close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Gorohov Geoekologija

код для вставкиСкачать
В. Л. ГОРОХОВ,
В. В. ЦАПЛИН,
С. Н. САВИН
ГЕОЭКОЛОГИЯ
И НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
В. Л. ГОРОХОВ, В. В. ЦАПЛИН, С. Н. САВИН
ГЕОЭКОЛОГИЯ
И НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2018
УДК 502:519.2
Рецензенты: канд. техн. наук Е. Э. Вуглинская (СПбГАСУ);
д-р техн. наук, профессор В. С. Беляев (ОАО «Центр динамического анализа конструкций»)
Горохов, В. Л.
Геоэкология и науки о Земле: учеб. пособие / В. Л. Горохов, В. В. Цаплин, С. Н. Савин; СПбГАСУ. – СПб., 2018. – 79 с.
ISBN 978-5-9227-0816-6
Содержит краткое изложение основ наук о Земле применительно к проблемам безопасности жизнедеятельности, безопасности в техносфере, промышленной экологии, управления и мониторинга техногенных рисков.
Предназначено для магистров по направлению подготовки 280700 «Техносферная безопасность» (магистерская программа «Управление безопасным
развитием техносферы») и для всех студентов, изучающих курс БЖД.
Ил. 25. Табл. 2. Библиогр.: 4 назв.
Рекомендовано Учебно-методическим советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия.
ISBN 978-5-9227-0816-6
© В. Л. Горохов, В. В. Цаплин, С. Н. Савин, 2018
© Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2018
ВВЕДЕНИЕ
Краткое изложение основных понятий и ключевых характеристик (переменных), составляющих описание биосферы и техносферы, необходимо для будущих специалистов в области техносферной
безопасности, безопасности жизнедеятельности, управления техногенными рисками и охраны труда в строительстве как для объективного принятия проектных решений, так и для грамотного
системного анализа и моделирования техносферных процессов.
Такое моделирование предполагает осознанное задание множества
параметров (переменных), описывающих техносферу и биосферу в рамках многомерных моделей процессов [1–4]. Эти параметры описывают ключевые характеристики природно-технических
систем и структуры лито-, гидро- и атмосферы. Перечисленные
компоненты геосферы изучаются науками о Земле (геологией, метеорологией, океанологией), знание которых необходимо для специалистов по техносферной безопасности.
Например, в геофизике, географии, геоэкологии и техносферной
безопасности физико-географическая сфера SFG может быть представлена пятью основными элементами SFG = {a1, a2, a3, …, a5} –
атмосферой, гидросферой, литосферой, почвой и биосферой.
Структура каждой сферы в современном системном подходе задается матрицами структуры и матрицами отношений в этой сфере.
Аналогичным образом физико-географическая сфера может быть
представлена матрицами состояний, описывающих поведение элементов как сложных систем. Отношения между элементами разных
сфер тоже можно задавать соответствующими матрицами, которые
описывают многомерные данные. В свою очередь, учитывая иерархическую структуру сложных систем, можно для примера описать
структуру гидросферы, которая может быть задана своими наборами матриц: a2 = {g1, g2, …, g9}. Здесь могут быть представлены оболочки океанов и морей, стоковые оболочки, воды бессточных озер,
5
Введение
вода в атмосфере, воды ледников, воды мерзлых пород, подземные
воды затрудненного водообмена, воды, связанные с минералами
литосферы, воды биосферы.
Современные системные модели позволяют осуществлять количественное и качественное описание гео- и техносферы на основе многомерного статистического анализа c использованием
программы SPSS. Учет временной составляющей процессов возможен за счет математического моделирования динамики процессов
с использованием пакета MATLAB. Учет пространственной компоненты и геосферы в настоящее время решается за счет средств
и алгоритмов геоинформационных систем типа ArcGIS.
Таким образом, понимание природы, используемых количественных и качественных параметров, которые описывают биосферу и геосферу на системном уровне, потребовало краткого курса
для обзора основных понятий наук о Земле, включая геоэкологию. Кроме того, пособие содержит ряд кратких тезисов, отражающих основные понятия предмета «науки о Земле». Пояснения этих
тезисов носят подчас афористичный (лаконичный) характер, ибо
в пособии кратко рассматриваются основные понятия, связанные
с естественной историей и эволюцией Земли.
Глава 1. ВСЕЛЕННАЯ И ЗЕМЛЯ
1.1. Место Земли во Вселенной
Вселенная имеет размер 1026–1028 м (это то, что смогли
наблюдать).
Средняя плотность вещества Вселенной составляет 10–29 г/см3.
Если «зачерпнуть» из Вселенной объем 1×1×1 м, то в нем окажется 2–3 атома водорода (вот такая пустота). Единственными силами,
приводящими к образованию неоднородностей в распределении
вещества во Вселенной, являются гравитационные силы (гравитационное поле). Каждый атом водорода имеет гравитационный
заряд, т. е. он может взаимодействовать с гравитационным полем
других атомов и являться источником статического гравитационного поля. При гравитационном взаимодействии друг с другом атомы
будут только притягиваться. Наблюдается гравитационная конденсация вещества.
Возможная картина эволюции звезды
Вследствие гравитационной конденсации происходит случайное возрастание плотности из рассеянного во Вселенной вещества
и формируется богатое водородом газопылевое облако. Под влиянием сил гравитационного взаимодействия это облако уплотняется,
образуя газовый шар (шар имеет наименьшую площадь поверхности при данном объеме, поэтому образование шара из облака неопределенной формы энергетически выгодно). Случайный характер
образования центра конденсации и случайный векторный характер
гравитационного взаимодействия определяют случайный момент
количества движения (шар начинает вращаться).
За счет гравитационных сил этот шар сжимается, скорость вращения и плотность возрастают. Растет и давление внутри шара,
противодействующее силам гравитации. При адиабатическом
6
7
Глава 1. Вселенная и Земля
сжатии (отсутствует возможность обмена энергией с внешней средой) температура шара увеличивается, часть энергии излучается
(в виде электромагнитных волн) в пространство.
В дальнейшем шар под действием гравитационных сил продолжает сжиматься. Его размеры уменьшаются, температура растет.
Чем больше плотность, тем больше температура. Максимальная
плотность и соответственно температура – в ядре шара. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока она не достигнет 15 млн
градусов. В этих условиях скорости атомов водорода и плотности
будут такие, что произойдет слияние ядер. Становится возможной
термоядерная реакция синтеза (из двух атомов водорода получится
один атом гелия). При этом выделяется огромное количество энергии в виде электромагнитных волн и струй элементарных частиц
(нейтрино, нейтронов, электронов и др.). По мере исчерпания водорода в ядерные реакции вступают продукты термоядерных реакций. В результате появляются все элементы таблицы Менделеева.
Таким образом, имеем газовое (газ ионизирован и представляет четвертое состояние вещества – плазму) облако, в центре которого происходит термоядерная реакция синтеза, - это и есть звезда.
В центральной части звезды, где осуществляются термоядерные
реакции, столь высокая плотность вещества, что там могут существовать свободные электроны. Если учесть, что звезда вращается,
то становится понятным и появление магнитных полей. При вращении ядра электроны совершают движение и тем самым порождают магнитное поле. Физическая модель этого явления получила
название динамо-эффекта.
Таким образом, звезда - огромное ионизированное газовое облако высокой плотности, в центре которого происходит термоядерная
реакция синтеза (превращение более легких атомов в более тяжелые). Схематически строение звезды показано на рис. 1.1.
1.1. Место Земли во Вселенной
Ядро
Зона лучистого
переноса
Конвективные
ячейки
Фотосфера
Конвективная
зона
Хромосфера
Рис. 1.1. Схема строения звезды. Геометрические
масштабы не соблюдены для наглядности
Итак, в ядре звезды происходит термоядерная реакция синтеза.
Вращение звезды приводит к появлению ее собственного магнитного поля. Свет из зоны лучистого переноса «выходит» медленно, так как он многократно переизлучается в очень плотном газе.
В следующем уровне газ образует конвективные зоны. В конвективной зоне часть энергии начинает уходить на конвективные движения масс газа. Наличие магнитного поля приводит к тому, что
начинают действовать ускорительные механизмы, которые приводят к направленным радиально выбросам плазмы. Эти механизмы выбросов, так называемые солнечные вспышки, представляют
собой механизмы ускорения заряженных частиц до высоких энергий. При этом активность солнечных вспышек, которые являются
источником частиц высоких энергий, может значительно меняться,
и это явление обозначается как солнечная активность. Эта активность выражается числом Вольфа, и ее кратковременная компонента плохо предсказуема. На масштабах в десятки лет наблюдаются
периодические компоненты. Потоки частиц высоких энергий существенно влияют на планеты данной звездной системы. Эти потоки частиц часто называют солнечными космическими лучами.
Например, для Солнца солнечные вспышки влияют на биосферу
Земли.
Еще дальше от центра звезды плотность вещества совсем мала,
и мы наблюдаем атмосферу звезды. Именно атмосфера Солнца
наблюдается в оптическом диапазоне. Она состоит из фотосферы, хромосферы и короны. Фотосфера звезды дает непрерывный спектр излучения. В ней наблюдаются области, называемые
8
9
Строение звезды
Глава 1. Вселенная и Земля
1.1. Место Земли во Вселенной
солнечными пятнами, которые представляют собой явления, происходящие в конвективной зоне. Они связаны с так называемой
солнечной активностью и выходом потоков частиц высоких энергий. Хромосфера ответственна за появление спектральных линий.
Корона обладает наименьшей плотностью, и в ней наблюдаются
уплотнения плазмы – протуберанцы. Кроме того, корона постоянно создает поток протонов и электронов, которые разлетаются со
скоростями 300–700 км/с и называются солнечный ветер.
Солнечный ветер существенно влияет на планеты земной группы, создавая и пополняя коллектив заряженных частиц высоких
энергий, двигающихся в магнитном поле Земли. Совокупность
этих частиц называется радиационные пояса. Солнечный ветер
и солнечные космические лучи способствуют образованию северных сияний и магнитных бурь и существенно влияют на совокупность природных процессов на Земле.
Солнце достаточно стабильно излучает электромагнитные волны (солнечная радиация). Суммарная мощность солнечного излучения, проходящего через единичную площадку (в единицу времени),
ориентированную перпендикулярно потоку, на среднем расстоянии
от Солнца до Земли носит название солнечная постоянная. Ее можно пересчитать и на расстояние одной астрономической единицы
от Солнца.
В течение значительного времени после начала термоядерной
реакции синтеза звезда находится в стабильном состоянии. Ее излучение поддерживают термоядерные реакции в центральных областях, а размер - противодействие гравитационных сил и сил
внутреннего давления.
Так как количество водорода в центральных областях звезды
ограничено, то рано или поздно (в зависимости от массы звезды)
он практически весь «выгорит». В этом случае температура в центральных областях уменьшится. Уменьшится и давление ионизированного газа, противодействующее силам гравитационного сжатия.
Звезда сжимается, давление в ее центре растет. При сжатии температура центральных областей увеличивается.
То есть звезда представляет собой саморегулирующуюся систему. При этом в центральной области звезды будет уже не только
водород, но и гелий (в который превратился водород при термоядерной реакции). Далее возможны реакции «гелий – углерод»,
«углерод – кислород», «кислород – неон». Когда все эти реакции
исчерпают себя, начнется новый этап эволюции звезды.
Звезда массой до 1,4 массы Солнца, медленно остывая, превращается в «белый карлик» (белый - т. е. очень горячий). Постепенно
остывая, «белый карлик» излучает все меньше и меньше энергии,
светимость падает, гравитационные силы сжимают вещество. Этот
процесс длится сотни миллионов лет.
Если масса звезды достаточно велика, гравитационное поле осуществляет дальнейшее сжатие и в результате происходит разрушение атомов и образование нейтронной звезды. В этом случае опять
наступает равновесие между гравитационными силами и силами
взаимодействия нейтронов (поле сильных взаимодействий). Таким образом, звезды, масса которых составляет от 1,4 до 2,5 массы Солнца, не могут перейти в устойчивое состояние «белого
карлика». После сброса оболочки они катастрофически быстро
сжимаются до размеров порядка 10 км. При этом скорость вращения должна резко возрастать. Эти звезды состоят из «плотно упакованных» нейтронов и называются нейтронными звездами. Они
наблюдаются астрономами как пульсары. Так прекращает свое существование большинство звезд.
Некоторые звезды на определенном этапе своей эволюции взрываются. Взрывы вызваны ядерными реакциями в слоях звезды или
катастрофическим гравитационным сжатием ядерных областей
звезды. В этих случаях говорят о вспышке «сверхновой». Важным
является то, что часть вещества звезды выбрасывается в процессе ее эволюции в космическое пространство, образуя межзвездную
среду, в которой снова начинаются процессы гравитационного сжатия и образования звезд нового поколения.
Если гравитационная масса еще больше, то в настоящее время физиками исследуются либо процессы образования кварковых
звезд, либо (согласно общей теории относительности) процессы
искривления пространства и образования так называемых черных
10
11
Дальнейшая эволюция звезды
Глава 1. Вселенная и Земля
1.2. Планеты и строение Солнечной системы
дыр. Суть образования черных дыр заключается в том, что если
в ядре звезды «выгорел» весь водород и другие продукты термоядерного синтеза, то давление газа в ядре не может уравновесить
гравитационные силы при массе звезды, много большей массы
Солнца. Такая звезда начнет сжиматься с огромной скоростью,
плотность вещества начнет резко расти, образуя сильное гравитационное поле. Через весьма короткое время (секунды!) звезда может превратиться в сверхплотную «точку». Согласно общей теории
относительности (ОТО), в которой гравитационное поле трактуется как искривление пространства, происходит почти замыкание
пространства - гравитационный коллапс. Этот объект получил название «черная дыра».
размеры которых в данном масштабе составляют порядка 25 км.
Всего во Вселенной наблюдается 1010 галактик. Все вышеперечисленные физические величины позволяют представить масштабы
наблюдаемой Вселенной (рис. 1.2).
Масштабы Вселенной
Строение метагалактики
Скопления
галактик
(120 м)
Галактики
(35 см)
Метагалактика
(150 км)
Сверхскопления
галактик (25 км)
Образование звезд во Вселенной создает в ней определенные
структуры. Кратко рассмотрим эти структуры. После образования
звезд и в процессе их образования под влиянием гравитационного
поля формируются структуры под названием галактики. Галактики
состоят из звезд (число звезд 1011) и межзвездной среды. Галактики
имеют достаточно разнообразную и сложную морфологию. Подлинные расстояния между звездами достаточно велики (60 ∙ 1012 км).
Для наглядности: если расстояние в миллион километров заменим
одним миллиметром, то получим звезды размером в 1,5 мм. При
этом средние расстояния между звездами будут равны 65 км. Размеры галактики в этом масштабе составляют 106 км. Однако чтобы представить размеры вселенной в более крупных масштабах,
представим себе размеры орбиты нашей планеты Земля равными
размерам орбиты электрона в атоме водорода – это 10–8 см. В этом
масштабе расстояние между звездами будет равно 0,01 мм, размеры галактики составят 35 см, а расстояния между галактиками – порядка 6 м.
Сами галактики под влиянием гравитационного поля структурируются в скопления галактик. Размеры скоплений в этом масштабе
составляют 120 м. Расстояния между скоплениями имеют подобный размер. Исследования астрономов показывают, что наблюдаются еще более крупные структуры (сверхскопления галактик),
Следует особо отметить, что часть газа и химических элементов,
которые образовались в процессе термоядерных реакций синтеза
и оказались выброшенными из звезды в процессе ее эволюции, снова начинают испытывать гравитационное сжатие и образуют звезды нового поколения. Если их масса невелика, образуются планеты,
малые планеты, астероиды и спутники планет. Их особенность состоит в том, что температура внутренних слоев этих объектов не
достигает температур порядка 15 миллионов градусов и поэтому термоядерные реакции синтеза в них не возникают. Тем не менее, температуры в центральных областях планет могут достигать
десятков тысяч градусов, образуя зоны конвективных процессов,
приводящих к эндогенным явлениям, например вулканизму. Эти
явления приводят к появлению на поверхности планет различных
фазовых оболочек, например газовых оболочек планет – атмосфер.
12
13
Рис. 1.2. Основные пространственные структурные компоненты
метагалактики. Геометрические масштабы не соблюдены для наглядности
1.2. Планеты и строение Солнечной системы
Глава 1. Вселенная и Земля
Меркурий
Венера
Земля
Марс
Юпитер
Сатурн
Уран
Пояс
астероидов
Нептун
Пояс
Койпера
Плутон и другие
малые планеты
Если межзвездная среда состоит из легких химических элементов
(начало таблицы Менделеева), в процессе гравитационного сжатия образуются планеты – так называемые газовые гиганты. Если
межзвездная среда содержит тяжелые химические элементы, образуются планеты земной группы.
Мы наблюдаем восемь планет Солнечной системы и их спутники. Они наблюдаются благодаря отраженному солнечному свету (рис. 1.3).
Солнце
Облако
Оорта
Газовые гиганты
Планеты земной группы
Глава 2. СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ
И ЗЕМНОЙ КОРЫ
2.1. Строение Земли и ее оболочек
Тело Земли имеет концентрическое строение и состоит из ядра
(внутреннего и внешнего) и ряда оболочек, плотность которых
скачкообразно увеличивается от поверхности Земли к ее центру.
Неоднородность недр Земли была обнаружена благодаря звуку,
акустическим колебаниям. При землетрясениях и взрывах возникают упругие волны двух типов: продольные (звуковые волны в газе)
и поперечные (сдвиговые, распространяющиеся только в твердых
телах) (рис. 2.1). Эти волны распространяются в упругой среде
и могут быть зафиксированы с помощью приборов. Чем плотнее
среда, тем больше скорость распространения упругих волн, тем
слабее они затухают с расстоянием.
Рис. 1.3. Схема наблюдаемой солнечной системы. Геометрические
масштабы не соблюдены для наглядности
Возраст Земли и остальных планет около 4 млрд лет. Планеты земной группы имеют твердые оболочки. Все планеты земной
группы, кроме Меркурия, имеют атмосферу.
Меркурий имеет размер Луны. Венера (температура поверхности 600 °С, атмосфера – СO2, кислород отсутствует) имеет размер
Земли. Марс (температура поверхности 3 °С, атмосфера – СO2, кислорода практически нет) меньше Земли. Имеет два спутника - Деймос и Фобос. Есть пары воды, покрыт метеоритными кратерами.
Все остальные планеты – это газовые гиганты. Юпитер и Сатурн
имеют много спутников.
На всех планетах земной группы и на некоторых спутниках газовых гигантов идет активная вулканическая деятельность.
Рис. 2.1. Схема распространения объемных упругих волн
14
15
Глава 2. Строение Земли и земной коры
Если бы недра Земли были однородны, то порожденные взрывом или землетрясением продольные и поперечные волны должны были бы, слегка ослабнув, дойти до любой точки поверхности
Земли. Однако этого не происходит.
Результаты наблюдений показывают, что Земля неоднородна
и состоит из слоев разной плотности, причем через внутренние
слои упругие поперечные волны не проходят. Следовательно, внутри Земли есть жидкие оболочки (рис. 2.2).
Литосфера состоит из разнообразных пород и минералов.
По сути, это химические соединения. Самородные химические элементы встречаются очень редко.
Состав литосферы (два верхних слоя):
кислород
46,8 %
калий
2,6 %
кремний
2,3 %
натрий
2%
алюминий
8,7 %
титан
0,6 %
железо
5%
водород
0,15 %
кальций
3,6 %
углерод
0,1 %
магний
2%
Гранитовая, базальтовая и перидотитовая оболочки состоят
в основном из кремния. С увеличением глубины его содержание
уменьшается. Базальтовая оболочка располагается под материковыми равнинами, ее основными составляющими являются кремний и алюминий.
В перидотитовой оболочке кремния гораздо меньше, чем в базальтовой. Считается, что она содержит вкрапления чистых металлов: никеля и железа. Они выносятся на поверхность при
извержении вулканов через трещины; из ядра они подняться не могут, так как это была бы очень большая глубина. Поэтому предполагается, что вынос этих элементов на поверхность происходит из
средних слоев Земли, т. е. из перидотитового слоя.
2.2. Минералы земной коры
2.2. Минералы земной коры
Плотность,
г/см 3
Глубина,
км
Глубина, км
Кора
Земная
масса, %
Мантия
Внешнее ядро
Внутреннее ядро
Рис. 2.2. Схема строения Земли
Минералы – природные тела однородного состава, представляющие собой химические элементы (самородки) и сложные химические соединения.
Минералы образуются в результате сложных физических и химических процессов в земной коре. Химические соединения могут
иметь как постоянный, так и переменный химический состав
(т. е. по соотношению химических элементов).
16
17
Глава 2. Строение Земли и земной коры
2.3. Главные породообразующие минералы
Минералы служат источником образования породы (механическим способом, т. е. конгломерат минералов).
Минералы, не образующие породу и редко встречающиеся, называются редкоземельными минералами.
Геологи описывают все встречающиеся типы минералов.
Большинство минералов обладает правильным химическим
строением. Если кристаллическое строение не наблюдается, то это
аморфные минералы (их очень мало).
По степени распространенности выделяют следующие виды
минералов:
1. Силикаты.
2. Карбонаты.
3. Окислы.
4. Гидроокислы.
5. Сульфиды.
6. Сульфаты.
7. Галоиды.
8. Фосфаты.
9. Вольфроматы.
10. Самородные элементы.
Распознавание минералов осуществляется по их физическим
свойствам: цвет, твердость, спайность, блеск, характер излома и др.
Минералы белого, серого, желтого и розового цветов относятся
к группе светлых минералов. К темным минералам относятся черные, зеленые и коричнево-бурые.
Твердость – это способность вещества сопротивляться механическому воздействию.
Твердость минералов определяется по шкале Мооса:
Классы твердости:
1. Тальк – мягкий карандаш оставляет царапину.
2. Гипс – чертится ногтем.
3. Кальцит – латунная монета оставляет царапину.
4. Плавиковый шпат (флюорит) – стекло оставляет царапину.
5. Апатит (окислы алюминия) – перочинный нож оставляет
царапину.
6. Кварц – ножом не чертится.
7. Топаз – режет стекло, а кварц не царапает.
8. Корунд – царапает кварц.
9. Алмаз – царапает все.
Спайность – способность кристаллических минералов раскалываться при ударе по определенным направлениям с образованием
гладких плоскостей раскола.
Минерал не обладает свойством спайности, если он распадается
без образования признаков плоскостей спайности (т. е. отсутствуют ровные площадки). Примером такого минерала является кварц.
Блеск минерала обусловливается сложным отражением света
внутри минерала от поверхностей спайности. В результате интерференции и рассеяния получается игра света.
Виды блеска:
• стеклянный (кварц, полевые шпаты);
• жирный (тальк);
• металлический (пирит);
• шелковистый (гипс);
• перламутровый;
• матовый (каолинит).
Различные минералы дают при раскалывании тот или иной характер поверхности излома:
• излом по спайности (кальцит);
• раковистый (кварц);
• землистый (каолинит).
Главными породообразующими минералами являются кварц
(12,6 %), полевые шпаты (60 %), роговая обманка, слюда (3,6 %),
оливин (16,8 %), тальк, хлорит, известковый шпат (1,5 %), доломит,
гипс, апатит и каолинит.
Группа полевых шпатов - это группа кристаллических минералов (по сути силикатов), родственных по химическому составу
и физическим свойствам.
Роговая обманка - соли кремниевых кислот.
Слюда - сложные кислые алюмосиликаты, в состав которых входят железо, магний, калий.
18
19
2.3. Главные породообразующие минералы
Глава 2. Строение Земли и земной коры
2.4. Горные породы
Оливин - железо-магниевая соль ортокремневой кислоты. Твердость 6–7, почти как у шпатов.
Хлорит - водный силикат сложного состава.
Каолинит - результат выветривания полевых шпатов и алюмосиликатов. Твердость 1–1,5.
Кальцит – известковый шпат (CaCO3).
Кварц – двуокись кремния (SiO2). Прозрачная кристаллическая
разновидность кварца – горный хрусталь.
Гипс – CaSO4⋅2H2O.
Пирит – серный колчедан (FeS2) золотисто-желтого цвета. Твердость 6.
Бурый железняк (лимонит) – 2Fe2O3⋅3H2O.
Состав минералов определяется кристаллографическими, оптическими, рентгенологическими, химическими и другими методами. Широкое применение получил полевой метод.
Горные породы, слагающие земную кору, представляют собой
плотные или рыхлые минеральные агрегаты, имеющие различный
состав и свойства. Горные породы могут состоять из различных минералов или из одного (большие слои этого минерала - уже порода).
Гипс - порода, состоящая из одного минерала.
Грунты - горные породы поверхностной толщи земли, находящиеся в сфере инженерного воздействия.
По происхождению все горные породы делятся:
• на изверженные (магматические);
• осадочные;
• метаморфические.
Магматические горные породы образуются путем застывания
расплавленной лавы (магмы). Магма является расплавленной силикатной массой, насыщенной газообразными веществами.
С глубиной вязкость горных пород растет.
По трещинам в земной коре магма поднимается в поверхностные толщи или изливается на поверхность. Поэтому магматические
горные породы делят на глубинные и излившиеся.
К глубинным горным породам относят граниты и диориты;
к излившимся - эффузивные диабазы (застывшая лава), базальты,
порфириты.
При медленном остывании лавы и большом давлении происходит полная кристаллизация минералов. Если же остывание очень
быстрое и давление мало, образуются стекловидные или скрытокристаллические породы.
Самый верхний слой магмы образуют пористые породы - пемзы и туфы.
В составе изверженных горных пород участвуют все известные
химические элементы. Наибольшее распространение имеют окислы SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O и K2O. В сумме указанные
окислы составляют 98 %.
По содержанию кремнезема SiO2 изверженные породы делятся:
• на кислые - SiO2 > 65 % - граниты, кварцевые порфиры;
• средние - SiO2 ~ 65-52 % - диориты, порфириты и трахиты;
• основные - SiO2 ~ 52-40 % - габбро, базальты, диабазы;
• ультраосновные - SiO2 < 40 % - перидотиты и пироксимиты.
Осадочные горные породы делятся:
• на обломочные;
• органогенные;
• химические.
Метаморфические горные породы делятся на сланцевые и несланцевые.
Прочность и устойчивость пород к воздействию агентов выветривания (окислительно-восстановительные реакции, биологические реакции, фазовые переходы, физические реакции) тесно
связаны с их химическим и минеральным составом.
20
21
2.4. Горные породы
Все породы делятся:
1) на коренные (гранит, базальт);
2) метаморфические (измененные под действием внешних
факторов);
3) осадочные - отходы жизнедеятельности биосферы.
Классификация горных пород
Глава 2. Строение Земли и земной коры
2.4. Горные породы
Трещины и отдельности
Плотность 2,6–2,7 г/см3, пористость 1 %, водопоглощение – 0,5, морозостойкость и хорошая обрабатываемость.
Диорит состоит из роговой обманки и плагиоклаза – 75 %, плотность – 3 г/см3, пористость – 0,25 %, водопоглощение – 0,5.
Габбро состоит на 50 % из плагиоклаза и авгита, реже – роговая
обманка.
Диабаз – мелкокристаллическая структура из плагиоклаза и авгита; обладает диабазовой структурой, представляющей собой вытянутые зерна плагиоклаза, плотность – 2,9–3,1 г/см3, большая
морозостойкость, хорошо колется и обрабатывается.
Базальты – плотная, а иногда и пористая структура, состоящая
из плагиоклаза и авгита; по физико-механическим свойствам близки к диабазам.
Пористые разновидности образуются в верхней части магниевой лавы.
Для базальта характерны столбчатая, шарообразная, многогранная и другие отдельности. На поверхность выходят редко.
Порфиры, порфириты и трахиты являются излившимися аналогами гранитов, диоритов и сиенитов, имеют одинаковый минеральный состав.
При охлаждении магмы происходит уменьшение ее объема, что
вызывает образование трещин в ее породе. Этими трещинами масса
породы разбивается на отдельности, т. е. глыбы, куски разнообразной формы. Отдельности могут быть плитообразными, глыбовыми,
столбчатыми, шарообразными, многогранными.
Структурой принято называть строение породы, определяемое
различным сочетанием, размерами и формой составляющих породу минералов.
Виды структур:
• кристаллически-зернистая;
• порфировая;
• стекловатая.
Порфировая структура характеризуется тем, что в некристаллизованной или мелкозернистой основной массе выделяются редкие
крупные кристаллы, называемые вкрапленниками.
Породы со стекловатой структурой характеризуются отсутствием кристалличности. Обычно масса породы состоит из вулканического стекла, образованного при быстром остывании магмы.
Текстура, или сложение, пород:
1. Однородная – характеризуется беспорядочным, но равномерным расположением зерен минералов (гранит, диабаз).
2. Неоднородная – характеризуется неравномерным расположением зерен минералов.
3. Сланцеватая – входящие в горные породы зерна минералов
располагаются параллельно между собой (такая текстура свойственна метаморфическим породам).
Глубинные горные породы характеризуются массивным сложением, кристаллически-зернистой структурой, малой пористостью
и большой прочностью.
Главнейшие представители глубинных горных пород – гранит,
диорит, габбро.
Состав гранитов: 60 % – полевой шпат, 20–40 % – кварц, в небольшом количестве могут присутствовать пириты и магнетиты.
22
Осадочные горные породы
Осадочные горные породы – это продукты разрушения изверженных горных пород.
В результате накопления отлагающихся минеральных масс (в результате выветривания) образуется группа горных пород, называемых осадочными.
Осадочные горные породы слагают самую верхнюю часть земной коры.
Процессы образования осадочных пород:
• накопление обломочного материала;
• химическое осаждение растворенных веществ;
• жизнедеятельность организмов.
Важный признак осадочных пород – их слоистость и большая
пористость. Осадочные породы отличает наличие окаменелостей.
23
Глава 2. Строение Земли и земной коры
2.4. Горные породы
По происхождению осадочные породы делятся:
• на обломочные;
• глинистые;
• химические и органические.
Схематическая классификация осадочных горных пород приведена в табл. 2.1.
2. Доломиты – плотные кристаллические породы, состоящие из
минералов CaCO3 ⋅ MgCO3.
3. Мергели – порода, состоящая из смеси углекислого кальция
и глины.
4. Опоки – сцементированные горные породы, состоящие в основном из аморфного кремнезема (SiO2 ⋅ nH2O). Их образование происходит на дне морей из кремниевых панцирей диатомовых водорослей.
Химические осадочные породы образовались в результате выпадения осадков из солевых растворов вследствие повышения их концентрации либо химического взаимодействия между различными
слоями.
Гипс – горная порода, состоящая из минерала CaSO4⋅2H2O; твердость и прочность малы.
К химическим породам относятся также известковый туф, оолитовый известняк.
Безводный природный гипс называется ангидридом.
Известковый туф – углекислая известь, образующаяся в результате действия горячих источников на поверхности.
Таблица 2.1
Классификация осадочных горных пород
Группы
пород
Наличие связей пород
Рыхлые
Сцементированные
1. Крупно­
Окатанные породы –
обломочные валуны, галька, гравий.
и песчаные Неокатанные породы –
породы
камни, щебень, дресва.
Пески
Конгломераты – крупнообломочные
сцементированные осадочные горные породы.
Брекчии – сцементированные камни.
Песчаники – сцементированный
песок
2. Глинистые Супеси, суглинки, лёс- Сланцевые глины (оргилиты)
породы
совые породы и глины
3. ХимичеКаменная соль, галоиды, сульфиты
ские породы
(гипс)
4. БиохимиКарбонатные породы (известняки
ческие ори доломиты), кремнистые и углероганогенные
дистые породы (каменный и бурый
породы
уголь, торф и нефть)
Метаморфические породы
Диаметры частиц осадочных горных пород:
• валуны – 200 мм;
• булыжник – ≥ 100–200 мм;
• галька – 70–100 мм;
• гравий – 2–70 мм;
• песчаные почвы – 0,05–2 мм;
• пылеватые породы – 0,001–0,05 мм;
• глинистые породы – < 0,001 мм.
Органогенные породы:
1. Известняки – основной их частью является углекислый
кальций.
Во время складочных движений происходит разбивание литосферных плит. При их сжимании на суше образуются морщины,
в результате чего осадочные породы могут попадать в область расплавленных веществ. Так происходит преобразование горных пород в метаморфические.
Под метаморфизмом горных пород принято понимать совокупность процессов в недрах земли, приводящих к коренным изменениям горных пород в результате длительного действия большого
давления, высоких температур и горячих газов и паров.
Метаморфизму подвергаются осадочные, магматические и ранее образованные метаморфические горные породы.
Под влиянием больших давлений на глубине происходит образование новых минералов, а также изменение сложения горных
пород. В известных случаях породы приобретают так называемое
сланцевое сложение (рис. 2.3).
24
25
Глава 2. Строение Земли и земной коры
Выветривание «съедает»
верхушки горных пород
Сложение горных пород
Рис. 2.3. Схема образования «сланцевого сложения» пород
Сланцевое сложение характеризуется тем, что зерна минералов
принимают вытянутую или сплющенную форму.
Существует три типа метаморфизма:
• контактовый;
• дислокационный;
• региональный.
Контактовый метаморфизм связан с внедрением магмы в земную кору. Благодаря высокой температуре расплава идут процессы
перекристаллизации минералов, входящих в состав горных пород
(также действуют газы и пары воды). Данный метаморфизм происходит в узкой зоне.
Разновидностью контактового метаморфизма являются процессы конденсации водяных паров магмы, содержащих различные
вещества (гидротермальный процесс). С гидротермальными растворами связано образование в трещинах горных пород различных
жил, содержащих ценнейшие полезные ископаемые.
Дислокационный метаморфизм связан с тектоническими движениями земной коры. Процесс связан с сильным односторонним
давлением. В результате этого порода приобретает сланцеватость.
Примером таких пород могут служить гранитогнейсы.
Региональный метаморфизм, в отличие от контактового, проявляется в глубоких слоях и на огромных площадях, например Украинский кристаллический массив, Балтийский щит.
Этот тип метаморфизма связан с подвижными зонами земной коры – геосинклиналями. Мощные толщи осадочных пород
в геосинклиналях при их погружении оказывались в зоне крайне
высоких давлений и температур, перекристаллизовывались и превращались в кристаллические сланцы, гнейсы и др.
Свойство метаморфических пород – анизотропность.
26
2.4. Горные породы
Примеры метаморфических пород:
1. Гнейс – плотная горная порода, состоящая из кварца, полевого шпата и слюды; эта порода тождественна по составу граниту.
Гнейсы используют для тротуарных плит.
2. Сланцы имеют сланцеватое строение, т. е. листовое сложение.
Их обычно называют по наименованию преобладающего минерала:
• глинистые;
• тальковые;
• слюдистые;
• хлоритовые.
3. Кварциты – морозостойкая порода, состоящая из зерен кварца. Они отличаются высокой прочностью.
4. Мрамор – кристаллическая порода, почти целиком состоящая
из кристаллов известкового шпата или доломита.
Залежи мрамора приурочены к контактам известняков с гранитами.
Процессы выветривания горных пород
Выветривание – разрушение горных пород или их изменение
под влиянием природных агентов. Толщина земной коры, в которой
происходят эти процессы, называется корой выветривания. Мощность коры выветривания достигает 100 м и более.
Есть три типа выветривания:
• физическое;
• химическое;
• биологическое.
Физическое выветривание
Наиболее важными природными агентами являются колебания
температуры, замерзание воды в порах и трещинах, механическое
воздействие воды, ледников и воздушных течений.
Химическое выветривание
Минералы горных пород способны вступать во взаимодействие
с водой, содержащей различные соединения, и с атмосферой, содержащей различные газы.
27
Глава 2. Строение Земли и земной коры
2.5. Геологическая деятельность внутренних (эндогенных) сил Земли
Несколько процессов химического выветривания:
• гидратация (минерал + вода = водный минерал);
• окисление (серная кислота растворяет другие минералы, переводя их в сернокислые соли).
Заслуга открытия химического выветривания принадлежит
В. И. Вернадскому.
Рыхлые продукты выветривания горных пород, остающиеся на
месте образования, называются элювием.
Кроме вертикальных медленных движений, происходят и медленные горизонтальные движения земной коры – тектоника лито­
сферных плит.
Биологическое выветривание
Растения вырабатывают различные кислоты, способные разлагать труднорастворимые минералы (силикаты и алюмосиликаты).
Кроме того, они способны механически разрушать минералы корневой системой.
2.5. Геологическая деятельность внутренних
(эндогенных) сил Земли
Внутренние силы обусловлены главным образом колоссальными
давлением и температурой ядра Земли. Конвективные процессы внутри Земли приводят к движению литосферных плит, в связи с чем
образуются складки, трещины, сбросы и сдвиги. С деятельностью
внутренних сил связаны землетрясения и вулканические извержения. Внутренние силы создают неровности на земной поверхности
(горы и глубокие впадины). На поверхности имеем два типа рельефа: океанические впадины и тектонические плиты с горами на них.
Тектоническая плита включает в себя материки и часть, связанную с океаном, – шельф. Часть земной коры, располагающаяся под
океаном, тоже может быть тектонической плитой (океаническая
тектоническая плита).
Существуют также медленные поднятия и опускания частей
земной коры – вековые колебания. Обычно они охватывают обширные области и приводят к взаимным колебаниям суши и моря.
Наступление моря на сушу называется трансгрессией. Наступление суши на море – это регрессия.
В некоторых местах наблюдается одновременное поднятие гор
и опускание впадин (на Карпатах, Северном Кавказе).
28
Горообразование
Горы – это возвышенность высотой более 200 м над уровнем
моря, характеризующаяся расчлененным рельефом. Если рельеф не
расчлененный, то это плоскогорье. Скопление гор называется горной областью (или нагорьем).
Теснина, седловина, долина, перевал – все это межгорные по­
нижения.
Возвышенность, имеющая вытянутую форму, называется горным хребтом. А возвышенность значительной длины называется
горной цепью.
Большинство возвышенностей вызвано движениями, нарушившими строение земной коры, вызвавшими дислокацию первоначального залегания слоев осадочных и других пород.
Горы образуются в результате вертикальных и боковых давлений, возникающих в земной коре. Под действием этих давлений
происходит дислокация (нарушение первоначального залегания).
Такие горы – тектонические или складчатые горы (Уральские, Кавказские, Алтай, горы Восточной Азии). В некоторых случаях тектонические горы образовались в результате поднятия одних участков
земной коры относительно других (массивные или глыбовые горы).
В некоторых местах горы образуются размыванием осадочных
пород. Такие горы называются эрозионные.
Залегание горных пород
1. Нормальное залегание.
Осадочные горные породы залегают в виде пластов и слоев,
либо горизонтально, либо со слабым наклоном. Несколько пластов,
близких по составу и геологическому возрасту, – свита пластов.
2. Параллельные пласты – согласное залегание.
Несогласное залегание – пласт вклинивается между пластами.
Это называется линзой (параллельность нарушается).
29
Глава 2. Строение Земли и земной коры
2.5. Геологическая деятельность внутренних (эндогенных) сил Земли
3. Нарушенное залегание пластов:
А. Складки:
• плоская;
• крутая;
• с переломом в седле;
• косая;
• опрокинутая;
• лежачая.
Простирание – линия пересечения поверхности слоя (горной
породы или другого геологического тела), находящейся в наклонном или вертикальном положении, c горизонтальной плоскостью.
Направление простирания выражается азимутом. Падение – линия в плоскости слоя (или другого геологического тела), проведенная перпендикулярно к простиранию в направлении наклона
слоя (линия наибольшей крутизны). Ориентировка линии падения
определяется ее азимутом и углом падения. Азимут измеряется по
проекции линии падения на горизонтальную плоскость; угол падения заключен между линией падения и ее горизонтальной проекцией (рис. 2.4).
Вулканизм и землетрясения
Б. Сбросы – это дислокации, при которых произошел разрыв
сплошности пластов. Сбросы представляют собой смещение пластов горных пород по вертикали или наклонной плоскости.
Возвышенный участок, ограниченный сбросами, называется
горстом, а опустошенный участок называется грабеном. Пример
крупного грабена – озеро Байкал.
Вулканизм – это излияние на поверхность Земли лавы, выход газов или выброс обломочного материала взрывом газов.
Вулканы в большинстве случаев имеют форму отдельной конусообразной горы, сложенной застывшей лавой и рыхлыми продуктами извержения. В центральной части возвышенности имеется
впадина овальной или круглой формы – кратер, который соединяется с магматическим очагом через жерло, откуда периодически
поднимается огненно-жидкая магма. Выбрасываемые при извержении обломки и лава наращивают конус (рис. 2.5).
Так как канал в своей верхней части обычно закрыт застывшей
лавой и пеплом, перед излиянием магмы на поверхность чаще всего происходит сильный взрыв.
Вулканизм – это геодинамический процесс. Он связан с силами,
возникающими внутри Земли, и называется процессом внутренней
динамики, или эндогенным процессом. К таким геодинамическим
процессам относятся: магматизм, метаморфизм горных пород, так
называемые колебательные вертикальные движения земной коры,
тектонические движения, вызывающие складчатые и разрывные
нарушения горных пород и образование гор, землетрясения.
Мощность вулкана соотносима с десятком ядерных бомб. Лава образуется в трещинах земной поверхности. Процесс излияния магмы
и все сопутствующие ему явления (выброс газов, аэрозолей) называется извержением. Перед извержением в земной коре наблюдаются
толчки, завершающиеся взрывом. При взрыве на поверхность могут
взлететь части поверхности литосферы, включая образовавшиеся
горы. В большинстве случаев температура лавы > 1000 °С.
Различают вулканы:
• действующие;
• потухшие;
• древние.
На Земле 500 действующих вулканов, и они распространяются
по двум географическим областям:
1. Среднеземноморская плита (от Средиземного моря до Каспия).
2. Тихоокеанская зона (Берингово море, Охотское и Японское моря).
На Камчатке 129 вулканов. Из них 20 действующих и 109 потухших.
30
31
Рис. 2.4. Схема залегания пластов горных пород
Глава 2. Строение Земли и земной коры
2.5. Геологическая деятельность внутренних (эндогенных) сил Земли
Путем уплотнения и химического взаимодействия с водой и солевыми растворами из пепла образуется пористая горная порода –
вулканический туф.
При остывании потоков лавы образуются потоки излившихся
горных пород: базальты, диабазы, порфиры, трахиты.
После затвердевания магмы на глубине образуется гранит, диорит и прочие горные породы (кристаллической структуры).
Землетрясение – всякое сотрясение земной коры, вызванное
действием внутренних (эндогенных) сил Земли. Сотрясения земной коры происходят почти непрерывно и замеряются точными
приборами – сейсмометрами.
Землетрясение начинается с разрыва и перемещения горных пород в глубине Земли. Это место называется очагом землетрясения,
или гипоцентром. Глубина его обычно бывает не больше 100 км, но
иногда доходит и до 700 км. По глубине очага различают нормальные
(70–80 км), промежуточные (80–300 км) и глубокие землетрясения
(более 300 км). Бóльшая часть очагов землетрясений сосредоточена
в средиземноморской и тихоокеанской части планеты, а также в горных цепях Азии, соединяющих эти области (рис. 2.6).
Рис. 2.5. Строение некоторых вулканов
Продукты и последствия извержений:
• обломки горных пород;
• вулканический пепел;
• лава.
32
Рис. 2.6. Эпицентры землетрясений (1963–1998)
Различают следующие виды землетрясений:
• тектонические, обусловленные высвобождением энергии,
возникающей вследствие деформаций толщ горных пород;
33
Глава 2. Строение Земли и земной коры
2.5. Геологическая деятельность внутренних (эндогенных) сил Земли
• вулканические, связанные с движением магмы, взрывом
и обрушением вулканических аппаратов;
• денудационные, связанные с поверхностными процессами
(крупными обвалами, обрушением сводов карстовых полостей);
• техногенные, связанные с деятельностью человека (добыча
нефти и газа, ядерные взрывы и пр.).
Возникновение тектонических землетрясений объясняется горообразовательными процессами. Поднятие и опускание отдельных
участков земной коры и образование складок вызывают увеличение упругих напряжений в толще земной коры. Когда напряжение
увеличивается настолько, что превышается предел прочности горных пород, то возникают разрывы пород и внезапное перемещение
отдельных участков земной коры вдоль этих разрывов. Быстрое перемещение огромных масс сопровождается сотрясением прилегающих частей земной коры.
Область внутри Земли, где происходят образование разломов
и возникновение сейсмических волн, называют очагом землетрясения; очаг является областью зарождения землетрясения. Как правило, главному сейсмическому удару предшествуют предварительные
более слабые толчки – форшоки (англ. fore – впереди + shock – удар,
толчок), связанные с началом образования разломов. Затем происходят главный сейсмический удар и следующие за ним афтершоки.
Афтершоки – это подземные толчки, следующие за главным толчком из одной с ним очаговой области. Число афтершоков и продолжительность их возникновения возрастают с ростом энергии
землетрясения, уменьшением глубины его очага и может достигать нескольких тысяч. Их образование связано с возникновением новых разломов в очаге. Таким образом, землетрясение обычно
проявляется в виде группы сейсмических толчков, состоящей из
форшоков, главного толчка (сильнейшего землетрясения в группе)
и афтершоков. Энергия, выделяемая при землетрясении, определяется объемом его очага. Чем больше объем очага, тем больше выделяемая при землетрясении энергия.
Условный центр очага землетрясения называется гипоцентром. От гипоцентра во все стороны распространяются упругие колебательные движения (или волны упругости; продольные
и поперечные). В процессе распространения они затухают. Если
очаг землетрясения находится глубоко, то интенсивность сотрясения грунта на поверхности земли – сила землетрясения – слабее.
При небольшой глубине очага землетрясения волны весьма быстро
доходят до земной поверхности, вызывая сильные колебания почвы
и сооружений (интенсивное землетрясение). Сейсмические волны
распространяются со скоростью порядка 3–14 км/с. В первую очередь и с наибольшей силой они достигают того места поверхности
земли, которое ближе расположено к гипоцентру. Этот участок называется эпицентром.
По глубине гипоцентров землетрясения делятся на мелкофокусные (0–70 км от поверхности), среднефокусные (70–300 км)
и глубокофокусные (300–700 км). Основная часть землетрясений
зарождается в очагах на глубине 10–30 км, т. е. относится к мелкофокусным.
Сила землетрясения характеризуется магнитудой – величиной,
пропорциональной логарифму энергии землетрясения (безразмерная величина).
Разрушительный эффект от землетрясения определяется интенсивностью сотрясения – эта величина pазлична для одного и того
же землетрясения в зависимости от расстояния до эпицентра, а также она зависит от грунтовых условий. Интенсивность сотрясения
измеряют в баллах по той или иной шкале.
Существуют 7-балльная и 12-балльная шкалы. Мы рассмотрим
12-балльную шкалу:
• 9 баллов – опустошительное землетрясение: разрушение зданий, трещины в земле (ускорение движения грунта на поверхности
составляет 0,4 g);
• 10 баллов – уничтожающее землетрясение: здания разрушаются вместе с фундаментом (ускорение движения грунта на поверхности составляет 0,8 g);
• 11 баллов – катастрофа: от каменных построек ничего не
остается, разрушаются плотины и мосты (ускорение движения
грунта на поверхности составляет 1,6 g);
• 12 баллов – сильная катастрофа. Ни одно сооружение не
остается целым, образуются сбросовые трещины, горизонтальные
34
35
Глава 2. Строение Земли и земной коры
2.5. Геологическая деятельность внутренних (эндогенных) сил Земли
сдвиги и разрывы (ускорение движения грунта на поверхности составляет 3,2 g).
Регистрация упругих волн осуществляется сейсмографами – высокочувствительными приборами, использующими инерционную
массу (маятник) и записывающее устройство.
Сейсмические районы – районы, где наблюдались землетрясения интенсивностью 5–7 и более баллов. Для таких районов выполнены карты зон сейсмической опасности (рис. 2.7).
Оценка сейсмической опасности той или иной территории
обычно проводится с использованием детерминистских или вероятностных методов. Вероятностный анализ сейсмической опасности (ВАСО) сочетает в себе альтернативные модели сейсмических
очагов, периоды повторяемости землетрясений, зависимости затухания сейсмического эффекта от расстояния, а также целый ряд неопределенностей, обусловленных как нечетким знанием тех или
иных параметров, так и случайным характером возникновения самих сейсмических событий. В отличие от ВАСО, при детерминистском анализе сейсмической опасности (ДАСО) не­определенности
обычно не рассматриваются, а лишь рассчитывается экстремальный сейсмический эффект на конкретной площадке от самых близких к ней очагов землетрясений фиксированных магнитуд. Расчеты
ведутся на основе теории распространения сейсмических волн
с учетом их затухания с удалением от сейсмического источника и влияния местных грунтов, которые обычно представляются
в виде горизонтально слоистой среды. При этом рассматриваются плоские фронты сейсмических волн, распространяющихся вертикально вверх и обусловливающих сейсмический эффект на
свободной земной поверхности, не нагруженной каким-либо сооружением. Для таких расчетов в настоящее время существует
целый ряд алгоритмов и программ как отечественного, так и зарубежного происхождения.
Практически все предыдущие карты сейсмического районирования, начиная с первой карты 1937 г. и кончая предпоследней картой
1978 г., были детерминистскими. Они не учитывали основные характеристики сейсмического режима сейсмоактивных территорий,
хотя еще в середине 1940-х годов С. В. Медведев предложил ввести
в зоны сейсмической опасности внутреннюю дифференциацию
в соответствии с периодом повторяемости сильных землетрясений
и с предполагаемыми сроками службы различных типов сооружений. Затем Ю. В. Ризниченко разработал алгоритмы и программы
36
37
Рис. 2.7. Комплект вероятностных карт ОСР-97 – общего сейсмического
районирования территории Российской Федерации. Р (%) – вероятность
возможного превышения в течение t лет сейсмического эффекта,
указанного на картах
Глава 2. Строение Земли и земной коры
2.6. Геологическая деятельность внешних сил Земли (экзогенных)
расчета сейсмической «сотрясаемости». Однако все эти прогрессивные разработки отечественных сейсмологов тех лет, как и многие другие их идеи, по целому ряду объективных и субъективных
причин не были применены на практике. Вместе с тем они получили широкое развитие за рубежом после аналогичной, но более
поздней публикации К. А. Корнелла в 1968 г. и привели западные
страны к построению карт сейсмического районирования в терминах вероятности превышения (или непревышения) сейсмической
опасности в заданные интервалы времени.
Условия неопределенностей, которые в природе всегда существуют, делают неправомочным детерминистский подход к сейсмическому районированию. Оно может быть осуществлено лишь
на вероятностной основе. Иными словами, риск всегда будет
иметь место, но он должен быть оценен и сведен к минимуму. Это
и заложено в действующих в настоящее время новых картах общего сейсмического районирования территории Российской Федерации – ОСР-97, разработанных В. И. Уломовым.
концов оседают, образуя мощный покров тонкозернистых осадков
(суглинистые осадки). Указанный процесс получил название делювиального процесса, сформировавшиеся осаждения называются
делювии. Делювий слагает наклонные вогнутые шлейфы, прислоненные к нижним частям склонов и выклинивающиеся к их верхним частям.
3. Селевые потоки – временные потоки исключительно большой силы. Источник ом воды являются сильные атмосферные
осадки или таяние снегов. Такой поток смывает на своем пути материал от тонких глинисто-полевых частиц до крупных обломков
скал, которые откладываются на равнине, образуя пролювиальные
(proluo – вымываю) отложения.
Работа рек
Мощный поток солнечной энергии (поток электромагнитных
волн), порождающий на поверхности земли разнообразные процессы внешней динамики. Это процесс непрерывного перемещения водных и воздушных масс, а также физических и химических
преобразований (выветривание) – все это экзогенные процессы.
Кратко перечислим геологические процессы, вызываемые деятельностью текучих вод, моря, ледников и ветра.
1. Разрушение горных пород водой заключается в смывании минеральных частиц, растворении и выносе солей. Кроме того, возможна созидательная геологическая работа, которая заключается
в переносе, сортировке и отложении минеральных обломков с образованием ряда новых горных пород. Размывание поверхности водой,
дождевыми струйками, ручьями и реками получило название эрозия.
2. Делювиальные (deluo – смываю) отложения – смываются
лишь мелкие частицы продуктов выветривания, которые в конце
Характер каждой реки определяется количеством протекающей
воды, ее уровнем и скоростью течения. Указанные показатели изменяются во времени как по сезонным ходам, так и по многолетним циклам.
Совокупность изменений перечисленных показателей обусловливает режим реки.
Площадь земной поверхности, с которой вода стекает в данную
реку, носит название водосборного бассейна реки.
Различают реки:
• горные (ледниковое питание);
• равнинные (снеговое или дождевое питание).
В соответствии с уровнем воды различают высокий горизонт
и меженный. Горизонт воды, или уровень воды в реке, колеблется от максимального в половодье, когда заливается часть долины –
пойма, до минимального в межень – маловодное состояние реки.
Максимальный и минимальный горизонт в реке почти ежегодно
меняется в зависимости от питания реки. В снежные и дождливые
годы воды в реках бывает больше, в малоснежные и засушливые
годы – меньше.
Реки производят большую геологическую работу по размыванию, переносу и отложению осадков, образуя речные долины.
38
39
2.6. Геологическая деятельность внешних
сил Земли (экзогенных)
Глава 2. Строение Земли и земной коры
2.6. Геологическая деятельность внешних сил Земли (экзогенных)
Выделяют следующие элементы долины:
• дно, или ложе (самая низкая часть);
• русло реки – часть долины, занятая водой;
• пойма – часть долины, залитая водой в период половодья;
• склоны долины.
По характеру реки русло разделяется на три части:
• верховье (разлив и унос материала);
• средняя часть (перенос материала);
• нижняя часть (преобладает отложение материала; тончайшие частицы откладываются в морях и океанах в два этапа: сначала тончайшие частицы откладываются на дне реки, а затем выбрасываются в моря и океаны).
В процессе жизни река осуществляет глубинную и боковую эрозию берегов.
Наиболее глубокие долины, организованные реками, – каньоны.
Континентальный шельф представляет для экологии большое
значение, поскольку:
• это зона активной биопродуктивной деятельности, в которой
происходит вынос разрушительных материалов (почти вся таблица Менделеева);
• малая глубина представляет доступность антропогенных систем, т. е. продолжение материка;
• доступен для разработки полезных ископаемых (нефть легче
добывать на шельфе);
• эти отложения являются основным источником образования
солей в Мировом океане.
В мелких лагунах континентального шельфа соли могут выступать в качестве месторождений полезных ископаемых.
Отложения рек
Наряду с разрушающей работой, реки осуществляют большую
работу по перемещению материалов (например, река Амударья
выносила 570 млн т веществ, находящихся во взвешенном состоянии; река Янцзы – 2500 млн т; Дунай – 82 млн т; Волга –
19 млн т).
Деятельность ледников
В процессе движения ледник производит огромную разрушительную работу, разрушает осадочные и скалистые породы, измельчает их и перемешивает.
Обломки пород, переносимые ледниками, называются мореной.
Значительная часть земной поверхности сформирована ледниками.
Озера и их отложения
Моря и океаны занимают 70 % земной поверхности.
Объем воды – 1,5 млрд км3.
1. Разрушительная работа моря. Давление, оказываемое волнами, может составлять 30 т/м2 и более.
2. Созидательная работа моря – накопление отложений из обломочных горных пород.
3. Отложения, связанные с выносом в моря и океаны, частично
образуют континентальный шельф (шельф – продолжение континентальной плиты).
Прибрежная зона может достигать 60–80 км в мелких морях,
а в океанах – 15 % площади Мирового океана.
Озеро – масса воды, находящаяся в замкнутой котловине и не
имеющая связи с морем.
Озера бывают:
• тектонические – это впадины в результате сбросов в земной
коре (например, Байкал);
• вулканические – ложем озера служит кратер вулкана (например, оз. Сильян);
• эрозионные – озера речных дельт и ледниковое выпахивание;
• карстовые – углубления, образующиеся в результате растворения водой горных пород: гипс, известняк (Крым, Урал).
Озерные отложения – осадки, образующиеся на дне озер, сложенные обломочным (гравий, галька, песок, глина), химическим или
органогенным материалом. Различают отложения пресноводных,
40
41
Геологическая деятельность моря
Глава 2. Строение Земли и земной коры
2.7. Развитие жизни на Земле
соленых и вулканических озер. Состав озерных отложений подчинен климатической зональности.
По содержанию солей озера делятся:
• на пресные (соли меньше 1 г/л, имеют сток), например Ладожское озеро;
• соленые (соли больше, чем в океане, 300 г/л).
Геологическая деятельность озер – сортирование минеральных
обломков, поступающих с рек, и отложение солей и органических
остатков. В озерах могут образовываться сапропели (глинистый ил).
В мелких пустотах вода находится под влиянием частиц, составляющих породу. Эти частицы способны прочно удерживать на
своей поверхности пленку воды – это связанная вода. В песках пустоты имеют более крупные размеры, вследствие чего вода в этих
пустотах может сохраняться или свободно перемещаться. Способность горных пород пропускать воду – водопроницаемость:
• водопроницаемые породы (галька, гравий, песок);
• полупроницаемые породы (суглинки, лёсс);
• водонепроницаемые породы (водоупорные глины, тяжелые
суглинки, плотные нетрещиноватые горные породы).
Просочившаяся в толщу горных пород вода под действием силы
тяжести опускается по крупным порам глубже и глубже, пока не достигнет водонепроницаемых пород, создавая водоносный пласт –
горизонт, образуя уровень – зеркало подземных вод. Глубина от
земной поверхности – глубина залегания подземных вод.
Различают следующие подземные воды:
• по условиям залегания в земной коре (грунтовые, межпластовые, карстовые);
• по гидравлическим признакам (безнапорные, напорные);
• по температуре (холодные (< 20 °С), теплые (20–40 °С), горячие (> 40 °С).
Верховодка – разновидность грунтовых вод (временное скопление грунтовых вод на небольшой глубине). Главными являются
межпластовые воды, так как они самые чистые. Физика движения
и образования напорных вод следует законам гидромеханики и составляет специальный раздел гидрологии.
Подземные воды
Это такие воды, которые находятся в горах и трещинах горных
пород ниже поверхности земли. Изучением подземных вод занимается гидрогеология. Подземные воды имеют большое значение, так
как это источник водоснабжения. Неглубокое залегание горных пород осложняет стройку. Подземные воды – причина оползней и карстов. Подземные воды образуются за счет просачивания в горные
воды атмосферных осадков. В образовании грунтовых вод участвует конденсационная вода (по Лебедеву). Часть атмосферных осадков испаряется и возвращается обратно в атмосферу, другая часть
стекает по поверхности в реки и озера – поверхностный сток, другая часть просачивается (фильтруется) в толщу горных пород под
действием силы тяжести и передвигается в них – подземный сток.
Испарение зависит от температуры воздуха и наличия ветра. Сток
и просачивание зависят от условий выпадения атмосферных осадков, рельефа местности и характера горных пород. Само образование (конденсация жидкой фазы) с точки зрения термодинамики
зависит от особого сочетания температуры и давления сред.
Механизм образования подземных вод:
• почвенная влага (вода);
• грунтовая вода;
• водоупорный пласт;
• пласт, в который жидкость может просачиваться;
• водоупорный слой, где накапливаются водоупорные воды;
• подземные воды.
42
2.7. Развитие жизни на Земле
Краткие сведения из истории земной коры
На основе изучения пород удалось описать стадии формирования Земли на протяжении 5–6 млрд лет. Под воздействием силы
тяжести энергично протекали процессы расслоения вещества. Происходили местные извержения расплавленных веществ с образованием изверженных горных пород. Условия среды были таковы,
что способствовали интенсивному синтезу органических веществ
43
Глава 2. Строение Земли и земной коры
2.7. Развитие жизни на Земле
(образование сложных высокомолекулярных соединений). Синтез
этих соединений на основе углерода привел к образованию форм
материи, которые представляют собой сложные системы, способные к самоадаптации, саморазмножению и эволюции. Эти свойства
привели к возникновению жизни. Развитие подобных органических веществ (увеличение молекулярных соединений) в течение
времени привело к образованию животных и растительных форм.
Исходные свойства материи:
• число элементов 1014–1016;
• взаимодействие элементов между собой;
• взаимодействие иерархическое.
Окаменелости – твердые остатки животных и растений (раковины, кости, зубы, иглы, древесина) или их отпечатки.
Жизнь появилась 4 млрд лет назад. Систематизация и изучение
окаменелостей показали, что развитие жизни на земле протекало постепенно, от самых простых (низших) форм до появления человека.
В настоящее время вся история земной коры подразделяется на
следующие эры:
1. Кайнозойская – расцвет флоры и фауны. Продолжительность – 66 млн лет:
• палеоген (43 млн лет) – расцвет птиц;
• неоген (20 млн лет) – расцвет нынешней флоры и фауны;
• четвертичный период (2,6 млн лет) – развитие современных
животных и растений, появление человека.
2. Мезозойская – (79 + 56 + 51) млн лет:
• триас (51 млн лет) – появление первых млекопитающих и костистых рыб, развитие голосемянных растений;
• юрский период (56 млн лет) – расцвет рептилий, появление
летающих ящеров и птиц, археоптерикса;
• меловой период (79 млн лет) – крупные рептилии, птицы, появление покрытосеменных (цветковых) растений.
3. Палеозойская эра – (55 + 70 + 60 + 30 + 60 + 70) млн лет:
• кембрийский период (70 млн лет) – появляются трилобиты,
псилофиты, простейшие наземные растения;
• ордовик (60 млн лет) – все, что ниже, плюс наземные животные;
• силурийский период (30 млн лет) – первые рыбы и акулы,
скаты, панцирные рыбы;
• девонский период (60 млн лет) – наземные четвероногие
и папоротники;
• каменноугольный период (70 млн лет) – хвощи, папоротники, амфибии и насекомые;
• пермский период (55 млн лет) – звероподобные рептилии,
пресмыкающиеся и голосемянные (или хвойные) растения.
4. Протерозойская 2100 млн лет – появляются клетки-эукариоты, водоросли, споры, бактерии.
5. Архейская (1000 млн лет) – отсутствие осадков.
Сейчас мы живем в кайнозойской эре. Мощь толщи осадочных
пород различна. Например, в Ленинградской области она составляет 200 м, в Московской – 1650 м, в Баку – 4000 м, в Донбассе – 11 км.
Архейская и протерозойская эры (докембрий). Ископаемых
останков живых организмов очень мало. Однако современная теория эволюции предсказывает существование простейших (прокариотов) и вирусов уже на этой стадии. Происходит активная
вулканическая деятельность; расчленение земной коры на жесткие
участки коры (платформы) и подвижные (геосинклинарии).
Примером платформ является, например, Русская платформа.
С востока она ограничена Уралом, с запада – Карпатами, с юга –
Крымом и Кавказом, а с севера – северными морями.
Выступы пород кристаллического фундамента пород называются щитами. На территории Русской равнины два щита: Балтийский кристаллический щит и Украинский (Азовоподольский).
Балтийский щит занимает Кольский полуостров, Карелию, Финляндию, Швецию и состоит из гранитов, порфиритов, гнейсов
и кварцитов, изредка встречаются мраморы. Северо-западная
и юго-восточная части Русской платформы прикрыты осадочными породами.
Палеозойская эра. Появилось богатство жизненных форм.
• Кембрийский период – головоногие молюсски, губки, медузы, членистоногие, черви, плеченогие.
• Силурийский и ордовикский периоды – сильные горообразовательные процессы.
44
45
Глава 2. Строение Земли и земной коры
2.8. Понятие грунтов
• Девонское время – совершенные рыбы, головоногие моллюски и первые наземные позвоночные.
• Каменноугольный период – большая биомасса наземной растительности (папортники и хвощи). При последующих эндогенных процессах эта биомасса была захоронена в осадочных породах
и послужила основой для образования месторождений каменного угля.
В течение этой эры море многократно заливало Русскую равнину, оставив после себя мощные толщи известняков, глин, гипсов
и других пород. Наиболее древние осадочные глины – кем­брийские.
В Сибири залегают силурийские и девонские известняки.
На территории Подмосковья, Средневолжской равнине (Донбассе),
вдоль склонов Уральского хребта и в Кузнецком бассейне возникают области залегания каменного угля.
В течение каменноугольного периода происходят активные горообразовательные процессы, которые завершились образованием
Уральского хребта.
Мезозойская эра. Эпоха динозавров – юрский период. Они достигали 26 м в длину и 6 м в высоту.
Медленные поднятия и опускания материков вызывали то наступление моря на сушу, то его отступание (трансгрессия и регрессия
моря).
Кайнозойская эра. Третичный период (70 млн лет) – животные
и растения приблизились к современному видовому составу.
В конце мелового периода образовались Кавказские и Крымские
горы, Карпаты, Камчатка, Сахалин.
Кавказские горы – самые молодые. В центре Кавказа на поверхность выходят граниты и порфиры. Умеренно холодный климат
третичного времени сменится холодным климатом с последующим
их чередованием.
Для четвертичного периода характерны небольшая мощность
пород, малая связанность пород, большая подвижность пород, малое содержание форм фауны и флоры.
Чередование климата связано с ледниковыми эпохами. Природа ледниковых периодов вызвана климатическими колебаниями
и астрономическими факторами. Ледниковая эпоха образует толщи
грунтов (до 100 м) ледникового происхождения: морены, водноледниковые отложения, озерно-ледниковые грунты.
Моренные отложения – скопления горных пород различной
крупности, образованные ледниками.
Водно-ледниковые отложения связаны с реками и потоками, источником которых является таяние ледников.
Объектом изучения в грунтоведении являются любые горные
породы, входящие в состав коры выветривания, а также почвы.
Грунтами следует называть любые горные породы, являющиеся подстилающими почву слоями, расположенные в современной
зоне выветривания. Их выделение в особую категорию понятий
связано с тем, что они могут служить основаниями и материалами
для современных инженерных сооружений.
Типы грунтов:
1. Лёсс – малосвязанная неслоистая порода светло-желтого цвета, пронизанная камнями и т. д., частицы крупнее 0,25 мг. Существует несколько гипотез лессовых грунтов:
• эоловая;
• водно-ледниковая;
• почвенная.
Лёссы пористые и содержат CaCO3. Мощность лёссовых грунтов составляет 2–20 м в Европе, в Китае – до 100 м.
2. Песчаные грунты, разновидность которых – эоловые пески.
Песчаные грунты образуют пять основных форм рельефа:
• барханы;
• барханные гряды;
• бугристые пески;
• грядовые пески;
• песчаные равнины.
Барханы – холмы с неодинаковыми склонами высотой до 20 м из
совершенно не скрепленного мелкозернистого песка.
Барханные гряды – параллельные несимметричные песчаные
валы длиной 300 м, высотой 20–25 м.
46
47
2.8. Понятие грунтов
Глава 2. Строение Земли и земной коры
2.9. Почвы и их происхождение
Грядовые пески отличаются тем, что закреплены растительностью и образуют параллельные валы.
3. Аллювиальные грунты. Аллювий – отложение наносов,
которые образуются в долинах рек. Они представлены гравийно-галичными отложениями, песком различной крупности, лёссовыми и илистыми образованиями. Аллювиальными грунтами
сложена пойменная терраса долины реки. Русло реки тоже покрыто аллювиальными грунтами. Мощность таких грунтов от 5
до 50 м.
4. Элювиальные грунты – продукты выветривания каменноугольных горных пород, остающихся на месте их образования.
5. Грунты морского происхождения – морские отложения четвертичного периода. На континенте встречаются в местностях,
покрывшихся четвертичным морем (Прибалтика, северная часть
Русской равнины, побережье Карского и Баренцева морей, Западно-Сибирская низменность).
Почвообразовательный процесс
Наряду с вышесказанным, развитие почв как экосистем подчиняется биологическим закономерностям. Кроме того, как и биосфера, почва находится в состоянии эволюции. Простейшие организмы
процветают в почве.
Основными природными факторами почвообразования являются материнская горная порода, климат, рельеф, живые организмы,
животные и растения, а также возраст почвы (чем выше возраст,
тем сложнее устроена почва).
Формирование генетических горизонтов почв
и внешние морфологические признаки
В. В. Докучаев впервые объяснил, что такое почва. Он говорил
о почве как об особом историческом теле, резко отличающемся
от рыхлых горных пород. В результате длительного воздействия
климатических факторов и органической жизни в течение геологической истории горные породы зоны выветривания переходят
в особые качественно иные естественно-исторические образования – почвы. По сути, почвы – это особые экосистемы.
Почвообразование – сложный физико-химический и биологический процесс, т. е. почва – это особая экосистема, которая является
основой наземной биосферы.
На суше сосредоточено 80 % всей биомассы. В результате указанных процессов неплодородный грунт постоянно обогащается
органическими веществами и приобретает новое качество – плодородие. Среди органических веществ выделяется класс веществ,
который называется гумусом. Гумус сохраняет в почве тепловой режим. Гумус – важное звено в трофических цепях экосистем
биосферы.
Почва разделяется на отдельные слои – генетические горизонты
(генетические – т. е. имеющие свою историю).
Почвенные горизонты – слои, возникающие в процессе почвообразования, различающиеся по цвету, сложению, плотности
и другим свойствам. Почвенные горизонты расположены один над
другим параллельно или почти параллельно поверхности почвы,
образуют в совокупности почвенный профиль; обозначаются заглавными латинскими буквами с подразделением на подгоризонты.
Выделяются следующие почвенные горизонты и подгоризонты:
A-0 – лесная подстилка (дернина); A-1 – гумусовый (перегнойный)
горизонт; A-2 – элювиальный горизонт (горизонт вымывания); B –
иллювиальный горизонт (горизонт вмывания); С – материнская
горная порода, не затронутая или слабо затронутая почвообразованием.
В верхнем горизонте почвы происходят отложение и накопление органического вещества – перегнойно-аккумулятивный горизонт (у него более темный цвет из-за наличия гумуса). Дерновой
подгоризонт содержит остатки различной степени разложения.
Элювиальный подгоризонт беден органическими веществами и тонкодисперсными минеральными частицами, выносимыми в виде
растворов и суспензий почвенными и грунтовыми водами, и имеет более светлую окраску. Вынос многих питательных веществ из
этих почв обусловливает их пониженное плодородие.
48
49
2.9. Почвы и их происхождение
Глава 2. Строение Земли и земной коры
В иллювиальный горизонт В может поступать вода с верхних
слоев, которая приносит вымытые вещества. Здесь образуются различные новые соединения. Этот горизонт обычно более плотный
и глинистый и постепенно переходит в материнскую породу С.
Материнская порода – это верхний слой горных пород, на котором под воздействием биологических (анаэробные бактерии)
и биохимических процессов, а также под влиянием деятельности
человека происходит образование почвы. Внешними признаками
являются голубоватая окраска грунта, плотное сложение и повышенная влажность. По его наличию можно судить о близости горизонта грунтовых вод.
Внешние морфологические признаки почв
К основным морфологическим признакам почв относятся окраска, сложение, структура, формы новообразований и включений,
общая мощность почв и отдельных генетических горизонтов, характер переходов между горизонтами.
Глава 3. МЕТЕОРОЛОГИЯ. ФИЗИКА
АТМОСФЕРЫ И КЛИМАТ
Вулканическая деятельность приводит к выделению огромного количества газов, которые образуют газовую оболочку планеты – атмосферу Земли. Атмосфера состоит на 21 % из кислорода,
78 % – азота и 1 % – аргона. Кроме этого, есть ничтожно малые примеси углекислого газа, озона, паров воды и еще ряда химических
элементов и соединений. Несмотря на малый процентный состав,
некоторые из них существенно влияют на атмосферные процессы (парниковый эффект, озоновые дыры, эффект ядерной зимы).
По­этому эти компоненты атмосферы называются малыми газовыми составляющими атмосферы. Атмосфера состоит из отдельных слоев, расположенных на разных высотах и имеющих разные
физические и химические свойства: до 18 км от поверхности Земли – тропосфера, до 50 км – стратосфера, до 90 км – мезосфера, до
800 км – термосфера. Кроме того, над атмосферой расположена область магнитных полей Земли, называемая магнитосферой.
3.1. Земной магнетизм (геомагнетизм), магнитосфера
В 1600 г. английский физик У. Гильберт доказал, что Земля ведет
себя как большой магнит. Сегодня нет единой точки зрения на механизм возникновения магнитного поля планет. Наиболее известна гипотеза «магнитного гидродинамо», основанная на признании
существования токопроводящего жидкого внешнего ядра Земли,
в котором турбулентные движения вещества генерируют электрические потоки (рис. 3.1).
Однако существуют гипотезы, относящиеся к внешней причине возникновения геомагнетизма. Одна из них – «внешняя теория
динамо». В 1958 г. возник новый термин в понятии земного магнетизма – магнитосфера. Это область заряженных частиц вокруг
50
51
Глава 3. Метеорология. Физика атмосферы и климат
3.1. Земной магнетизм (геомагнетизм), магнитосфера
Рис. 3.1. Схема образования магнитного поля Земли
Рис. 3.2. Силовые линии магнитного поля
небесного объекта, в которой заряженные частицы удерживаются
его магнитным полем. В 1958 г. были открыты радиационные пояса,
которые являются альтернативным источником для усиления поля
в модели «динамо». В результате этого открытия появилась новая
теория возникновения магнитного поля Земли – «внешняя теория
динамо». Ее суть заключается в том, что поток заряженных частиц
с высокой энергией, излучаемых Солнцем, питает внешний источник магнитного поля в радиационных поясах Земли.
Сильное магнитное поле возникает под действием этих электрических потоков и простирается на расстояние более чем 64 000 км
в космосе. Силовые линии этого поля выходят из одного магнитного полюса Земли и входят в другой (рис. 3.2).
Магнитные поля перемещаются вокруг географических полюсов Земли со скоростью 24 км/ч.
Магнитное поле характеризуется горизонтальной составляющей
напряженности, магнитным наклоном (угол между плоскостью горизонта и вектором напряженности) и магнитным склонением
(угол между плоскостью географического меридиана и между этой
составляющей) в любой точке земной поверхности.
Существование внешнего магнитного поля – магнитосферы –
обусловливает геомагнетизм. В наше время Южный магнитный
полюс отвечает негативному знаку (когда силовые линии направлены наружу), а Северный – позитивному (когда силовые линии поля
направлены в середину Земли).
В геологическом прошлом Земли полярность магнитного поля
время от времени менялась на противоположную.
Основные определения:
• геомагнитные полюсы – точки пересечения магнитной оси
Земли с ее поверхностью;
• геомагнитная широта – угловое расстояние от геомагнитного экватора до рассматриваемой точки поверхности;
• магнитный полюс Земли – точка на земной поверхности,
в которой силовые линии магнитного поля направлены строго под
углом 90° к ней;
• магнитное склонение (D) – угол между географическим
и магнитным меридианами в точке земной поверхности;
• магнитное наклонение (I) – угол между магнитной силовой
линией и горизонтальной плоскостью.
Магнитное поле Земли деформируется солнечным ветром
(потоком элементарных частиц, выпускаемых Солнцем). Магнитное поле на противоположной от Солнца стороне (ночной)
52
53
Глава 3. Метеорология. Физика атмосферы и климат
3.2. Глобальная, или общая, циркуляция атмосферы. Погода и климат
вытягивается в так называемый магнитный хвост Земли, а на обращенной к Солнцу стороне (дневной) – сжимается (рис. 3.3).
магнитного поля Земли выяснилось, что они изменяются практически одновременно. Во время магнитных бурь повышается
вероятность тромбообразования. Вертикальная составляющая магнитного поля Земли изменяется в течение суток, что приводит к изменению скорости оседания эритроцитов в крови.
В ГОСТ 12.0.003–2015 «Межгосударственный стандарт. Система стандартов безопасности труда. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация», введенном в марте 2017 г.,
классифицированы опасные и вредные факторы, обладающие
свойствами физического воздействия на организм человека. К ним
причислены факторы наличия постоянного магнитного поля, чрезмерно отличающегося от геомагнитного поля Земли.
Рис. 3.3. Деформация магнитного поля Земли
под действием солнечного ветра
В тонком верхнем слое земной атмосферы ниже 1000 км солнечные электромагнитные частицы сталкиваются с молекулами азота
и кислорода и возбуждают их, в результате чего происходит свечение, известное как северное сияние, которое видно во всей своей
полноте только из космоса.
С солнечными магнитными бурями связаны наиболее впечатляющие северные сияния, которые синхронны с максимумами солнечной активности и имеют циклы 11 лет и 22 года.
Таким образом, очевидно, что геомагнетизм напрямую влияет на
существование жизни на Земле. По мнению ученых, слабеющая геомагнитная активность является причиной многих расстройств человеческого организма: плохого сна, потери аппетита, снижения
иммунитета, склонности к частым заболеваниям, болезням суставов,
кожи, мочеполовой системы, нервозности и общей слабости. Это явление получило название «синдром дефицита магнитного поля».
И наоборот, во время магнитных бурь происходят некоторые изменения в составе крови. При непосредственном синхронном измерении концентрации лейкоцитов в крови и уровня возмущенности
54
3.2. Глобальная, или общая, циркуляция
атмосферы. Погода и климат
Совокупность движения атмосферных масс крупного масштаба называется общей, или глобальной, циркуляцией атмосферы.
Состояние атмосферы количественно характеризуется значением метеорологических величин. Это – температура, облачность,
осадки, ветер, влажность, солнечная радиация, давление. Такое состояние атмосферы и называется погодой. Погода – сиюминутное
количественное описание атмосферы. Погоду определяет взаимное влияние атмосферы, гидросферы и биосферы; также на погоду
влияют полярные льды. Климатическая система включает взаимоотношения между собой атмосферы, океана, суши, криосферы
и биосферы. Согласно определенному понятию системы, именно
взаимоотношение компонентов системы и создает качественно новую структуру под названием климатическая система. Таким образом, метеорология как наука о Земле объединяет и изучает все
компоненты этой системы, но концентрирует свое внимание на
том, как эти компоненты влияют на характеристики атмосферы,
т. е. метеорологические характеристики.
Статистический режим системы «атмосфера – океан – суша»
(АОС), устанавливаемый за большой промежуток времени, называется климатом.
55
Глава 3. Метеорология. Физика атмосферы и климат
3.3. Получаемая Землей солнечная энергия и широтное распределение...
Замечания
1. Погода и климат на соответствующих промежутках времени
(времена года) циклически изменяются. Изменением климата называется изменение статистического режима АОС на значительных
(геологических) промежутках времени (100–1000 млн лет).
2. Климат формируется под влиянием следующих факторов:
А. Внешние факторы:
• излучательная способность спокойного Солнца;
• положение и движение Земли (степень эллиптичности и наклон орбиты);
• скорость вращения вокруг Солнца и вокруг своей оси;
• наклон оси к плоскости орбиты;
• движение Солнца в галактике.
Эти явления могут быть периодическими.
Б. Внутренние факторы:
• масса и состав атмосферы;
• рельеф суши;
• распределение материков;
• масса и состав океана;
• рельеф океана.
Исключительная неоднородность поверхности Земли и океанов
приводит к увеличению неоднородности климата.
Изменения в атмосфере могут быть вызваны:
• составом и механизмами воздействия малых газовых составляющих (СО2, окислы азота, озон, водяной пар);
• наличием твердых и жидких примесей в атмосфере;
• физикой взаимодействия твердых частиц и газа;
• шероховатостью поверхности, рельефом, альбедо поверхности, влажностью, снежным покровом.
Все это может радикально повлиять на климат.
Палеонтология (по осадочным породам) показала, что климат со
временем изменяется, поэтому очень важно понять причины этих
изменений.
Все вышеперечисленные внешние и внутренние факторы способны влиять на климат. Это влияние носит как медленный (сотни
миллионов лет) и быстрый характер (экологическая катастрофа).
Примеры физических процессов, которые могут привести к быстрым катастрофическим изменениям:
1. Резкое изменение притока солнечной радиации.
2. Резкое изменение перераспределения радиации на Земле (накопление СО2 в атмосфере, накопление фреона в атмосфере, сильное извержение вулканов, ядерные удары).
3. Резкое изменение океанических течений (изменение течения
Эль-Ниньо).
56
57
3.3. Получаемая Землей солнечная энергия и широтное
распределение климатических зон
Солнце излучает равномерно 1026 ккал/с. Основная часть энергии
излучения Солнца приходится на непрерывный спектр электромагнитного излучения Солнца. Это спектр черного тела с температурой t = 6000 ºС. Источником излучения Солнца как черного тела
является внешняя оболочка Солнца, которая называется фотосферой («поверхность Солнца»).
Напомним, что источником излучения на Солнце является реакция термоядерного синтеза. Плотные околоядерные области Солнца
задают режим лучистого переноса. По мере уменьшения плотности
в недрах Солнца образуется слой конвективного переноса. Важно
отметить, что конвективные движения с учетом свойств ионизированной материи отвечают за образование магнитных полей и токов
в недрах и на поверхности Солнца. Эти электромагнитные явления
отвечают за выброс из Солнца потоков элементарных заряженных
частиц. Таким образом, к Земле от Солнца поступают электромагнитное излучение в широком диапазоне волн (от радиодиапазона
до гамма-излучения) и потоки элементарных заряженных частиц.
Электромагнитное излучение определяет все атмосферные процессы на Земле. Потоки частиц высоких энергий возмущают магнито­
сферу Земли и могут влиять на атмосферные процессы и служить
источником экологических катастроф и кризисов.
Когда солнечные лучи достигнут Земли, находящейся на расстоянии 1,5 ∙ 1013 см (150 млн км) от Солнца, они распределятся равномерно на поверхности Земли, составляющей 3 ∙ 1027 см2 (так как
Глава 3. Метеорология. Физика атмосферы и климат
3.3. Получаемая Землей солнечная энергия и широтное распределение...
Земля вращается). Таким образом, 1 см2 площади земной поверхности, перпендикулярный солнечным лучам, получает 0,033 ккал/с.
Кроме того, вследствие сферической формы Земли среднее количество солнечной энергии уменьшается от экватора к полюсам.
Для простоты расчета допустим, что ось Земли перпендикулярна
плоскости орбиты Земли (рис. 3.4).
То есть главным результатом наклона земной оси является не
только смена времен года, но и разное количество энергии, получаемой в среднем за год на различных широтах. Например, на полюс
приходит энергии 0,0042 ккал/(см2∙с) и на экватор – 0,01 ккал/(см2∙с).
Из-за наличия слабой эллиптичности орбиты количество тепла,
получаемое зимой в северном полушарии, несколько меньше, чем
в южном. Изменение среднегодовой температуры как функции широты представлено на рис. 3.6.
1 см
S – площадь сантиметровой широты
Т, К
φ – широта
R – радиус Земли
Рис. 3.4. Среднее количество солнечной энергии от экватора к полюсам
Вся площадь сантиметровой широты будет равна 1 ∙ 2πR cos φ (см2).
Вся радиация, получаемая полосой за секунду, равна 0,833 cos φ 2R ×
× cos φ (ккал).
Средняя величина солнечной радиации на площадку 1 см2 составляет ≈ 0,33 cos φ ∙ 2R cos φ / (2πR cos φ) = 0,01 cos φ (см–2∙ккал∙с–1).
Количество тепла на экваторе: 0,01 ккал/(см2 ∙ с); φ = 0; cos φ = 1;
на полюсе до 0: φ = 90; cos φ = 0.
Так как ось вращения Земли наклонена на 23,5° от перпендикуляра к плоскости орбиты, количество солнечного тепла, приходящего к внешней границе атмосферы, изменяется не только от
географической широты, но и от времени года. Изобразим эту зависимость на рис. 3.5.
300
250
90
0
Экватор
90
Южная широта
Рис. 3.6. Изменение среднегодовой температуры как функция широты
Рис. 3.5. Изменение солнечного тепла в зависимости
от географической широты и времени года
Таким образом, радиационный режим нашей планеты с учетом
ее движений отличается от простой картины, основанной на падающей солнечной энергии. Кроме того, климат связан с механизмами перераспределения солнечной энергии, явлениями отражения,
поглощения, рассеивания в атмосферу. Все эти перераспределенные потоки солнечной энергии приводят к характерным движениям в атмосфере (планетарные ветровые движения, а также циклоны, планетарные океанические течения, возникновение воздушных
и океанических течений).
В целом после всех преобразований и движений Земля наблюдается из космоса как черное тело с температурой 300 К, в отличие от
Солнца, у которого наблюдается температура 6000 К.
Общая картина переизлучения солнечной энергии на нашей планете показывает, что происходит трансформация из световой области излучения в инфракрасную. Бóльшая часть электромагнитной
58
59
Глава 3. Метеорология. Физика атмосферы и климат
3.3. Получаемая Землей солнечная энергия и широтное распределение...
энергии отражается обратно в космос. На Земле остается небольшая доля энергии. Она затрачивается в основном на создание приемлемых для биосферы климатических условий, необходимых для
существования белковой жизни. (Имеются в виду физические и химические условия существования сложных органических молекул.)
Эти условия располагаются в узком диапазоне давлений, температур, влажности. При выходе параметров из этого диапазона выше­
указанные условия исчезают, в результате чего исчезают организмы.
Эти условия создаются в результате взаимодействий сложной термодинамической системы «атмосфера – океан – суша». (Это можно
уподобить естественной тепловой машине, у которой есть нагреватель, холодильник, движение рабочего тела. Если рассматривать
климат как тепловую машину, эти компоненты тепловой машины «воплощаются» в конвективные ячейки в атмосфере и океане.
И лишь ничтожная часть солнечной энергии поступает на упорядоченное движение сложных биохимических молекул – фотосинтез.)
Для примера, распределение солнечной энергии на Луне таково,
что 7 % солнечной энергии отражается, 93 % поглощается породами; далее происходит переизлучение в инфракрасном диапазоне.
Наличие различных компонентов в атмосфере, состоящей из
смеси газов, облаков и пыли, приводит к ряду принципиально важных эффектов. Это происходит из-за того, что некоторые из составляющих атмосферу компонентов поглощают инфракрасные
и ультрафиолетовые спектры света.
Первый эффект состоит в том, что существует так называемый
озоновый слой, который защищает биосферу от разрушения. Озоновый слой возникает, потому что кислород атмосферы взаимодействует с ультрафиолетовым излучением, образуя молекулу озона,
которая сильно поглощает ультрафиолетовый свет – это происходит на высоте 20 км, где есть слой озона. Ультрафиолетовые лучи
обладают большой энергией, которая разрушает биосферу. Но эта
энергия задерживается озоновым слоем.
Второй эффект (называемый парниковым) состоит в том, что воздух содержит углекислый газ – 0,03 % и водяной пар (парниковые
газы). Эти составляющие сильно поглощают инфракрасную радиацию, что создает парниковый эффект и улучшает температурный
режим биосферы. Но все хорошо в меру. Если бы плотность парниковых газов была велика, то энергии поглощалось бы слишком много
и температура повысилась бы до 600 °С, что и произошло на Венере.
Но и другая крайность плоха. Если бы этих газов не было и атмосфера состояла бы из азота и аргона, то она была бы прозрачна для инфракрасной радиации. И тогда отраженная инфракрасная радиация
могла бы пройти обратно без изменения через атмосферу и температурный режим на нашей планете был бы холоднее (как на Марсе).
Кроме того, наличие водяных паров приводит к образованию облаков, которые поглощают и рассеивают солнечный свет, нарушая
тем самым баланс поступления энергии; вместе с тем облака служат
теплоизолирующим слоем. Поэтому в зависимости от физических
свойств облачности она может приводить как к понижению температуры на поверхности Земли, так и к ее повышению. Все это показывает, как радиационные процессы в атмосфере влияют на наш климат.
Если исходное излучение принять за 100 %, то:
• 35 % отражается в космос;
• 65 % поглощается Землей; из них атмосфера поглощает 18 %,
поверхность Земли (суша, океан) – 47 %.
Фактически все 65 % излучаются обратно в ИК-диапазоне в безвоздушное пространство.
При этом отраженное излучение носит тепловой (инфракрасный) характер. Лишь ничтожные доли процента солнечной энергии
высокого качества (свободной энергии) «используются» напрямую
биосферой. Эта свободная (упорядоченная) энергия, усвоенная
биосферой с помощью явления фотосинтеза в молекулах хлорофилла, используется биосферой для организации всех форм белковой жизни на Земле. Вся остальная часть свободной энергии при
переизлучении превращается в тепловую энергию отраженного инфракрасного излучения и «используется» для образования упорядоченных конвективных движений в атмосфере и океане (тепловая
машина Земли). Перенос тепла от земной поверхности в атмосферу
происходит тремя путями:
• 1-я часть – переносится тепловым излучением;
• 2-я часть – переносится нагреванием воздуха, который входит
в контакт с сушей (конъюнктивные ячейки, планетарные ветры);
60
61
Глава 3. Метеорология. Физика атмосферы и климат
3.4. Физика облачных явлений
• 3-я часть – испарение воды (важный климатологический
процесс).
Водяные пары, поднимаясь в атмосферу, конденсируются в различные виды облаков и различные осадки (дождь, снег, град).
Поглощенная атмосферой инфракрасная радиация, теплота и конденсация водяных паров задерживают потерю тепла земной поверхностью, что и создает для биосферы климатический режим.
Обратимся к примеру с Луной и Марсом. Там нет препятствия
для выхода лучевой энергии, поэтому средняя температура поверхности Луны ниже, чем поверхности Земли. Поверхность Луны быстрее остывает в течение лунной ночи, чем Земля, которая ночью
частично покрыта облаками.
На Земле в центре континентов, удаленном от источника влаги,
частично наблюдается эффект, связанный с испарением воды (резко континентальный климат). Кроме того, океан является бóльшим
резервуаром тепла по сравнению с сушей. Он хранит большее количество тепла, чем суша. Океан, таким образом, оказывает «согревающее» влияние на сушу. Особенно это заметно при сезонных
изменениях температуры. Таким образом, океан радикально ослабляет годовые колебания температуры.
полностью уравновеситься уходящей радиацией. Следовательно,
для сохранения энергетического баланса Земли должен быть перенос тепла в направлении полюса. 1/3 тепла переносится океаническим течением, 2/3 – атмосферой. Так как Земля является открытой
неравновесной термодинамической системой, возможно локальное усложнение этой системы, которое приводит к образованию
естественной тепловой машины, что выражается в пространственном переносе тепла в направлении к полюсам. Это создает условие
для образования следующего уровня иерархии сложных систем.
Однако образование этих сложных систем связано с возможной
их неустойчивостью. А неустойчивость приводит к уникальности
и непредсказуемости. Все это свидетельствует о том, что при некоторой стабильности атмоферных процессов существует и «уязвимость» климатических явлений в случае усиления парникового
эффекта или появления озоновых дыр.
Итак, различный широтный радиационный нагрев Земли приводит в действие «тепловую машину» атмосферы. Напомним,
что усвоенная биосферой свободная энергия (с помощью явления фотосинтеза в молекулах хлорофилла) является источником
почти всех форм органической жизни на Земле. Климат Земли
зависит не только от широты. Годовые амплитуды изменения
температуры над материками больше, чем над океанами. Поступающая солнечная радиация взаимодействует с атмосферой, облаками и поверхностью Земли. Энергия переносится от экватора
по направлению к полюсу ветрами и океаническими течениями,
которые обусловлены переносом солнечной радиации в атмосфере Земли. Вода играет важную роль в энергетическом балансе
Земли.
Широтное изменение радиационного баланса
При рассмотрении среднего глобального «бюджета энергии»
Земли было показано, что количество приходящего солнечного излучения понижается от экватора к полюсам. Но реальная картина
(температурный климат) принципиально отличается от геометрической зависимости. Это связано с механизмами поглощения и конвекции энергии приходящей и уходящей радиации.
Появилась возможность для переноса тепла в горизонтальную
плоскость за счет ветров и течений (ветер и течения есть проявление конвективных движений). Таким образом, на Земле, как в более сложной системе, воздушные и океанические течения могут
переносить тепло. При этом в этой системе существуют естественные обратные связи. Из-за этого избыток тепла будет поглощаться
вблизи экватора и выделяться вблизи полюсов. Разумеется, согласно закону термодинамики среднее глобальное поглощение должно
62
3.4. Физика облачных явлений
Процесс образования облачности представляет собой сложную
цепочку физических явлений, в которой сочетаются явления гидродинамики и броуновского движения, а также термодинамики.
Для примера рассмотрим вопрос самосуществования облака. Как известно из определения, облако состоит из капель воды.
63
Глава 3. Метеорология. Физика атмосферы и климат
Почему эти капельки висят в воздухе и не падают? В зависимости
от размера капли есть два объяснения:
1) если размеры капли близки к размерам молекул, то преобладает механизм броуновского движения, который и отвечает за взвешенное состояние капли;
2) механизм динамической вязкости и динамического трения:
как только капли приходят в движение, появляется сила вязкости;
капля падает вниз, но не с непостоянным ускорением, а с постоянной скоростью, которая может быть очень мала.
Это происходит при вязкости Стокса η = 1,8 ∙ 10–5 кг/мс; силе
Стокса F = 6π ∙ ηRV.
2 ρ gR 2
.
Скорость падения капли в зависимости от трения V = × 0
η
9
Вычисленная скорость V годится для ламинарного течения. При
турбулентном вязкость еще более возрастает. С увеличением размеров тела турбулентность увеличивается, как и сила Стокса.
Капля с радиусом 0,01 см падает со скоростью 1 м/с. Если размер капли 0,5 см, то они начинают падать и мы видим дождь на
Земле. При таких размерах преобладает сила поверхностного натяжения, в результате чего капля сплющивается.
Размеры капли, при которых действует броуновское движение,
1,5 ∙ 10–4 см.
Под влиянием гравитации капли падают в виде дождя. Если температура низкая – образуются частицы льда. Сам процесс образования капель в воздухе связан с силами молекулярного притяжения
и с явлением коагуляции. Процессы коагуляции связаны с химическим составом облаков.
3.4. Физика облачных явлений
V
102
10–2
Прекращается броуновское движение
10–4
R0
2
10
10
R1
–2
10
R2
–4
R, см
Рис. 3.7. Зависимость скорости броуновского
движения от размеров частиц
Практически все экологические процессы связаны с химией атмосферы. Явления, которые происходят в атмосфере, отличаются
сложностью химических процессов по двум причинам:
• мы имеем дело с химией коллоидных растворов;
• на поверхностях малых частиц присутствует сложная кинетика химических реакций.
В качестве иллюстрации рассмотрим зависимость скорости броуновского движения от размеров частиц (рис. 3.7).
Верхняя граница облаков определяется общим количеством
влаги в воздухе и проходит там, где инфракрасная прозрачность насыщенного водяного пара становится настолько малой, что пропускает в космос тепловое излучение. Внизу же в облаке температура растет. С ростом температуры быстро возрастает концентрация
насыщенных паров. Нижняя граница облаков определяется точкой
росы (когда образуются капли и начинают падать).
Облака бывают трех видов.
1. Слоистые облака. Образуются при охлаждении малоподвижных воздушных масс, когда верхняя граница облака отдает тепловое излучение в космос или когда происходит движение теплой
влажной массы воздуха над холодной массой или землей.
Туман – слоистое облако, которое лежит у земли или моря.
Дождь из слоистых облаков идет мелкий, моросящий. Для образования крупных капель не хватает толщины облака.
2. Кучевые облака. Они – результат конвекции богатого влагой
воздуха. При конвективном подъеме воздух охлаждается и образуются капельки воды. Поднимаясь вверх, все более охлаждаясь,
воздух конденсирует свою влагу. Охлажденный и оставивший
всю воду воздух растекается в стороны и опускается вниз вокруг
кучевого облака. Именно поэтому облака имеют вид «белых барашков», окруженных безоблачными промежутками. Пролетая на
64
65
Глава 3. Метеорология. Физика атмосферы и климат
самолете, можно видеть картину конвективных ячеек. Мощная
конвекция рождает тучу. Туча – грозовое кучевое облако, находящееся на высоте 10 км. У тучи внутри есть и восходящие и исходящие потоки. Вниз увлекаются падающие льдинки, которые
образуются на вершине облака.
3. Перистые облака. Эти облака образуются кристалликами
льда на самой большой высоте и связаны с быстрыми турбулентными потоками воздуха.
Замечания
Облачность связана с химическими явлениями, поэтому возможны облачные явления в газообразных средах с другими химическими соединениями.
3.6. Явление грозы. Физика электричества в облаках
P
P
х
3.5. Образование циклонов. Облака и циклоны
х
Вид сверху на циклон
Напомним: климат – стабильное явление; погода – меняется постоянно, что связано с таким явлением природы, как циклоны.
При вращении Земли возникает сила Кориолиса, которая «заставляет» закручиваться конвективные ячейки Бенара (компоненты которых являются поверхностными ветрами), вследствие чего
образуются циклоны. Эта гидродинамическая система неустойчива
и непредсказуема. Непредсказуемость движения циклонов усиливается в результате «столкновения» циклонов между собой (проблема «трех тел»).
Мощная облачность, согласно физике, располагается над местами, где давление у поверхности низкое. Туда стремятся закручиваемые кориолисовыми силами поверхностные ветры. Это явление
и называется циклоном (рис. 3.8).
В центре такого циклона воздух поднимается вверх и, охлаждаясь, образует облака. Антициклоном называется область повышенного атмосферного давления у поверхности Земли. В антициклоне
сухой воздух опускается из тропосферы. Поэтому над этими местами безоблачное ясное небо. Циклоны и антициклоны имеют размеры 200–3000 км. Есть один устойчивый циклон, который находится
в районе Исландии. Размеры циклона достигают в высоту 10 км,
в ширину – 4 км.
Облачные капли чаще всего несут в себе электрический заряд. Электризация капель, снежинок и града происходит разными
путями:
а) ударением облачных частиц;
б) захватом частицами ионов воздуха;
в) «разбрызгиванием» капель, т. е. капля разваливается на части.
В момент разрыва получаются заряженные частицы, так как
в разных частях капли находится разное количество электронов.
Поток электронов в верхнем слое облака образует заряженный
слой, который существует на фоне мощных заряженных частиц
в атмосфере и является обкладкой конденсатора.
На рис. 3.9 схематично представлено строение кучевого облака.
66
67
Рис. 3.8. Схема образования циклона
3.6. Явление грозы. Физика электричества в облаках
Глава 3. Метеорология. Физика атмосферы и климат
T, n (температура, высота)
3.8. Явления планетарных ветров и движение циклонов
Р
Р
Р Дождь, гроза
Затишье
давления
Р
х
Рис. 3.9. Схема кучевого облака
Под влиянием гравитации капли падают в виде дождя. Так как
температура низкая, образуются капельки льда.
Облако в верхних слоях имеет положительный заряд, а в нижних – отрицательный. Из-за конвекции происходит сближение зарядов, между областями образуется значительное электрическое поле
и внутри облака возникают электрические разряды. Молния может
быть и на поверхности, так как потоки положительно заряженных
частиц могут быть и над облаком, а не только внизу у земли.
Шаровая молния. В некоторых ситуациях явление электрического
разряда приводит к образованию более устойчивого сгустка плазмы,
который и называется шаровой молнией. Молния «притягивается»
к разным предметам. Здесь действуют законы формирования токов
в проводящей среде. Молния прекращает свое существование, и этот
процесс сопровождается выделением большого количества энергии.
Процесс формирования дождя и грозы сопровождается пространственным изменением давления атмосферы.
На рис. 3.10 представлен график распределения давления.
х
Резкое падение
давления
Рис. 3.10. График распределения давления
гидродинамики процессов слой инверсии очень устойчив и ослабляет вертикальные движения. (Причины инверсии – это противостояние сил Архимеда силам инверсии динамических потоков.)
Граница инверсионных зон получила название атмосферного фронта. Фронт – это зона инверсионного образования облачности (явление менее масштабное, чем циклоны).
С точки зрения экологии инверсионный слой может быть дополнительным механизмом загрязнения воздуха. Так как происходит
подавление силы Архимеда, водяной пар и пыль тоже задерживаются в слое инверсии. К примеру, мелкодисперсная пыль приводит к образованию смога. Следует подчеркнуть, что атмосферные
фронты, являясь неустойчивым гидродинамическим явлением, способствуют усилению неустойчивого характера погодных явлений.
3.8. Явления планетарных ветров и движение циклонов
Инверсией (аномалией) называется приземный слой воздуха, в котором температура возрастает снизу вверх. Это связано с горизонтальными движениями конвективных ячеек. Из-за
Рассмотренные выше по отдельности явления – планетарные ветра, циклоны, облачность, перенос излучения в атмосфере – связаны
между собой положительными и отрицательными обратными связями, что в целом превращает нашу планету в уникальное явление
природы. С учетом сил Кориолиса, конвективные ячейки образуют
огромный циклонический вихрь высотой 9 км, который движется
вокруг планеты (рис. 3.11). Его называют геострофический ветер.
68
69
3.7. Явление атмосферной инверсии. Атмосферные фронты
Глава 3. Метеорология. Физика атмосферы и климат
3.8. Явления планетарных ветров и движение циклонов
Циклоны могут образовываться на малых высотах. Образование
ветров связано с местами прогрева земной поверхности.
Связь климата с ветрами и облачностью
Таблица 3.1
Тип климата
Циркуляция атмосферы
Полярный (70)°
Пассаты
Циклоны
Рис. 3.11. Циклоны. Устойчивый циклонический вихрь в районе Исландии:
* – источники вихрей, места образования циклонов, которые сильно
влияют на климат
Образование циклонов и их существование зависят от облачности, так как температурный режим циклона определяется режимом
поглощения света, который определяется физикой этой облачности. В свою очередь, облачность образуется в результате гидродинамических движений циклона.
Диаграмма связи климата с ветрами и облачностью приведена
в табл. 3.1.
Существуют ключевые механизмы образования климата:
• явление лучистого переноса в атмосфере;
• система динамических движений (система ветров);
• система облачности;
• система океанических течений.
Все вышеперечисленные явления связаны с распределением
воды и суши на планете, что и определяет климат на поверхности Земли. Эти явления имеют в естествознании математическое
описание.
70
Циркумполярные циклоны. Антициклон – Антарктика.
Циклон – Арктика
Умеренный (40°) Западный перенос
Субтропический Субтропические циклоны
(30°)
Тропический
Пассаты
(10°)
Экваториальный Внутритропическая зона конвергенции
(0°)
Перечислим объекты:
• уравнение Навье–Стокса;
• уравнение теплопроводности;
• уравнение неразрывности;
• уравнение гидродинамики.
Все перечисленные математические объекты дают возможность
сформировать математическую модель климата нашей планеты.
Эта модель была получена ученым Никитой Моисеевым.
Мы можем:
• предсказать климатические изменения;
• изучить антропогенные воздействия на климат;
• изучить последствия боевых конфликтов, включая ядерные.
71
Глава 4. Океанология
Глава 4. ОКЕАНОЛОГИЯ
Океанические впадины, образовавшиеся в процессе формирования земной коры, заполняются водой и образуют океаны. Профиль
дна океана описывается как гипсографическая кривая. Отдельные
особенности океанического дна отражены на гипсографической
кривой (рис. 4.1).
• материковый склон (континентальный сброс);
• ложе океана (абиссаль) (от греч. аbyssos – бездонный). Здесь
есть стыки континентальных плит, а значит, и горные гряды. Относительно малая подвижность воды, постоянная температура (ниже 2 °С) и характерно отсутствие света. В абиссали жизнь
представлена микроорганизмами – бактериями, осуществляющими хемосинтез;
• глубоководная впадина (ультраабиссаль). Это зоны с глубиной свыше 6000 м.
Океан занимает 70 % поверхности земного шара. Масса океана – 1,37 ∙ 1021 кг.
С одной стороны, океан – это вода, а с другой – это раствор солей.
Есть два типа солей:
55 %
Na+ 30 %
Cl–
Mg+
3,6 %
Ca+
1,1 %
K+
1,13 %
7,7 %
SO4–
0,19 %
Br–
0,4 %
HCO3–
H3BaO3
–
0,07 %
Перечислим эти структуры:
• материковая отмель (шельф) – это кайма, где продолжается
материк;
Океан – это насыщенный раствор атмосферных газов. Чем он
глубже, тем плотность выше. Если происходит нарушение такой
закономерности, то возникают течения (в основе лежит закон
Архимеда).
Плотность может изменяться за счет испарения (при испарении
соли остаются и плотность повышается).
Все течения делятся:
1) на вызванные ветром;
2) связанные с плотностью и соленостью (термохалинные течения). Доля их от всех видов течения не более 10 %.
В целом на планете из-за ледников на полюсах вода в океанах
опреснена, а в тропиках – соленая (из-за испарения). В итоге образуются так называемые языки (из-за неустойчивости). Вода с разной плотностью образует неустойчивую границу, поэтому языки
сползают к экватору. На поверхности океана образуются течения
в одну сторону, а в глубине – в другую.
72
73
Рис. 4.1. Гипсографическая кривая
Глава 4. Океанология
4.2. Особенности явления турбулентности в океане
4.1. Ветровые течения
Кинетическая энергия океана = 1018 Дж ≈ ρ ∙ V0 ∙ Rз/ωз, где ωз – частота вращения Земли, ωз = 7,3 ∙ 10–5 (с–1).
Эта энергия на три порядка меньше, чем энергия атмосферы.
Все вышесказанное нужно для того, чтобы учесть вязкость турбулентности. Сила, действующая на жидкость, линейно зависит от
глубины Z, поэтому скорость определяется по формуле
Ветры – это основная причина поверхностных течений в океане.
Трение ветра о поверхность воды вызывает сдвиговые силы. Сдвиговая сила на единицу поверхности (сдвиговое напряжение) – это
сила, нормированная на единицу поверхности (σ).
Если W – скорость ветра, а ρ – плотность воды, то σ = f(ρ, W);
σ создает течение жидкости со скоростью V, которая должна меняться с глубиной Z.
Вязкость жидкости – изменение скорости жидкости с глубиной.
Для вязкого движения σ = –ή(dv/dz), где ή – коэффициент вязкости воды.
Виды вязкости жидкости:
• кинематическая (встреча и соударение частиц);
• молекулярная (связана с молекулярными силами, т. е. молекулы притягиваются электронными оболочками);
• турбулентная.
4.2. Особенности явления турбулентности в океане
V0 ≈ σ ∙ Re/ρ0,
где V0 – скорость движения воды на поверхности; Re – число
Рейнольдса (характеристика турбулентности); ρ0 – плотность среды.
Таким образом, V0 ≈ W (W – скорость ветра).
С глубиной (с учетом вязкости) скорость уменьшается.
Если учесть силу Кориолиса FКор = 2ω ∙ V ∙ sin φ, то будем наблюдать спираль Этмана (рис. 4.2).
Z
W
45°
V
x
Турбулентностью называется состояние движения (среды), не­
упорядоченное во времени и пространстве, при котором существуют случайные пульсации скорости вихревого движения на больших
и малых масштабах.
Образуется ряд объектов (вихрей) разного пространственного
масштаба, которые способны взаимодействовать между собой и выплескивать свою энергию на объекты, с ними взаимодействующие
(кавитация, разрушительная сила ураганов и др.). Турбулентность,
с одной стороны, приводит к неустойчивости (непредсказуемости)
движения в средах, а с другой – из-за тесной связи иерархии вихрей
разного масштаба турбулентность вызывает повышенную вязкость
среды. Турбулентность объясняет широкий круг явлений как в атмосферных явлениях, так и в гидрологии, океанологии. Благодаря
турбулентной вязкости кинетическая энергия движения может превращаться в тепло (диссипация энергии).
Благодаря турбулентности вода перемешивается в океане до
глубины 100 м. На большей глубине из-за вязкости жидкость течет
в обратную сторону.
И когда говорят о течениях в океане, то имеется в виду глубина
100 м. При скорости ветра 10 м/с скорость течения 0,1 м/с.
Если бы не было материков, то течения выглядели бы как на
рис. 4.3 (т. е. устойчивые течения, связанные с ветрами); при наличии материков – как на рис. 4.4.
74
75
Рис. 4.2. Спираль Этмана
Глава 4. Океанология
Субарктическое
Северное субтропическое
Северное экваториальное
Южное экваториальное
Южное субтропическое
Субантарктическое
Рис. 4.3. Модельные течения
4.2. Особенности явления турбулентности в океане
1) зона приливов и отливов;
2) бенталь – область водоемов, заселенная донными орга­
низмами.
В толще водоема выделяются:
• эфотическая зона (где есть свет). Это континентальный
шельф, и здесь заключена основная часть биомассы;
• афотическая зона (бессветовая), характеризующаяся практически полным отсутствием фотосинтеза.
Бентос – организмы, населяющие дно водоема (свет в явном
виде не используют). Бентос может быть и не глубоководным (например, во впадинах эфотической зоны).
На границе со светом обитает важная биологическая компонента
планктон, а чуть ниже – нектон (головоногие моллюски, морские
змеи и др.). В эфотической зоне активно используется фотосинтез. Океан является наиболее вероятным источником образования
жизни на Земле. Термодинамические и биохимические условия
в Мировом океане в сочетании с атмосферой обеспечивают благоприятные и стабильные условия существования жизни на Земле.
Рис. 4.4. Реальные течения
Сами по себе течения – это локальное явление. Толщина течения 30–40 км (похоже на реку в океане с устойчивыми границами),
устойчивая скорость ~ 2 м/с.
Океан характеризуется тем, что это, прежде всего, резервуар
водных масс, выступающих в роли «колыбели» жизни на Земле.
Океан выступает в качестве рабочего тела планетарной тепловой
машины, обеспечивающей существующие климатические и погодные явления.
Тем не менее биомасса океана на порядок меньше, чем биомасса Земли. Зоны концентрирования биосферных явлений в океане – это:
76
77
Рекомендуемая литература
1. Дьяченко В. В. Науки о Земле : учеб. пособие / В. В. Дьяченко, Л. Г. Дьяченко, В. А. Девисилов. – М. : КноРус, 2014. – 300 с.
2. Нестеров Е. М. Геология, геоэкология, эволюционная география : моногр. Т. XII / Е. М. Нестеров [и др.]. – СПб. : РГПУ им. А. И. Герцена, 2014. –
356 c. – URL: http://www.iprbookshop.ru/21446
3. Савин С. Н. Сейсмобезопасность зданий и территорий : учеб. пособие /
С. Н. Савин, И. Л. Данилов. – СПб. : Лань, 2015. – 240 с.
4. Горохов В. Л. Теория системного анализа и принятия решений в БЖД :
учеб. пособие / В. Л. Горохов, В. В. Цаплин; СПбГАСУ. – СПб., 2016. – 108 с.
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................... 3
Глава 1. ВСЕЛЕННАЯ И ЗЕМЛЯ................................................................. 5
1.1. Место Земли во Вселенной................................................................ 5
1.2. Планеты и строение Солнечной системы....................................... 11
Глава 2. СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ И ЗЕМНОЙ КОРЫ.................................... 13
2.1. Строение Земли и ее оболочек......................................................... 13
2.2. Минералы земной коры.................................................................... 14
2.3. Главные породообразующие минералы.......................................... 17
2.4. Горные породы................................................................................... 18
2.5. Геологическая деятельность внутренних (эндогенных) сил
Земли......................................................................................................26
2.6. Геологическая деятельность внешних сил Земли (экзогенных)...... 36
2.7. Развитие жизни на Земле.................................................................. 41
2.8. Понятие грунтов................................................................................ 45
2.9. Почвы и их происхождение.............................................................. 46
Глава 3. МЕТЕОРОЛОГИЯ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И КЛИМАТ...... 49
3.1. Земной магнетизм (геомагнетизм), магнитосфера......................... 49
3.2. Глобальная, или общая, циркуляция атмосферы. Погода
и климат.................................................................................................53
3.3. Получаемая Землей солнечная энергия и широтное
распределение климатических зон......................................................... 55
3.4. Физика облачных явлений................................................................ 61
3.5. Образование циклонов. Облака и циклоны.................................... 64
Оглавление
3.6. Явление грозы. Физика электричества в облаках........................... 65
3.7. Явление атмосферной инверсии. Атмосферные фронты.............. 66
3.8. Явления планетарных ветров и движение циклонов..................... 67
Глава 4. ОКЕАНОЛОГИЯ........................................................................... 70
4.1. Ветровые течения.............................................................................. 72
4.2. Особенности явления турбулентности в океане............................. 72
Рекомендуемая литература.......................................................................... 76
Учебное издание
Горохов Владимир Леонидович,
Цаплин Виталий Васильевич,
Савин Сергей Николаевич
ГЕОЭКОЛОГИЯ И НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Учебное пособие
Редактор О. Д. Камнева
Корректор М. А. Молчанова
Компьютерная верстка В. Е. Королевой
Подписано к печати 20.02.2018. Формат 60×84 1/16. Бум. офсетная.
Усл. печ. л. 4,6. Тираж 100 экз. Заказ 13. «С» 8.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, ул. Егорова, д. 5/8, лит. А.
80
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 876 Кб
Теги
gorohove, geoekologiy
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа