Джерела енергії географічної оболонки

І. Вступ

Географічна оболонка землі – це головний предмет вивчення загального землезнавства. В нашій роботі ми детально розглянемо одну з особливостей географічної оболонки, а саме – здатність сприймати і трансформувати енергію, яка головним чином надходить від сонця, а також із земних надер.

ІІ. Географічна оболонка та її межі

Географічна оболонка – це взаємодіюча парадинамічна система земної кори, повітряної тропосфери, гідросфери і біоструму Землі.

Особливість географічної оболонки, її унікальність полягає в тому, що речовина представлена в ній не одним і двома, а трьома агрегатними станами. З точки зору агрегатного стану речовини вона представляє не єдину, а триєдину оболонку. Спостерігається це в зоні дотикання, взаємопроникнення і взаємодії одна з одною літосфери, атмосфери і гідросфери.

Саме тут, в ядрі географічної оболонки, в зоні активної взаємодії літосфери, гідросфери й атмосфери, зародилось органічне життя, присутність якого – друга унікальна особливість не тільки однієї з оболонок, але і Землі як планети в цілому. Органічне життя в його різних проявах притаманна всій гідросфері, поширюється на декілька кілометрів в глиб літосфери, розноситься потоками повітря по тропосфері. Зона органічного життя утворює одну із специфічних оболонок Землі – біосферу. Тонний горизонт її з найбільшою концентрацією живої речовини на поверхні суші, океану, океанічного дна має назву біостром.

Яка ж потужність, верхня і нижня границі географічної оболонки? Відомо, що потужність її вимірюється меншою мірою, десятками кілометрів. Єдиного твердження на рахунок її границь немає, як і не існує чітко визначених меж взаємопроникнених одна в одну літосфери, атмосфери і гідросфери.

А.А. Григорьєв (1960, 1963) верхню межу географічної визначає в стратосфері на висоті 20-25 км, нижче шару максимальної концентрації озону.

Нижче цього шару спостерігається рух повітря, пов'язаний і взаємодією атмосфери з сушею та океаном; вище рухи атмосфери цього характеру не відбуваються. Нижня границя на його думку, проходить вверху підкірного шару, трохи нижче сейсмічної поверхні Мохоровича. На материках нижня границя географічної оболонки проходить на глибині 30-40 км від денної поверхні, знищуючись під гірськими системами до глибини 70-80 км. Значно ближче до поверхні лежить нижня межа ГО під океанами – всього 5-8 км нижче дна в районах великих глибин.

Таким чином, потужність географічної оболонки за А.А. Григорьєвим, складає 50-100 км на материках і 35-45 км на океанах.

С.В. Колесник (1970) розумів ГО більш вузько. Переміщаючи її верхню межу в атмосфері на 25-30 км, він обмежував нижню границю в літосфері зоною гіпергенезу, яка охоплює її самий верхній шар (до глибини 500-800м). в цій зоні глибинна мінеральна речовина земної кори піддається переробці під дією різних екзогенних процесів.

А.Г. Ісаченко (1953) в ГО включає повітряну тропосферу, гідросферу і верхню товщину (до 5-6 км глибини) літосфери, де осадові породи зберігають характерні риси.

ІІІ. Джерела енергії географічної оболонки

Географічна оболонка є трансформатором енергії, що надходить до неї з надр і космосу (від Сонця); перший вид енергії називають ендогенною, другий — екзогенною енергією.

До ендогенної (внутріземної) енергії належать ті види енергії, що пов'язані з процесами всередині Землі, а також її гравітаційною взаємодією з Місяцем і Сонцем.

Енергія земних надр надходить у географічну оболонку в двох формах: у вигляді тепла (тепловий потік) і механічних переміщень речовини.

Тепловий потік у середньому в 10⁵ разів менший за потік елект­ромагнітної сонячної енергії, становить усього 0,06 Дж/(м²×с), тобто він менший навіть за похибку потоку сонячної енергії.

Тепловий потік дуже контрастно диференційований на земній поверхні залежно від тектонічної структури, віку й сучасної актив­ності земної кори. Найбільші значення теплового потоку спостері­гаються в зонах серединних океанічних хребтів, насамперед у межах рифтових зон, оскільки там речовина мантії піднімається безпосередньо до поверхні літосфери. Тепловий потік у сейсмо­активних та вулканічних районах високий. Навпаки, в тектонічно спокійних регіонах, зокрема на давніх платформах, тепловий потік істотно нижчий від його середнього значення.

Тепловий потік є одним із джерел тектонічних рухів. За однією з гіпотез (глобальна тектоніка плит), нерівномірність розігрівання речовини мантії на межі з ядром спричиняє в мантії конвенцію. Висхідні потоки конвенції механічно захоплюють літосферні плити, перемішуючи одну відносно одної. Частина енергії витрачається на вертикальні пересування земної кори, що, в свою чергу, приводить у дію екзогенну (тобто зовнішню відносно поверхні) енергію поверхневого стоку.

Ендогенна енергія пов'язана з кількома порівняно рівнозначни­ми джерелами, насамперед: розпадом радіоактивних елементів; гра­вітаційним стисненням та ущільненням речовини земних надр; припливним тертям, зумовленим взаємодією Землі з Місяцем і Сонцем.

Значення припливного тертя зростає з глибини до земної по­верхні, отже, цим можна пояснити тільки деяку частину поверхневого теплового потоку. Нарешті, певна частина ендогенної енер­гії — не перетворена сонячна енергія, запасена в так званих геохі­мічних акумуляторах, наприклад, горючих корисних копалинах, а також деяких гірських породах абіогенного походження. В. М. Ле­бедев і М. А. Белов вважають, що глинисті мінерали, нагромаджу­ючи енергію в умовах земної поверхні, виділяють її потім у процесі метаморфізації в надрах.

Частина сонячної енергії запасена в розсолах, законсервованих у земній корі (оскільки розчинення солі у воді є реакцією ендотер­мічною).

Оцінки кількості цих джерел енергії стосуються тільки ниніш­нього часу. Вважають, що в геологічному минулому було набагато більше радіоактивної і припливної енергії, оскільки на ранніх ста­діях розвитку Землі було більше радіоактивних елементів, а Місяць розміщувався ближче до Землі.

Зазначимо, що ефективність енергетичного потоку суттєво зале­жить від форми надходження енергії: в концентрованому чи розсі­яному вигляді, до нижньої чи верхньої межі геосфери тощо. При­наймні, незважаючи на наведені суттєві відмінності екзогенної та ендогенної енергії, їхня роль у географічній оболонці порівнянна.

Всю енергію, що надходить до Землі з Космосу, називають ек­зогенною, на 97 % це електромагнітне випромінення Сонця — со­нячна радіація.

Водночас в географічну оболонку надходить радіохвильове випромінення (від Сонця і з Космосу).

Корпускулярний потік з a- і b-частинок (протонів та електро­нів) — сонячний і космічний вітер — майже повністю поглинаєть­ся магнітосферою та верхніми шарами атмосфери. Його мінли­вість, зумовлена пульсаціями сонячної активності, спричиняє збу­рення геомагнітного поля, що впливає на біологічні процеси та стан здоров'я людей.

Уже багато десятиріч намагаються з'ясувати, наскільки вплива­ють корпускулярні потоки на атмосферну циркуляцію. Супереч­ність цього питання полягає передусім у невеликій масі цих части­нок і низькій сумарній їхній енергії (хоча кожна з частинок має високу енергію). Можливо, цей вплив має сигнальний характер, тобто виконує роль «пускового гачка» енергетичне потужного про­цесу.

Сонячна стала. Через малу мінливість інтенсивності сонячної енергії, яка надходить на верхню межу атмосфери, її потік, обчислений на 1 см² за хвилину, називають сонячною сталою. Вона до­рівнює 1382 Дж/(м²×с), або 1382 Вт/м². Оскільки Земля має куляс­ту форму, лише 1/4 частина цього потоку припадає в середньому на одиницю площі сфери (оскільки сонячна стала обчислена на одиницю площі поперечного перерізу сфери), тобто в середньому 345,5 Дж/(м²×с).

Рис. 1. Етектромагнітні спек­три Сонця та Землі:

1 — випромінення абсолютно чорного тіла при Т=5700°С; 2, 3 — відповідно пряма та розсіяна радіація на поверхні Землі: 4 — сонячна радіація за межами земної атмосфери; 5 — вибіркове про­пускання атмосферою випромінення Землі; 6 — розрахункове випромінення земної поверхні при Т = 21°С