подкорковую часть верхней мантии и подстилающую часть астеносферы. Характерным признаком литосферы является содержание в ней пород в твердом кристаллическом состоянии, обусловливающим ее жесткость и прочность. Вниз по разрезу температура повышается и в астеносфере, где она достигает значений, при которых вещество переходит в частично расплавленное состояние и обладает пластичностью, позволяющей течь даже при действии очень малых избыточных давлений. В свете современных представлений, согласно теории тектоники литосферных плит, установлено, что литосферные плиты, которые слагают внешнюю оболочку Земли, образуются за счет остывания и полной кристаллизации частично расплавленного вещества астеносферы. Астеносфера в силу своего глобального распространения определяет возможность перемещения литосферных плит, хотя ее мощность и отдельные свойства варьируются в значительном диапазоне. Мощность литосферы меняется от нескольких километров под рифтовыми долинами срединных океанических хребтов, почти до 100 км под периферией океанов, а под древними щитами мощность литосферы достигает 300 - 350 км.

Земная кора имеет два основных источника тепла: от Солнца и от распада радиоактивных веществ, сосредоточенных на границе с верхней мантией. В недрах же Земли температура увеличивается по адиабатическому закону, т. е. в зависимости от плотности вещества без теплообмена, от 1300° С в верхней мантии до 3700° С в центре ядра. Внутренняя теплота нашей планеты имеет во многом решающее значение для процессов жизнедеятельности организмов на Земле и определяет все глобальные биосферные закономерности.

В земной коре, на поверхности которой распространена жизнь во всех ее известных для Земли формах, отмечено закономерное нарастание

33

температуры с глубиной. В целом выделяют три температурные зоны: 1) переменных температур; 2) постоянных температур; 3) нарастания температур. В зоне переменных температур диапазон колебаний определяется во многом климатом местности. Суточные колебания практически затухают на глубинах около 1,5 м, а годовые (сезонные) на глубинах 20 - 30 м. В зимний период в средних и более высоких широтах в самой верхней части зоны переменных температур образуется подзона промерзания, где температуры опускаются ниже 0° С. В средних широтах мощность этой подзоны зависит от климата, типа горных пород и колеблется от нескольких сантиметров до 2 м и более. По мере углубления влияние сезонных колебаний температур уменьшается и на глубине примерно 15 - 40 м находится зона постоянной температуры, которая соответствует среднегодовой температуре данной местности. Далее температуры растут более или менее закономерно. Теоретически средняя величина геотермической ступени (глубина, при которой температура повышается на 1° С) равна 33 м, хотя диапазон ее изменения лежит в очень широких пределах.

Во второй половине XX в. широкое "распространение в геологической науке получила теория "глобальной тектоники" или теория "мобилизма". Согласно этой теории, вся литосфера разбита на гигантские блоки - литосферные плиты, уходящие своими основаниями в мантию. Границы между литосферными плитами могут проходить как по суше, так и по дну океана. В океанах этими границами служат срединные океанические хребты. В этих областях зафиксировано большое количество разломов-рифтов, по которым вещество из верхней мантии поступает к поверхности и, растекаясь по ней, приводит в движение весь "ансамбль" литосферных плит.

В граничных зонах между плитами выявлены зоны тектонической, сейсмической, вулканической и горообразовательной активности. К числу таких зон относятся пояс Японских островов, Гималаи, Альпы, Анды, Кордильеры и др. Размеры плит далеко неравнозначны: от огромных - Тихоокеанской, Североамериканской, Африканской до малых - Кокос и др. При перемещениях плит по астеносфере возникает надвиг, "подныривание", горизонтальное трение плит друг о друга. Движение плит зафиксировано точнейшими наблюдениями из космоса, что позволило, например, установить, что "раздвижение" Аравийской и Африканской плит приведет через определенный, достаточно удаленный от нас момент времени к возникновению на месте нынешнего Красного моря нового океана (скорость расширения Красного моря равна 1,5 см в год, а Индостан сталкивается с Евразией со скоростью 5 см в год). Несмотря на то, что мобилистская теория имеет достаточное физическое и математическое обоснование, многие "геологические" вопросы еще до конца не объяснены. В частности, далеко не просто объясняются "внутриплитные" тектонические и горообразовательные процессы. В связи с этим многое из господствовавшей

34

долгие годы в геологии теории "фиксизма" - теории "геосинклиналей", сейчас может быть использовано на основе новых теоретических подходов. Например, оказывается, что литосферные плиты, согласно данным ряда специалистов, отнюдь не абсолютно жесткие и недеформируемые. Поднимающиеся из недр Земли мощные потоки энергии и вещества из мантии способны "прогреть", проплавить и деформировать литосферную плиту. Все это может лежать в основе теоретического рассмотрения стадий развития геосинклиналей.

В целом же глобальная тектоника плит весьма объективна в описании палеогеографического состояния Земли, вполне подтвержденным экспериментальными данными перемещения (образования и разрушения) древних материков. Значимость в соотношениях площадей поверхности суши и океанов, единство и удаленность материков и их размеры оказали весьма существенное влияние на эволюционные процессы как в целом в биосфере, так и в ее составляющих вплоть до отдельных видов животных, растений и микроорганизмов.

Процессы, протекающие в недрах и на поверхности Земли, имеют не только геологическое значение, но и опосредованно влияют на протекание процессов во внешних оболочках (гидросфере, атмосфере и биосфере) и существенно взаимозависимы с ними. К числу процессов эндогенного характера (внутренней динамики), имеющих определенное экологическое значение, относят в первую очередь горообразовательные и тектонические, отчасти вулканические и сейсмические и, конечно, магматические породообразующие процессы. Все эти процессы обусловливают первичное состояние рельефа Земли, размеры и форму материков, островов и т. п. Существенна значимость и процессов внешней динамики Земли (экзогенных), в более явном виде связанных с другими геосферами. Зачастую они реализуются за счет этих геосфер: движение воздушных масс, выпадение осадков, колебание температур, движение воды в реках и морях. Экзогенные процессы приводят к образованию масс рыхлых пород, кор выветривания и образуют зону, подстилающую почвы. Подстилающие породы являются источником многих химических элементов, необходимых для жизни организмов и "хранилищем" органических остатков. И эндогенные, и экзогенные процессы в конечном счете послужили источником большинства запасов полезных ископаемых и ресурсов, которые необходимы для устойчивого развития человечества.

КРАТКАЯ СПРАВКА ОБ ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ

Наша Галактика, Галактика "Млечный Путь", была, по существу, открыта в 1923 г. при обнаружении в туманности Андромеды нескольких цефеид. Это подтвердило вывод о том, что туманность Андромеды - это другая галактика, удаленная от нас на расстояние 2,3 млн. световых лет. Диаметр нашей Галактики примерно 100 тыс. световых

35

лет, число звезд - около 150 млрд. и составляют они 98 % всей массы. Наша Галактика относится к классу спиральных галактик, так как межзвездный газ, основную массу которого составляет водород, образует вокруг центра Галактики ветви, имеющие спиральную форму (рис. 7).

Кроме туманности Андромеды невооруженным глазом наблюдается еще две галактики: Большое и Малое Магеллановы Облака. Исследования показали, что в спектрах галактик линии обычно бывают смещены в сторону его красной части, т. е. в сторону более длинных волн. Это означает, что все галактики удаляются от нас. Та же картина разбегания будет наблюдаться и с любой другой галактикой, т. е. все наблюдаемые галактики удаляются друг от друга.

Рассмотрим, вслед за Р.А. Петросовой и др. (1998 г.), огромный условный шар (Вселенную), который состоит из отдельных точек (галактик), однородно распределенных внутри него и взаимодействующих по гравитационным законам. Если в начальный момент (?!) галактики были неподвижны, то под действием гравитации они сразу же должны начать сближаться. Это означает, что к центру Вселенной плотность будет нарастать. Если в начальный момент (?!) галактики удалялись друг от друга, то в случае превышения ими второй космической скорости они будут разбегаться бесконечно, но при любой скорости гравитация будет уменьшать скорость их разбегания. Если скорости галактик меньше второй космической, то расширение Вселенной должно смениться сжатием.

36

Какой из этих вариантов развития Вселенной будет реализован (или реализуется ?!), с какой-либо степенью вероятности утверждать по современным данным невозможно. Однако ясно, что плотность вещества в прошлом во Вселенной была значительно больше. Галактики, звезды и планеты не могли существовать как самостоятельные объекты, а вещество, из которого они теперь состоят, было качественно иным и представляло собой однородную, очень горячую и плотную среду. Ее температура превышала 10 млрд. градусов, а плотность была больше плотности ядер атомов, которая составляет 105 417 кг/м³. Это данные не только расчетов, но и конкретных наблюдений. По расчетам на ранних стадиях существования горячая Вселенная была заполнена наряду с веществом квантами электромагнитного излучения с очень высокой энергией. По мере расширения Вселенной энергия квантов уменьшалась, и в настоящее время должна соответствовать 5 - 6 К. Это излучение было открыто в 1965 г. и названо реликтовым.

Начальная стадия существования горячей Вселенной получила наименование Большого взрыва. Теория Большого взрыва может быть описана в следующем приближенном кратком виде. Первоначально во Вселенной не могли существовать даже сложные ядра, не говоря уже об атомах. В этих условиях осуществлялись взаимные превращения нейтронов и протонов при взаимодействиях с электронами, позитронами, нейтрино и антинейтрино. По мере снижения температуры в 10 раз, до 1 млрд. градусов энергия квантов и частиц стала недостаточной для противодействия образованию простейших ядер атомов дейтерия, трития, гелия - 3 и гелия - 4. Через 3 мин после начала расширения во Вселенной установилось вполне четко определенное соотношение в содержании ядер водорода (до 70 %) и ядер гелия (до 30 %). Это продолжалось на протяжении миллиардов лет до тех пор, пока из вещества Вселенной не сформировались звезды и галактики. В недрах звезд в результате термоядерных реакций начали образовываться все более сложные атомные ядра. В межзвездной среде сложились условия для образования нейтральных атомов, а затем и молекул.

37