Текст книги "Общее землеведение"

4.8. Экзогенные процессы в литосфере

Экзогенные процессы обусловлены притоком солнечной радиации, всемирным тяготением, поступлением космической пыли, осевым и орбитальным движением Земли. Суммарный эффект деятельности экзогенных процессов заключается в перемещении вещества с более высоких гипсометрических уровней на более низкие.

Экзогенные процессы образуют на поверхности Земли морфо-скульптуры. Своеобразие и интенсивность проявления экзогенных процессов зависят от климата, следовательно, в размещении форм рельефа наблюдаются широтная зональность и высотная поясность. Во влажном климате экваториальных и умеренных широт наибольшее развитие имеет флювиальная морфоскульптура, в засушливом климате тропических широт и внетропических пустынь – эоловая, в субарктических широтах и областях распространения многолетнемерзлых пород – криогенная, в полярных широтах – гляциальная (ледниковая) морфоскульптура. Склоновая, береговая, карстовая морфоскульптуры развиты повсеместно, однако своеобразие их форм также подчинено зональности.

Экзогенные процессы наиболее очевидно проявляются в выветривании, денудации и аккумуляции.

Выветривание (гипергенез) – совокупность процессов механического разрушения и химического изменения горных пород и минералов. Оно бывает физическим (механическим), химическим и биологическим.

Главной причиной физического выветривания является колебание температуры горных пород. Под действием многократных нагреваний и охлаждений горные породы растрескиваются, дробятся на глыбы, крошатся на мелкие части. Этому способствует вода, замерзающая в трещинах. Химическое выветривание заключается в изменении состава пород. Главными его агентами являются вода, растворенные в ней вещества и кислород воздуха; происходит химическое взаимодействие элементов, находящихся в породах. Биологическое выветривание протекает под действием живых организмов, которые разрушают породы механически, а продуктами жизнедеятельности изменяют их химически.

Следствия выветривания:

✓ изменение породы (слагающие породу сложные первичные минералы распадаются на более простые и более активные, которые, в свою очередь, взаимодействуя друг с другом, образуют ряд вторичных минералов и т. д.);

✓ в результате химического выветривания вещества переходят в более удобную для переноса форму (перенос продуктов выветривания – необходимая предпосылка образования многих новых горных пород и форм рельефа земной поверхности).

Денудация (обнажение) – совокупность процессов сноса продуктов выветривания на более низкие уровни. Она осуществляется текучими водами, ледниками и ветром, а на крутых склонах материнские породы, утратившие прочность, падают и сползают под действием силы тяжести. Интенсивность зависит от высоты местности, состава и свойств горных пород и от темпов выветривания (на Русской равнине годовой слой сноса равен 0,03 мм, в горах толщина его возрастает до 0,2–0,5 мм).

В результате сложного взаимодействия литосферы, гидросферы, атмосферы и живого вещества (выветривания и денудации) образуются комплексные тела, составляющие кору выветривания, или элювий. Состав коры выветривания находится в тесной связи с подстилающими горными породами (если они остаются на месте своего первичного залегания, кора выветривания называется остаточной, а если перемещаются, то образуется переотложенная кора выветривания), самая главная их особенность – зональность. При активном взаимодействии всех компонентов и длительности элювиального процесса развивается мощная кора выветривания. Мощность коры выветривания обычно около 30–60 м, но в отдельных случаях достигает 200 м (в горах и на высоких равнинах она распространена не сплошь). Наиболее мощная кора образуется в жарком поясе, наименее мощная – в полярных широтах. Самый верхний слой коры выветривания – почва.

Эрозионно-аккумулятивный процесс – единый процесс, происходящий в природе. Водные потоки (деятельность текучих вод) производят разрушительную работу, перенос материала и аккумуляцию. Разрушительная работа водотоков называется эрозией. В результате работы водотоков создаются выработанные (эрозионные) и аккумулятивные формы рельефа. Размыв и аккумуляция сменяют друг друга во времени и в пространстве.

Эрозия бывает нормальная (естественная) и антропогенная (ускоренная).

Нормальная эрозия, возбуждаемая естественными процессами, делится на плоскостную (поверхностную, площадную) эрозию, когда почвогрунт смывается с вершины к подножию склона без образования линейных форм на склоне, и линейную – с образованием линейных форм на склоне. В линейной эрозии выделяют овражно-балочную (работу производит временный водоток) и речную.

Антропогенная эрозия возбуждается деятельностью человека, скорость ее намного превышает естественную эрозию. Внутри антропогенной выделяют сельскохозяйственную (пахотную, пастбищную садовую и т. д.), городскую, промышленную, дорожную и военную.

К эрозионным формам рельефа, созданным временными водотоками, относятся эрозионная борозда, рытвина (промоина), овраг, балка. Аккумулятивные формы имеют меньшее распространение, к ним относятся конусы, выносы и овражно-балочные террасы.

Скорость овражной эрозии может достигать значительных величин – 1–1,5 м в год, на Северном Кавказе были отмечены скорости до 3 м в год, в некоторых районах Ярославской области – до 10–15 м в год. Интенсивность современной эрозии суши составляет 0,059 мм в год, в Азии увеличивается до 0,093 мм в год.

Постоянные водотоки формируют речные долины. Основными формами рельефа в них являются русло, пойма, террасы.

Ветер производит разрушительную работу, транспортировку материала и аккумуляцию. Для морфологического проявления эоловых процессов необходимо незначительное количество атмосферных осадков, частые сильные ветры, разреженность растительного покрова, наличие рыхлого материала. Данные условия наиболее полно представлены в тропических пустынях, где количество атмосферных осадков не превышает 100 мм, и в пустынях умеренных и субтропических широт. Следовательно, проявление эоловых процессов имеет черты зональности. Кроме того, эоловые процессы наблюдаются на аккумулятивных песчаных берегах морей, на песчаных участках в речных долинах.

В разрушительной работе ветра выделяют дефляцию – процесс выдувания или развевания рыхлого материала и корразию – процесс обтачивания, шлифовки твердых пород обломочным материалом, переносимым ветром.

Дефляции подвергаются в основном рыхлые песчаные отложения, в результате чего происходит формирование котловин выдувания – округлых отрицательных форм диаметром в сотни метров. В результате эоловой аккумуляции образуются барханы, грядовые пески, дюны. В результате корразии образуются каменные грибы, столбы, замки, ниши.

Ледниковые формы рельефа образуются в результате разрушительной работы ледника (экзарации) и аккумулятивной работы. Современные ледниковые формы распространены в полярных и горных районах выше климатической снеговой границы. Рельефообразующая деятельность ледников особенно возрастала в эпохи оледенений. Выделяется несколько фаз в развитии ледника: наступание, стационарное положение, отступание. С каждой фазой связаны определенные ледниковые формы: в фазу наступання ледник производит активную экзарацию, образуя экзарационные формы; при его отступании и таянии возникают аккумулятивные формы рельефа.

Эрозионные долины, подвергшиеся воздействию ледника, приобретают корытообразную форму, их называют трогами.

Характерный комплекс форм рельефа, связанный с проявлением экзарации, формируется выше снеговой линии, в зоне снегового питания. К данному комплексу относятся цирки и кары, различающиеся, главным образом, размерами.

Морена – несомый ледником несортированный материал, включающий крупные валуны и тонкие суглинистые частицы. В горах образуются небольшие по площади моренные покровы, у края ледника – несколько конечно-моренных гряд.

Древнее покровное оледенение занимало огромные пространства на территории Евразии и Северной Америки. Во время максимума распространения четвертичного оледенения оно покрывало более 40 млн км² (около 30 %) площади суши, почти в три раза перекрывая площадь современного оледенения. Главным центром оледенения в Европе являлась Скандинавия, где мощность ледника достигала 2–3 км. Менее мощными центрами были Новая Земля, Северный Урал. В Северной Америке центры оледенения – кордильерский, лабрадорский. В плейстоцене на европейской части России определялись несколько оледенений: окское, днепровское, московское, калининское и осташковское, наиболее мощным было днепровское.

В областях древнего оледенения выделяют зону преобладающей денудации (экзарации) и зону преобладающей аккумуляции. В зоне денудации формируются сельги (скалистые гряды, образованные при ледниковой обработке коренных пород), ванны выпахивания, бараньи лбы. Подобный рельеф имеет наибольшее распространение в Европе (Карелия, Финляндия), в Северной Америке (территория Канады). Ледниковая экзарация выразилась и в формировании специфических типов берегов. К ним относятся фьорды и шхеры. Зона преобладающей аккумуляции приурочена к краевой части покровного оледенения, где образуются конечно-моренные холмы, холмисто-западинный рельеф, друмлины (асимметричные холмы, сложенные моренным материалом), озы (длинные гряды, вытянутые по движению ледника), камы (одиночные или групповые холмы, характерные для краевых возвышенностей и моренных равнин).

В пределах развития ледниковых форм рельефа распространены формы, созданные талыми ледниковыми водами, – озы, камы, долинные зандры, зандровые равнины, широкое распространение имеют ложбины стока талых ледниковых вод.

Тема 5
Атмосфера

5.1. Происхождение атмосферы, ее состав, строение, значение для географической оболочки

Атмосфера – это газовая оболочка Земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами, движущаяся вместе с Землей в мировом пространстве как единое целое и одновременно принимающая участие во вращении Земли. Сила земного притяжения удерживает атмосферу вблизи поверхности Земли. Наибольшее давление и плотность атмосферы наблюдаются у земной поверхности, по мере поднятия вверх давление и плотность уменьшаются. На высоте 18 км давление убывает в 10 раз, на высоте 80 км – в 75 000 раз. Нижней границей атмосферы является поверхность Земли, верхней границей условно принята высота 1000–1200 км. Масса атмосферы составляет 5,13 · 10¹⁵ т, причем 99 % этого количества содержится в нижнем слое до высоты 36 км.

Доказательства существования высоких слоев атмосферы:

1. На высоте 22–25 км в атмосфере располагаются перламутровые облака.

2. На высоте 80 км бывают видны серебристые облака.

3. На высоте около 100–120 км наблюдается сгорание метеоритов, т. е. здесь атмосфера обладает еще достаточной плотностью.

4. На высоте около 220 км начинается рассеивание света газами атмосферы (явление сумерек).

5. Полярные сияния начинаются примерно на высоте 1000–1200 км, данное явление объясняется ионизацией воздуха корпускулярными потоками, идущими от Солнца. Сильно разреженная атмосфера простирается до высоты 20 000 км, она образует земную корону, незаметно переходя в межпланетный газ.

Атмосфера, как и планета в целом, вращается против часовой стрелки с запада на восток. Из-за вращения она приобретает форму эллипсоида, т. е. толщина атмосферы у экватора больше, чем вблизи полюсов. Она имеет выступ в направлении, противоположном Солнцу, этот «газовый хвост» Земли, разреженный, как у комет, имеет длину около 120 тыс. км. Атмосфера связана с другими геосферами тепловла-гообменом. Энергией атмосферных процессов служит электромагнитное излучение Солнца.

Происхождение. Водород и гелий – наиболее распространенные элементы в космосе, входящие в состав протопланетного газопылевого облака, из которого возникла Земля. Вследствие очень низкой температуры этого облака самая первая земная атмосфера состояла из водорода и гелия, так как все другие элементы вещества, из которого слагалось облако, были в твердом состоянии. Такая атмосфера наблюдается у планет-гигантов: очевидно, из-за большого притяжения планет и удаленности от Солнца они сохранили первичные атмосферы.

Затем последовал разогрев Земли: тепло порождалось гравитационным сжатием планеты и распадом внутри ее радиоактивных элементов. Земля потеряла водородно-гелиевую атмосферу и создала свою собственную вторичную атмосферу из газов, выделившихся из ее недр (углекислый газ, аммиак, метан, сероводород). Кислород отсутствовал, в атмосфере преобладали восстановительные условия. В настоящее время подобные атмосферы наблюдаются у Марса и Венеры, они на 95 % состоят из углекислого газа.

Следующий этап развития атмосферы был переходным от абиогенного к биогенному, от восстановительных условий к окислительным. Главными составными частями газовой оболочки Земли стали азот, углекислый газ, оксид углерода, в качестве побочных примесей – метан, кислород. С начала фанерозоя (570 млн лет назад) до середины девонского периода концентрация 0₂ составляла меньше половины современной, содержание углекислого газа в атмосфере было 10-кратным по отношению к современному.

Последний этап развития азотно-кислородной атмосферы связан с появлением жизни на Земле и с возникновением механизма фотосинтеза. Содержание биогенного кислорода стало возрастать. В конце девона – карбоне в связи с интенсивными процессами вулканизма и бурным развитием наземной растительности содержание кислорода резко увеличилось, превысив современный уровень. На протяжении позднего палеозоя наблюдается снижение содержания кислорода, достигшее минимума на границе перми и триаса. В начале юрского периода отмечено его резкое увеличение, превысившее современный уровень в 1,5 раза. Такая ситуация существовала до середины мела, когда произошло снижение концентрации кислорода до современного уровня. Параллельно с этим атмосфера почти полностью потеряла двуокись углерода, часть которого вошла в огромные залежи угля и карбонатов.

Таков путь атмосферы от водородно-гелиевой к современной, главную роль в которой играют азот и кислород, а в качестве примесей присутствуют аргон и углекислый газ.

Состав. Атмосферный воздух – механическая смесь газов, в которой во взвешенном состоянии содержатся пыль и вода. Чистый и сухой воздух на уровне моря представляет собой смесь нескольких газов, причем соотношение между главными составляющими атмосферу газами – азотом (объемная концентрация 78,08 %) и кислородом (20,95 %) – постоянно. К основным газовым составляющим относят также аргон (0,93 %). Количество остальных газов – углекислого газа, неона, гелия, метана, криптона, ксенона, водорода, йода, угарного газа и оксидов азота – ничтожно мало (менее 0,1 %) (табл. 6).

Таблица 6

Газовый состав сухого воздуха (без учета водяного пара) у поверхности Земли(Атмосфера, 1991)

Помимо основных газов в атмосфере присутствуют так называемые малые газовые составляющие (табл. 7), суммарное содержание которых не превышает 0,04 %. Среди них особо важная роль принадлежит озону, углекислому газу, метану, оксиду углерода, закиси азота.

Таблица 7

Некоторые малые газовые составляющие в атмосфере, содержание которых наиболее подвержено антропогенному влиянию (Современные глобальные изменения природной среды, 2006)

Во взвешенном состоянии в атмосфере также присутствуют мельчайшие твердые и жидкие частицы – аэрозоли. Они являются ядрами конденсации. Без них было бы невозможно образование туманов, облаков, выпадение осадков. С твердыми частицами в атмосфере связаны многие оптические и атмосферные явления. Пути поступления их в атмосферу различны: вулканический пепел, дым при сжигании топлива, пыльца растений, микроорганизмы. В последнее время ядрами конденсации служат промышленные выбросы, продукты радиоактивного распада (табл. 8).

Кроме того, в атмосфере в ничтожном количестве присутствуют неустойчивые молекулы и атомы (свободные радикалы). Среди них – атомарный кислород (О), гидроксил (ОН), пергидроксил (НO₂), оксид хлора (ClO) и другие молекулы и частицы.

Таблица 8

Основные типы аэрозолей и примерная мощность источников (Современные глобальные изменения природной среды, 2006)

В высоких слоях атмосферы состав воздуха меняется под воздействием жесткого излучения Солнца, которое приводит к распаду (диссоциации) молекул кислорода на атомы. Атомарный кислород является основным компонентом высоких слоев атмосферы. Наконец, в наиболее удаленных от поверхности Земли слоях атмосферы главными компонентами становятся самые легкие газы – водород и гелий. В верхних слоях атмосферы обнаружено новое соединение – гидроксил (ОН). Наличие этого соединения объясняет образование водяного пара на больших высотах в атмосфере. Поскольку основная масса вещества сосредоточена на расстоянии 20 км от поверхности Земли, то изменения состава воздуха с высотой не оказывают заметного влияния на общий состав атмосферы.

Важнейшими компонентами атмосферы являются озон и углекислый газ. Озон – трехатомный кислород (O₃), присутствующий в атмосфере от поверхности Земли до высоты 70 км. В приземных слоях воздуха он образуется в основном под влиянием атмосферного электричества и в процессе окисления органического веществ, а в более высоких слоях атмосферы (стратосфере) – в результате воздействия ультрафиолетовой радиации Солнца на молекулу кислорода. Основная масса озона находится в стратосфере (по этой причине стратосферу довольно часто называют озоносферой). Слой максимальной концентрации озона на высоте 20–25 км получил название озонового экрана. В целом озоновый слой поглощает около 13 % солнечной энергии. Снижение концентрации озона над определенными районами получило название «озоновые дыры».

Углекислый газ вместе с водяным паром вызывает парниковый эффект атмосферы. Парниковый эффект – нагрев внутренних слоев атмосферы, объясняющийся ее способностью пропускать коротковолновое излучение Солнца и не выпускать длинноволновое излучение Земли. Если бы углекислого газа в атмосфере было в два раза больше, средняя температура Земли достигла бы 18 °C, сейчас она равна 14–15 °C.

Общая масса газов атмосферы составляет приблизительно 4,5 · 10¹⁵ т. Таким образом, «вес» атмосферы, приходящийся на единицу площади, или атмосферное давление, составляет на уровне моря примерно 10,3 т/м².

Важной составной частью атмосферы является водяной пар, количество его во влажных экваториальных лесах достигает 4 %, в полярных районах снижается до 0,2 %. Водяной пар поступает в атмосферу вследствие испарения с поверхности почвы и водоемов, а также транспирации влаги растениями. Водяной пар является парниковым газом, вместе с углекислым газом он удерживает большую часть длинноволнового излучения Земли, предохраняя планету от охлаждения.

Строение. Атмосфера не является идеальным изолятором; она обладает способностью проводить электричество благодаря воздействию ионизаторов – ультрафиолетового излучения Солнца, космических лучей, излучения радиоактивных веществ. Максимальная электрическая проводимость наблюдается на высоте 100–150 км. В результате совокупного действия ионов атмосферы и заряда земной поверхности создается электрическое поле атмосферы. По отношению к земной поверхности атмосфера заряжена положительно. Выделяют нейтросферу – слой с нейтральным составом (до 80 км) и ионосферу – ионизированный слой.

Слой атмосферы до высоты 100–120 км является однородным по составу и называется гомосферой. Однородность гомосферы достигается в результате быстрого перемешивания газов, выделяющихся с поверхности суши и моря, и движения атмосферного воздуха. Слой атмосферы выше 100–120 км является неоднородным и называется гетеросферой. Верхние слои атмосферы являются разреженными и простираются на большие расстояния от поверхности (1,5–2 тыс. км).

Различают несколько основных слоев атмосферы в зависимости от распределения температуры с высотой. Нижний, прилегающий к земной поверхности, называется тропосферой (высота 8—10 км у полюсов, 12 км в умеренных широтах и 16–18 км – над экватором). Температура воздуха с высотой постепенно понижается – в среднем на 0,6 °C на каждые 100 м подъема, что заметно проявляется не только в горных районах, но и на возвышенностях Беларуси.

В тропосфере содержится до 80 % всей массы воздуха, основное количество атмосферных примесей и практически весь водяной пар. Именно в этой части атмосферы на высоте 10–12 км образуются облака, возникают грозы, дожди и другие физические процессы, формирующие погоду и определяющие климатические условия в разных областях нашей планеты. Нижний слой тропосферы, примыкающий непосредственно к земной поверхности, называют приземным слоем.

Влияние земной поверхности простирается приблизительно до высоты 20 км, а далее нагревание воздуха происходит непосредственно Солнцем. Таким образом, граница ГО, лежащая на высоте 20–25 км, определяется в том числе и тепловым воздействием земной поверхности. На этой высоте исчезают широтные различия в температуре воздуха, и географическая зональность размывается.

Выше начинается стратосфера, которая простирается до высоты 50–55 км от поверхности океана или суши. Этот слой атмосферы значительно разрежен, количество кислорода и азота уменьшается, а водорода, гелия и других легких газов увеличивается. Образующийся здесь озоновый слой поглощает ультрафиолетовую радиацию и сильно влияет на тепловые условия поверхности Земли и физические процессы в тропосфере. В нижней части стратосферы температура воздуха постоянна, здесь располагается изотермический слой. Начиная с высоты 22 км, температура воздуха повышается, на верхней границе стратосферы она достигает 0 °C (повышение температуры объясняется наличием здесь озона, поглощающего солнечную радиацию). В стратосфере происходят интенсивные горизонтальные перемещения воздуха. Скорость воздушных потоков достигает 300–400 км/ч. В стратосфере содержится менее 20 % воздуха атмосферы.

На высоте 55–80 км находится мезосфера (в этом слое температура воздуха с высотой уменьшается и вблизи верхней границы падает до —80 °C), между 80—800 км расположена термосфера, в составе которой преобладают гелий и водород (температура воздуха быстро растет с высотой и достигает 1000 °C на высоте 800 км, что объясняется поглощением солнечной радиации, вызывающей увеличение скорости движения молекул). Мезосфера и термосфера вместе образуют мощный слой, называемый ионосферой (область заряженных частиц – ионов и электронов).

Самая верхняя, сильно разреженная часть атмосферы (от 800 до 1200 км) составляет экзосферу. В ней преобладают газы в атомарном состоянии, температура повышается до 2000 °C вследствие поглощения корпускулярного излучения Солнца.

Значение для ГО. Атмосфера оказывает благодатное воздействие на климат Земли, предохраняя ее от чрезмерного охлаждения и нагревания. Суточные колебания температуры на нашей планете без атмосферы достигли бы 200 °C: днем +100 °C и выше, ночью —100 °C. В настоящее время средняя температура воздуха у поверхности Земли равна +14 °C. Атмосфера не пропускает к Земле метеоры и жесткое излучение. Без атмосферы не было бы звука, полярных сияний облаков и осадков.