Меню

Эволюция гидросферы земли роль живого вещества

Происхождение гидросферы

Такая обычная субстанция, как вода, не часто привлекает наше внимание, хотя сталкиваемся мы с ней повседневно, скорее даже ежечасно: во время утреннего туалета, за завтраком, когда пьем чай или кофе, при выходе из дома в дождь или снег, во время приготовления обеда и мытья посуды, во время стирки. в общем, очень и очень часто. Задумайтесь на минуту о воде. представьте, что ее вдруг не стало. ну, например, произошла авария водопроводной сети. А возможно, это с вами уже случалось? Со всей очевидностью в такой ситуации становится ясно, что «без воды и ни туды, и ни сюды».

Обычно о воде не задумываются тогда, когда ее достаточно. Монгольская пословица гласит: «Человек не ценит воду до тех пор, пока не иссякнет источник». Но жители пустынь хорошо знают ей цену и стараются бережно и экономно расходовать каждую каплю. Цену воде знают и там, где ее надо добывать из глубоких колодцев, нести или везти к дому, и, наконец, там, где за воду приходится платить большие деньги.

Теперь отойдем от проблем бытового использования воды и поднимемся на другую ступеньку, откуда открывается вид на экономику страны. И здесь вода — главнейший лимитирующий фактор. Сельское хозяйство — основной потребитель воды, так как без нее не может существовать ни одно растение. Она в значительной степени определяет урожай зерновых, кормовых и технических культур, а следовательно, и эффективность остальных отраслей сельского хозяйства. В промышленном секторе практически ни одно производство не обходится без воды, где она выступает то как сырье, то как теплоноситель, то как транспортная система, то как промежуточный этап производства, то как растворитель и почти всегда как среда, удаляющая отходы.

А теперь поднимемся над нашей планетой. Это планета воды, а не земли, так как более 3/4 ее занимают водные поверхности океанов, льдов на суше и на море, озер и болот на континентах, а над планетой плывут облака — скопления парообразной воды. Если же углубиться в толщу земной коры, то и там в трещинах и порах всегда можно обнаружить воду. Вода вездесуща, она буквально пронизывает оболочки Земли и проникает в любые участки того про странства, где обитает человек и все живое. Она наполняет растения и животных, человек тоже на 70% состоит из воды. Все водные объекты на поверхности планеты так или иначе связаны между собой и образуют оболочку, называемую гидросферой.

Теперь обратим наш взгляд от Земли к космосу. Там тоже широко представлена вода: ледяные шапки на полюсах Марса, полностью покрытые льдом спутники Юпитера, Сатурна и других планет, ледяные кольца вокруг Сатурна, ледяные ядра комет, существование которых подтверждено экспериментально при исследовании кометы Галлея по проекту Вега, пары воды в атмосфере Венеры. Как видно, воды достаточно много в окружающем нас космическом пространстве, но эта вода отличается от земной тем, что на поверхности планет и других небесных тел она существует только в твердом или парообразном состоянии. Правда, в ледяных недрах спутников Юпитера — Европы, Ганимеда и Каллисто — можно предполагать существование водно-ледяной области при условии, что здесь имеется тепловой поток из недр.

Большая распространенность воды в космосе и в особенности лед в таких первичных образованиях, как кометы и кометоподобные тела, свидетельствует о том, что в состав первичного вещества нашей планеты должны были входить молекулы, а возможно, и достаточно крупные ледяные объекты и, конечно, водообразующие компоненты — водород и кислород. Поэтому уже на самых первых этапах эволюции Земли вода должна была существовать на ее поверхности и в недрах в виде ледяных включений.

Когда на поверхности нашей планеты появилась первая жидкая вода? Как изменялись ее масса и состав растворенных в ней веществ в процессе развития Земли? Это очень важные вопросы, притом не только практического значения, так как, например, с водной средой связано происхождение многих полезных ископаемых, но и мировоззренческого плана, поскольку с жидкой водой связано появление жизни на Земле. Наука давно уже ищет ответы на эти вопросы, но только во второй половине XX в. собранные факты начали наконец укладываться в стройную и непротиворечивую гипотезу, которая в значительной своей части переросла в теорию. Науки о Земле — это своего рода машина времени, их методы и подходы позволяют нам проникать в самые отдаленные участки времени. Воспользуемся этой «машиной времени» и вернемся к началу начал — времени возникновения Земли.

По данным о скорости радиоактивного распада атомов различных элементов сейчас достаточно точно определено время существования нашей планеты, которое составляет приблизительно 4,65 млрд. лет. Возраст самых древних пород, которые найдены на сегодня, достигает 3,8 млрд. лет. Эти породы сохранили отпечатки стенок клеток самых древних одноклеточных организмов. Это говорит о том, что эти породы первоначально отлагались в водоемах, в которых к моменту формирования породы уже довольно длительное время должна была существовать жизнь, причем такая жизнь, которая успела активно включиться в биогеохимические процессы. А это означает, что первичная гидросфера с жидкой водой должна была появиться еще раньше, не позднее 4 млрд. лет назад.

Не вызывает сомнения также факт (подтвержденный и образцами найденных древних пород) внутреннего разогрева нашей планеты и, следовательно, дегазации недр, т. е. выделения из ее глубин под воздействием высокой температуры летучих веществ и флюидов. Этот процесс также возник на самых начальных стадиях формирования Земли. Согласно общепринятой сейчас гипотезе планеты Солнечной системы образовались из остывшего газопылевого облака и первоначально были холодными. Но затем началось разогревание недр нашей планеты. Нагревание недр Земли и поддержание в ней достаточной для плавления пород температуры обеспечивалось выделением тепла за счет дифференциации веществ (переход тяжелых компонентов в ядро Земли), радиоактивного распада, приливных сил Луны, значение и эволюция которых еще не вполне ясны.

Процесс дегазации в настоящее время обычно наблюдают при вулканических извержениях на суше. Но сравнительно недавно, в середине нашего века, было выяснено, что излияния лав и дегазация идут и на дне океана, в так называемых рифтовых долинах — разломах земной коры, проходящих по оси срединно-океанических хребтов, протягивающихся на огромные расстояния. В общей сложности протяженность таких разломов на дне океанов составляет не менее 70 тыс. км. Рифтовые долины — явление плане тарное, они образуют границы литосферных плит, на которые разбита вся поверхность планеты. В рифтовых зонах земная кора раздвигается за счет подъема из глубин вещества недр, которое наращивает края плит, формируя здесь так называемые подушечные базальты. Экспериментально установлено, что лавы, из которых формируются базальты, содержат по весу до 7% воды, значительная часть которой выделяется при остывании. Из лав выделяются также различные газы. На протяжении миллиардов лет рифтовые зоны вместе с вулканами были основным источником поступления на поверхность Земли глубинного вещества, в том числе газов и флюидов. С помощью глубоководных аппаратов в районе рифтовых долин обнаружены многочисленные выбросы сильно минерализованной воды с температурой до 300-400 °С. Эта вода содержит соединения металлов. Когда такая сверхгорячая вода попадает в холодную придонную океаническую воду, она быстро остывает, а содержащиеся в ней вещества осаждаются. Эти вещества формируют вокруг струи сооружение, похожее на трубу. С подводных аппаратов такая струя нередко выглядит как столб черного, а иногда белого дыма. Поэтому такие источники получили название «черные» или «белые» курильщики. Конечно, «черные курильщики» — это не чистые воды дегазирующейся магмы. По многочисленным трещинам, провалам и порам океаническая вода под большим давлением внедряется в земную кору в зоне рифтов, достигает сильно разогретых пород и уже вместе с первичными (ювенильными) водами дегазирующейся магмы, насыщенная растворами веществ, снова выносится на поверхность океанического дна.

Рифтовые зоны и вулканы за всю историю существования нашей планеты вынесли столько вещества, что его с избытком хватило бы и на то, чтобы сформировать земную кору, и на то, чтобы создать атмосферу и гидросферу. По разным оценкам, на поверхность нашей планеты было выброшено (2,8-4,6) * 10 г вещества. Воды в этой массе было не менее 2 * 10 24 г, т. е. ее вполне хватило бы на образование всей гидросферы. Советский вулканолог Е. К. Мархинин написал, что «океаны возникли через жерла вулканов» — и рифтовые долины, можно добавить сейчас. Так как пород возрастом более 3,8 млрд. лет пока не найдено и маловероятно, что вообще будут найдены породы возрастом более 4 млрд. лет, почти невозможно достоверно восстановить картину возникновения гидросферы, поскольку она возникла более 4 млрд. лет назад. Период эволюции нашей планеты от 4,65 до 4 млрд. лет остается «белым пятном», которое можно заполнить только физически непротиворечивыми гипотезами и предположениями. Точка отсчета жизни гидросферы лежит где-то в глубине этого белого пятна. Где-то в этом белом пятне времени лежит и точка начала разогревания недр планеты.

Возможны два сценария появления гидросферы. Один, общепринятый сейчас, — дегазация расплавленной магмы, выбросы воды в виде пара вулканами и через источники типа современных «черных» или «белых» курильщиков. Но многое зависит от состава первичного вещества, которое образовало пра-Землю. Среди первичных кирпичиков, сложивших нашу планету, помимо вещества типа метеоритного должно было быть и вещество типа кометного, т.е. содержащее лед, металлы и органику. Другими словами, первичная Земля уже имела достаточное количество воды в виде льда в форме частичек или даже крупных включений. Можно предполагать и наличие газов, которые обволакивали частицы, формировавшие первичную Землю. Поэтому образование первичных гидросферы и атмосферы можно представить в два этапа. Сначала движущийся из недр планеты тепловой фронт расплавил лед, освобо дил «прилипшие» к частицам молекулы газа и вытеснил эту массу жидкого и газообразного вещества на поверхность. На втором этапе усиливающийся тепловой поток начал плавить первичное вещество и освобождать химически связанную воду и газы, т. е. начался процесс дегазации.

Американец Л. Франк вообще считает, что океаны имеют кометное происхождение, что они продукт кометоподобных тел, вторгавшихся на Землю, и что процесс этот продолжается и сейчас. Доказательство этому он находит на изображениях Земли в ультрафиолетовой области спектра, полученных с высокоорбитального спутника и используемых для изучения полярных сияний. Обнаруженные на изображениях темные пятна — «дыры» диаметром около 50 км и с продолжительностью жизни порядка 3 мин — интерпретируются им как следы вторжений кометоподобных тел. Л. Франк считает, что «дыры» — это скопления частиц воды и льда, экранирующие свечение дневной поверхности атмосферы. Высота расположения этих скоплений над Землей 1,5-3,0 тыс. км.

Читайте также:  Посевные земли в россии

Чисто кометный вариант происхождения океанов пока не имеет достаточных оснований, так как в существующем океане слишком много следов дегазации недр Земли, но первичный океан мог возникнуть из кометоподобных тел, входивших в состав первичного вещества планеты, а затем, пополненный дегазированной водой магмы, преобразоваться в современный нам Мировой океан. Так или иначе, но возникновение гидросферы, атмосферы и земной коры оказалось почти одновременным актом.

Первичная земная кора была тонкой и состояла из базальтов, чем походила на современную океаническую. Континентальной коры тогда еще не существовало, а океан покрывал только часть океанической коры и был сравнительно мелким, но, возможно, обширным. Горячие газы быстро рассеивались в еще тонкой атмосфере, горячие воды быстро охлаждались и стекали в понижения. В холодной тонкой атмосфере пары воды сгущались в облака, из которых выпадали осадки в виде дождя и снега, и не исключено, что на полюсах образовались ледниковые покровы. Запущенный дифференциацией земного вещества механизм конвекции горячего подкорового вещества привел в действие гигантский конвейер литосферных плит, которые на границах, обозначенных планетарными рифтовыми долинами, раздвигались, а на противоположных границах происходило столкновение и сжатие плит, одна плита погружалась под другую. Погружавшаяся вместе с накопившимися на ней наносами плита плавилась в горячих недрах Земли, и таким путем было положено начало формированию континентальной коры, которая легче океанической и представляет собой как бы «пену» или «шлак» переплавившейся вместе с наносами океанической коры. Исследователи на спускаемых глубоководных аппаратах погружались как в зоны раздвижения, так и в зоны поддвига литосферных плит (или, в английской терминологии, зоны «спрединга» и зоны «субдукции»), и теперь имеются как геофизические, так и фактические наблюдения за этими явлениями. Аналогичные процессы в древности оставили зримые следы на поверхности нашей планеты.

Сейчас трудно сделать предположения о составе первичной атмосферы и растворенных веществах в первичной гидросфере на первом этапе их образования. Но ясно одно — эти атмосфера и гидросфера стали быстро пополняться газами, выделявшимися при вулканических извержениях и излияниях лав и дегазации в рифтовых долинах. Насыщенная ими атмосфера имела восстановительный характер, так как в ней почти полностью отсутствовал кислород. Выбрасываемый вулканами и выделявшийся при дегазации углекислый газ вместе с водяным паром обеспечивали рост тепличного эффекта, постепенно повышая температуру на Земле, что имело важные последствия для ее дальнейшей эволюции.

Результаты исследований с помощью космических аппаратов ближайших к Земле планет — Марса и Венеры — и возникновение сравнительной климатологии планет позволяют предполагать, что их эволюция, как и эволюция нашей планеты, началась с формирования первичной жидкой гидросферы и атмосферы, близких к первичным гидросфере и атмосфере Земли. Однако удаленность от Солнца Марса и интенсивность эволюции (а следовательно, и дегазации) недр Венеры привели на Марсе к эффекту «разгоняющегося» охлаждения, а на Венере — «разгоняющегося» разогревания, что и уничтожило на их поверхности первичную жидкую гидросферу.

Тонкая атмосфера Марса, более слабая дегазация недр по сравнению с земной и меньший поток солнечной радиации привели к быстрому вымораживанию первичной гидросферы и перекачке воды к полюсам, где она сохраняется и сейчас в виде околополюсных ледниковых покровов. Возможно, что в недрах Марса законсервированы замерзшие первичные водоемы, перекрытые за миллиарды лет слоем наносов, которые интенсивно переносятся вет ром во время знаменитых марсианских пыльных бурь. Появление ледяных шапок на полюсах Марса привело к дополнительному падению температуры на его поверхности за счет уменьшения способности планеты поглощать солнечное тепло из-за высокой отражательной способности льда. Понижение температуры привело также к вымораживанию из атмосферы Марса углекислого газа, что уменьшило тепличный эффект марсианской атмосферы и привело к новому понижению температуры на его поверхности, а на полюсах — к отложению вместе с водным льдом также замерзшего углекислого газа. Охлаждение поверхности планеты шло такими темпами, что должно было привести к гибели жизни, если она успела появиться в первичной жидкой гидросфере.

На Венере, где приток солнечного тепла был значительно больше, чем на Земле, а атмосфера — теплее, создались условия для интенсивного испарения жидкой гидросферы. Насыщенная водяным паром атмосфера создавала мощный тепличный эффект, а поступавший при дегазации недр планеты углекислый газ усиливал его, что, в свою очередь, вело к увеличению испарения и росту массы водяного пара в атмосфере. В такой разогревающейся атмосфере жидкая гидросфера быстро испарилась, а масса углекислого газа продолжала нарастать, усиливая разогревание.

На Земле баланс тепла и интенсивность дегазации оказались иными, чем на соседних планетах. В этом существенную роль сыграли и ее оптимальная удаленность от Солнца, и особенности дегазации недр, и размеры планеты, и даже появление жизни уже на самом раннем этапе эволюции, так как живые организмы вместе с жидкой гидросферой оказались теми «насосами», которые интенсивно откачивали из атмосферы углекислый газ, связывая его с другими элементами и переводя в форму отложений.

Гидросфера, по-видимому, сильно повлияла на уход Земли с марсианского пути развития, т. е. разгоняющегося похолодания. При тонкой первичной атмосфере Земли, когда климат был суровым, уже возникшая гидросфера могла гасить избыток холода путем перекачки части воды на полюса в виде льда. Этот механизм стока холода на полюса действовал до тех пор, пока масса атмосферы не выросла в достаточной степени и в ней не накопились газы, обеспечивающие потепление за счет тепличного эффекта. Такими газами были в первую очередь углекислый газ и водяной пар.

Резкое потепление, как это имело место на Венере за счет чрезмерного роста тепличного эффекта, вначале, по-видимому, гасилось путем стока тепла на полюса, где оно затрачивалось на таяние ледниковых покровов, пополнявших первичную жидкую гидросферу. К тому времени в ней появилась жизнь и вместе с геохимическим начал действовать биохимический механизм изъятия углекислого газа из атмосферы и перевода его в осадочные толщи гидросферы.

На начальном этапе развития Земля, таким образом, балансировала между марсианским и венерианским путями эволюции гидросферы, но, не в последнюю очередь благодаря самой гидросфере, избрала свой собственный, земной путь. Гидросфера и в последующем неоднократно выполняла защитные функции, гася или смягчая теплые и холодные импульсы, воздействовавшие на нашу планету.

Непрерывная дегазация создавала условия для постоянного пополнения гидросферы новыми порциями воды, хотя процесс этот шел неравномерно. По модели О. Г. Сорохтина, в самом начале, в период «белого пятна времени», рост массы гидросферы за счет ювенильных вод шел медленно. Затем в течение примерно 1 млрд. лет масса гидросферы нарастала довольно быстро. В период от 1,5 до 2 млрд. лет назад она стабилизировалась. В это время океан затопил срединно-океанические хребты и часть воды была затрачена на серпентинизацию нижнего слоя океанической коры, в результате чего вода, пополнявшая гидросферу, оказалась химически связанной оливином вместе с углекислым газом.

После преобразования океанической коры вновь наступил период роста массы океана. Примерно 1 млрд. лет назад она приблизилась к современной и темпы роста ее сильно замедлились. Процесс изменения массы гидросферы за счет дегазации тесно связан с эволюцией недр Земли и определяется (по О. Г. Сорохтину) скоростью роста плотного ядра планеты за счет сепарации на нем соединений железа. Академик В. И. Вернадский, обладавший удивительной научной интуицией, считал, что масса воды на Земле в течение ее эволюции была более или менее постоянной. Правда, он опирался на данные примерно за последний миллиард лет. А. П. Виноградов считал, что основная масса воды образовалась на древней стадии развития нашей планеты. Если учесть воду, возникшую на первом этапе развития гидросферы из кометоподобных кирпичиков, слагавших пра-Землю, то на кривой О. Г. Сорохтина точкой начального отсчета не должен быть ноль. Далеко не вся поступающая из недр Земли вода остается в составе гидросферы. Часть ее, как уже было сказано, затрачивается на серпентинизацию вновь образующихся порций океанической коры. Часть воды гидросферы вместе с осадочными толщами, накопившимися на ложе океана, погружается снова в недра Земли в упоминавшихся выше зонах поддвига (субдукции). Зоны субдукции на карте рельефа поверхности Земли выглядят как глубоководные океанические желоба, приуроченные к островным дугам или к континентальным окраинам с высокими хребтами.

Их протяженность примерно равняется протяженности рифтовых долин. Зоны субдукции характеризуются сейсмическими и вулканическими явлениями — это внешние отголоски сложных процессов поддвига тяжелых океанических плит под более легкие континентальные, процессов переплавки части вещества океанической коры, континентальной коры и отложенных в океане наносов. В этих процессах вода играет исключительно важную роль, так как водонасыщенные силикатные породы плавятся при значитель но более низкой температуре, чем сухие, — порядка 700 °С вместо выше 1000 °С, в результате чего идет наращивание более легкой континентальной коры.

В ходе сложных геохимических процессов в зонах субдукции часть воды возвращается в земные глубины, часть остается связанной в континентальной коре, а часть поднимается и вытесняется в выше лежащие слои, выбрасывается вулканами, образует термальные или минеральные источники. Идет процесс геологического круговорота воды: ювенильные воды пополняют гидросферу, воды гидросферы погружаются в недра Земли в зонах субдукции, где они частично снова связываются расплавами, а частично пополняют гидросферу — ее подземную и поверхностную составляющие. В целом баланс прихода и расхода воды на поверхности нашей планеты за счет геологического круговорота остается положительным и масса гидросферы непрерывно возрастает. Рост массы гидросферы характерен для ее эволюции.

Вместе с гидросферой росли и континенты. Соотношение между их площадями определялось скоростью роста их массы. Не следует только отождествлять понятие «континент» с понятием «суша», так как на первых этапах эволюции Земли гидросфера в виде Мирового океана не бы ла столь обширной, как сейчас, так же как и континенты только еще начинали создаваться. Пространство между первичной гидросферой и первичными континентами было сушей на океанической коре. Со временем, когда гидросфера заняла океаническую кору, что, видимо, совпало на кривой О. Г. Сорохтина с моментом затопления срединно-океанических хребтов, дальнейшее наращивание массы океана сопровождалось увеличением его средней глубины. Эта схема не противоречит хорошо выясненным планетарным наступаниям (трансгрессиям) и отступаниям (регрессиям) Мирового океана, так как на нее накладывались еще и другие механизмы.

Читайте также:  Перевод категории земли белгородская область

Сейчас достоверно установлены две причины планетарных трансгрессий и регрессий Мирового океана. Одна из них — увеличение скорости раздвижения литосферных плит и, следовательно, приращения объема срединно-океанических хребтов, которые при быстром раздвижении плит расширяются за счет того, что вновь наращиваемые большие массы молодой океанической коры не успевают остыть и сжаться. Это вытекает из самых простых физических соображений. В результате океан мелеет и вода вытес няется (при том же ее объеме) на сушу. Уровень океана по отношению к прежнему в таких случаях может подниматься на несколько сотен метров, что приводит к затоплению до нескольких десятков процентов площади суши. Подобные трансгрессии хорошо известны и изучены по геологическим данным. Когда скорость раздвижения литосферных плит падает, вновь образующаяся океаническая кора успевает остыть на меньшем удалении от рифтовой долины, в результате чего объем срединно-океанического хребта уменьшается, океан углубляется и вода отступает с ранее затопленной суши.

Другая причина трансгрессий и регрессий — это возникновение и разрушение гигантских ледниковых покровов, в которые при похолодании перекачиваются большие массы жидкой воды. Такие покровы возникали и исчезали на нашей планете, при этом уровень океана менялся тоже на сотни метров. Сейчас мы живем в период очередной глобальной регрессии Мирового океана, когда часть бывшей жидкой воды гидросферы сосредоточена в виде ледников вокруг полюсов Земли и на горах. Их полное растопление могло бы поднять уровень океана почти на 70 м. А совсем недавно, 10 тыс. лет назад, ледниковый покров занимал значительно большую площадь и уровень океана был на 100-200 м ниже.

Оба типа трансгрессий и регрессий имеют характерную продолжительность в десятки и сотни миллионов лет. На фоне таких продолжительных изменений уровня и площади Мирового океана возникают более короткие — длительностью в миллионы, сотни тысяч и десятки тысяч лет, также обусловленные движениями земной коры и колебаниями ледниковых покровов того же временного масштаба. Таким образом, площадь и конфигурация гидросферы Земли непрерывно менялись.

Перемещение литосферных плит вместе с континентами также коренным образом меняло конфигурацию гидросферы на планете. Имеется достаточно много геологических, палеонтологических и геофизических данных, которые свидетельствуют о существовании 150 млн. лет назад единого материка — Пангеи, единого океана Панталасса с единым главным речным водоразделом на континенте. Сейчас Мировой океан разбит континентами на три сегмента, а каждый континент имеет свой речной водораздел. В прошлом Мировой океан не раз оказывался то объединенным, то разбитым на части.

Появившаяся на Земле жидкая вода вызвала такое важное явление, как круговорот воды, когда под воздействием солнечного тепла она нагревается и испаряется с поверхности водоемов. Переносимые воздушными течениями пары воды затем конденсируются и проливаются в виде дождя и снега на сушу и поверхность водоемов. Круговорот — это естественный процесс воспроизводства пресной воды, естественная фабрика дистилляции. Выпадая на суше, пресная вода стекает по склонам под действием силы тяжести, образует водные потоки и пресные водоемы, фильтруется в грунт, питая подземные воды. При этом вместе с ветром, Солнцем и живыми организмами она участвует в разрушении горных пород суши, т. е. в ее эрозии. Часть продуктов эрозии вода растворяет и по мере движения по поверхности, а также просачивания в толщу земной коры насыщается растворами веществ. Однако речная вода не успевает сильно обогатиться ими, так как быстро достигает океана или какого-нибудь другого конечного водоема.

В результате круговорота воды гидросфера стала планетарной транспортной системой, которая перемещает продукты эрозии с более высоких на более низкие уровни, например от вершин к подножью склонов, а в конечном итоге с суши в океан и другие водоемы. Вместе с нерастворимыми продуктами эрозии вода переносит растворенные вещества и органику.

Гидросфера служит также планетарным аккумулятором неорганического и органического вещества, которое приносится в океан и другие водоемы реками, атмосферными потоками, а также образуется в самих водоемах. С транспортной и аккумулирующей ролью гидросферы связано содержание в ней в виде растворов в форме катионов (положительно заряженных) и анионов (отрицательно заряженных) разнообразных веществ и элементов, а также на копление в донных отложениях нерастворимых веществ.

Гидросфера, по-видимому, начала формироваться при значительном насыщении ее растворенными веществами, которые содержались в первичных кометных и ювенильных водах. Таким образом, первозданная вода была насыщена растворенным веществом, а пресная вода — это лишь небольшой объем огромной массы соленой воды, участвующей в круговороте; маленький ручеек планетарной гидросферы, завершающей работы по усвоению ею солнечной энергии, своего рода отходы этого процесса.

На первых этапах в ней преобладали продукты дегазации недр и гидросфера имела восстановительный характер. Но за многие миллиарды лет транспортная система гидросферы вынесла с суши в океан на каждый килограммводы почти 0,6 кг разрушенных горных пород. В результате, как отметил академик А. П. Виноградов, все анионы морской воды возникли (и продолжают пополняться в рифтовых зонах) из продуктов дегазации недр, а катионы — из разрушенных горных пород. В поверхностных водах суши с коротким периодом жизни катионы и анионы представляют продукты разрушения горных пород, слагающих территорию, с которой стекает вода. В подземных водах они образуют сложный комплекс, который связан с вмещающими их горными породами, историей формирования подземного водного бассейна и временем его существования.

Гидросфера всегда содержала не только взвеси и растворы твердых веществ, но и растворы газов, так как она хорошо растворяет многие из них. В гидросфере формируется своя собственная атмосфера, которая обычно так или иначе связана с атмосферой Земли, с источниками газа в самой гидросфере (обычно билогическими) и дегазацией недр. На первых этапах своего развития гидросфера, как и атмосфера, содержала очень мало кислорода или он даже полностью отсутствовал. Но по мере развития жизни, которая первоначально существовала в основном в гидросфере, последняя стала обогащаться кислородом, мощным источником которого были как раз живые организмы. Высказывается гипотеза и о дегазации кислорода вместе с другими газами из недр планеты. Океаническая газовая «атмосфера» довольно сильно отличается и отличалась в прошлом от атмосферы Земли, так как растворимость газов неодинакова и в гидросфере есть свои источники и потребители газов. Это различие состоит не только в массе и составе газов, но и в их более пестром изменении по территории и глубине. Современное содержание растворенных твердых веществ и газов в гидросфере — это результат ее длительной эволюции, при которой на каждом этапе развития устанавливалось то или иное их равновесие.

В водоемах, как первичных, так и современных, в силу разного нагрева воды по акватории, изменений солености и плотности, воздействия атмосферных явлений и приливных сил Луны и Солнца возникают движения частиц воды, которые выражаются в образовании поверхностных и внутренних волн разной длины и амплитуды, формировании поверхностных и глубинных течений, подъемов и опусканий водных масс, расслоении толщи воды, а также в возникновении динамических структур типа вихрей. Гидросфера, таким образом, оказывается исключительно подвижной средой с широким спектром скоростей движения частиц: от десятых миллиметра до десятков метров в секунду. Наиболее динамична гидросфера на границе с атмосферой, а с глубиной скорости движения частиц воды падают. Поэтому верхний слой воды в океане толщиной до 100 м часто называют слоем перемешивания.

Сама гидросфера и ее составные части, круговорот воды, динамические явления в гидросфере прошли длинный путь эволюции. Они неоднократно менялись по массе, соотношению жидкой и твердой части, вовлекаемым в кругооборот и движение массам воды, скоростям и расстояниям переноса этих масс, по заключенным в них энергии, растворенным газам, твердым веществам и органике, взвесям. Эти изменения записаны в геологической летописи — слоях пород, сформировавшихся и формирующихся сейчас в водоемах, — которая пока еще далеко не полностью расшифрована. Эволюцию гидросферы изучает палеогидрология, недавно возникший раздел гидрологии.

Изучение эволюции гидросферы приводит ко многим парадоксам. Так, Мировой океан намного старше своего ложа. На протяжении всей истории существования нашей планеты шел перелив морских вод из исчезавших, или, как пишут в научной литературе, «захлопывавшихся», океанов во вновь возникавшие. Но и в новых океанах движущаяся подобно конвейеру океаническая кора в целом была моложе океана. Действительно, многочисленные геологические и геофизические исследования во всех океанах планеты показали, что нигде ложе океана не имеет возраста более 150 млн. лет, а обычно намного моложе.

Насколько стабилен океан в целом как природное явление, настолько изменчива гидросфера поверхности суши, которая, как правило, намного моложе горных пород. Например, всего 10 тыс. лет назад на территории Советского Союза у края огромного ледникового покрова существовали огромные пресноводные бассейны, nqnaemmn крупные в Западной Сибири. Из этих водоемов сток шел на юг, так как путь на север преграждал ледник. Вода текла через Тургайскую долину в Арал, который был существенно больше, а из Арала — в крупный Хвалынский бассейн на месте нынешнего Каспия, уровень воды в котором был почти на 50 м выше современного. Через Маныч воды Хвалынского бассейна стекали тогда в значительно меньшее по размеру Черное море.

Анализ спутниковых данных показал, что около 2 млн. лет назад Северную Африку с востока на запад пересекала крупная река длиной более 4500 км, которую назвали «Африканская Амазонка». Она начиналась в горах у Красного моря и впадала в Атлантический океан. Но тектонические процессы изменили лик этой части Африки и возникший в их ходе Нил перехватил часть воды Африканской Амазонки.

За время эволюции нашей планеты большие изменения претерпевала ледниковая часть гидросферы. На Земле были такие длительные периоды, когда этой части гидросферы вообще не было. Мы живем в один из ледниковых периодов, когда твердая часть гидросферы занимает значительную площадь на земном шаре. В ледниковые периоды твердая часть гидросферы испытывает сильные колебания своих размеров в масштабах десятков и сотен тысяч лет. Колебания ледников отмечаются и в небольших временных масштабах — десятки и сотни лет.

Читайте также:  Классификация органов управления землями

Еще древний философ сказал, что нельзя дважды войти в одну и ту же реку. Это образное выражение относится к любой, а не только речной воде, так как в любой точке жидкой гидросферы практически каждое мгновение частицы воды обновляются. Поэтому, когда говорится об изменении гидросферы, то имеется в виду изменение ее границ: ложа, берегов, водной поверхности и т. п. Но обновление воды в гидросфере идет не только за счет обмена местами частиц воды. На Земле в результате эволюции сформи ровалась система своеобразных «фильтров», через которые вся вода гидросферы многократно прогоняется, через одни быстрее, а через другие медленнее.

Одним из таких фильтров служит сама земная кора. В зонах поддвига (субдукции) часть воды гидросферы вместе с океанической корой уходит под континентальную и, профильтровавшись сквозь нее, снова включается в гидросферу. Другой фильтр — это атмосфера, куда вода поступает в виде пара, а оттуда снова поступает в гидросферу в виде осадков. Есть и такой фильтр, как биосфера, который пропускает очень большое количество воды гидросферы через весь комплекс живых организмов Земли. Об этих «фильтрах» будет сказано ниже, а здесь можно отметить, что человек создал искусственный «фильтр» для воды гидросферы — сложную хозяйственную систему, которая просто не может существовать без непрерывного движения воды через нее.

Изложенные представления о происхождении и эволюции гидросферы сложились в основном в последние десятилетия в связи с появлением и углублением представлений новой глобальной тектоники, или неомобилизма. Сейчас это наиболее разработанная теория, объясняющая многие стороны эволюции нашей планеты, твердо опирающаяся на физические законы и в основном непротиворечивая. Конечно, она объясняет еще не все, есть еще много деталей, требующих уточнения, есть и гипотетические предположения, но и начало разработке этой теории было положено лишь в середине нашего века, а толчком к этому послужили как раз широкие исследования в гидросфере, в ее крупнейшей части — Мировом океане, что дало большой фактический геофизический и геологический материал. Но путь к новым представлениям был долог.

Самые древние предания и представления о происхождении океана и суши в чем-то перекликаются с положениями новой глобальной тектоники о том, что первичными были океаническая кора и океан, а только потом возникла суша, которую следует отождествлять с континентальной корой. Так, вавилоняне считали, что суша поднялась из вод океана и представляет собой гору, окруженную со всех сторон водой. Индийский эпос говорит о первоначальном существовании водного пространства, из которого поднялся цветок лотоса, чьи лепестки образовали различные части света.

Греческий философ Фалес (начало VII в. — конец VI в. до н. э.) считал, что вода — первооснова всего, а Земля в виде плоского круга плавает на волнах безграничного океана. Мифы Древней Греции, рассказывая о строении Земли и о подземном царстве, не раз упоминают, что Земля окружена со всех сторон рекой, называемой Океан.

Однако уже в античное время появились представления об ограниченности океана, согласно которым океан считался замкнутым бассейном, окруженным со всех сторон сушей, что соответствовало знаниям об известном тогда мире — окружении Средиземного моря. В это же время появляются идеи об изменчивости океана и континентов, нашедшие выражение в преданиях и гибели Атлантиды и о потопах.

Накопление данных о строении поверхности планеты началось со времени Великих географических открытий. Пришедшие из древности представления об ограниченности поверхности океана по сравнению с площадью поверхности суши быстро меняются, океан предстает перед человечеством во всей своей грандиозности. На основе собранных данных первую научную гипотезу о происхождении гидросферы высказывает французский энциклопедист Рене Декарт. Земля, утверждал он в своей работе, вышедшей в 1644 г., состоит из нескольких оболочек — огненного ядра, затем зоны обломков с большими пустотами, в которых скапливается соленая и пресная вода, далее водная оболочка, а над ней поверхностная оболочка из камня, глины, песка и грязи. Там, где поверхностная оболочка обрушилась в водную, образовались океаны. Уже в этой гипотезе происхождение и развитие гидросферы связывалось с происхождением, развитием и строением нашей планеты,и она рассматривалась как единая оболочка Земли.

Похожие идеи высказывал немецкий философ Г. Лейбниц, который считал, что земная кора — это шлак ее раскаленных недр. В прошлом он вздувался в виде пузырей, которые затем обрушились в пустоты, и на этих местах обрушения возникли океаны из сгустившихся паров ранее раскаленной атмосферы. Вода растворила соли из пепла и стала соленой. Таким образом, высказывались идеи первичности континентов и вторичности океана.

Голландский географ Б. Варрениус и немецкий иезуит А. Кирхер придерживались другой точки зрения. Они считали, что первоначально океан покрывал всю Землю, но постепенно его уровень падал и появилась суша. Вода частично уходила в подземные пустоты. Интересно, что в это же время аббат Ф. Пласе утверждал, что «до потопа» Америка была соединена со Старым светом. Идея первичности океана порождалась многими свидетельствами более высокого стояния его уровня в прошлом, которые обнаруживались на суше в разных уголках Земли.

С начала XVIII в. доминирует идея о первичности океана, хорошо согласующаяся с догматами Священного писания, согласно которому в третий день творения мира всю Землю покрывала вода. Французский естествоиспытатель Ж. Бюффон в своих работах также придерживался гипотезы первичности океана. Правда, «потоп» он не комментировал, считая его «чудом» и не связывая его с первичным океаном. Приверженцы такого варианта развития гидросферы объясняли понижение уровня океана и появление суши стеканием части воды во все те же подземные пустоты. Значительно позднее для объяснения появления суши стали привлекаться вулканические извержения и землетрясения. Эту идею выдвигал М. В. Ломоносов, который также придерживался гипотезы первичности океана. В XIX в. на основе большого фактического географического и геологического материала Ж. Кювье и Ч. Лайель, исходя из первичности океана, который образовался из горячей и затем охладившейся атмосферы, выдвинули гипотезы катастрофизма и эволюционизма, которые разным образом объясняли развитие лика нашей планеты. Но они оба отмечали, что в ходе изменения лика планеты вода никуда не исчезала и не проваливалась в подземные пустоты. Происходило вертикальное поднятие участков земной коры, которые и стали континентами, а между ними скапливалась вода, образуя океаны. А. Гумбольдт развил эту идею, высказав предположение о том, что вулканизм является основой всего развития, а земная кора есть система малых, средних, больших и гигантских кратеров. В последних располагаются океаны и моря.

Появляются и гипотезы, утверждающие первичность континентов. Высказывается идея контракционного происхождения материков и океанов, согласно которой сжимающаяся в результате остывания Земли кора сначала образует материки и горы, а затем продолжающееся сжатие внутренних слоев и охлаждение ядра приводят к образованию углублений и провалов на ее поверхности и расширению за счет них океанов. Такие идеи высказывал, в частности, русский ученый Э. И. Эйхвальд. Как следствие сжатия коры появляются и горизонтальные движения, которые сминают ее, образуя складчатые системы. В дальнейшем положения контракционной гипотезы были дополнены идеями о разной плотности участков земной коры, которые в результате или опускаются, или поднимаются. Параллельно высказывается гипотеза о расширении Земли, в результате которого некогда единая суша разорвалась, а между разошедшимися участками коры возникли океанические впадины, заполнившиеся водой.

Конец XIX — первая половина XX в. были периодом накопления огромного количества географического и геологического материала обо всех оболочках Земли, периодом попыток его обобщения и осмысления. В результате было высказано много новых идей и гипотез о происхождении и строении Земли, происхождении и эволюции оболочек нашей планеты. Высказывались разнообразные взгляды на ход эволюции лика планеты. Важным шагом стал переход от представления о первоначально горячей Земле (что не подтверждалось геологическими фактами) к первоначально холодной Земле. И все же доминирующей оставалась идея вертикальных движений, независимо от того, сжималась, расширялась или пульсировала (то сжималась, то расширялась) Земля, как считали отдельные авторы гипотез. При этом материки на поверхности планеты оставались на своих местах, и поэтому подобные гипотезы стали называть «фиксистскими».

Гипотеза вертикальных движений поддерживала идею вторичности гидросферы в виде предположения об «океанизации» Земли. Сторонники этой гипотезы считали, что общая направленность развития земной коры — это углубление и расширение океанов за счет материков. При этом полагалось, что все океаны образовались сравнительно недавно вследствие крупных опусканий участков суши, сопровождавшихся излияниями базальтов (вспомните парадокс «молодости» океанической коры, о котором говорилось выше), которые и выделили необходимую для заполнения провалов воду.

Нет сомнения в том, что фиксистские гипотезы, созданные на их основе построения сыграли положительную роль в формировании теории новой глобальной тектоники, которая позволила открыть многие тупики, возникшие в рамках фиксизма. Но еще большую роль в становлении неомобилизма сыграл огромный геофизический и геологический материал, собранный начиная с середины нашего века при исследовании Мирового океана. Особенно важными оказались изучение рельефа дна океана и выявление системы срединно-океанических хребтов и глубоководных желобов, данные бурения морского дна и определения возраста земной коры, сведения о намагниченности горных пород, слагающих дно, спуски на подводных аппаратах в рифтовые долины, изучение глобального распределения очагов землетрясений, гравиметрические профили в районах глубоководных желобов и определения потока тепла из недр Земли (геотермального потока). Обобщение этих данных привело к выводу о том, что возникновение земной коры и ее разделение на две основные структуры — океаническую и континентальную, возникновение гидросферы и атмосферы, появление биосферы были одновременными или почти одновременными актами, происшедшими не позднее 4 млрд. лет назад. С тех пор эволюция оболочек нашей планеты, в том числе и гидросферы, идет примерно по таким же законам, что и в наше время. А законы эти и проще, и в то же время сложнее, чем фиксистские положения, а главное, они соответствуют законам физики.

Источник