Реферат Представления о геосферах в классической науке
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
от 25%
договор
Введение
Различные науки о Земле достигли уже такого уровня, когда становится все более актуальной задача рассмотрения всей нашей планеты в целом.
Земля входит в состав системы, где центром является Солнце, в котором заключено 99,87% массы всей системы. Характерной особенностью всех планет Солнечной системы является их оболочечное строение: каждая планета состоит из ряда концентрических сфер, различающихся составом и
состоянием вещества. Земля и окружающая ее среда сформировались в результате закономерного развития всей Солнечной системы. Около 4,7 млрд. лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газопылеватого вещества образовалась планета Земля. Как и другие планеты, Земля получает энергию от Солнца, достигающую земной поверхности в виде электромагнитного излучения. Солнечное тепло — одно из главных слагаемых климата Земли, основа для развития многих геологических процессов. Огромный тепловой поток исходит и из глубины Земли. По новейшим данным масса Земли составляет 5,98 • 1021 т, объем - 1,083-1012 км3, площадь поверхности ~ 510 млн. км2. Размеры, а следовательно, и все природные ресурсы нашей планеты ограничены.
Форма Земли близка к шару, сплюснутому у полюсов. Такую форму называют сфероидом. Средний радиус 3емли равен
На основании изучения характера распространения сейсмических волн, определения массы и плотности Земли, распределения водного и воздушного пространства установлено, что наша планета имеет неоднородное строение и так же, как другие планеты Солнечной системы, состоит из концентрических оболочек (геосфер) — внутренних и внешних.
К внутренним геосферам относятся: ядро, мантия и литосфера, к внешним - магнитосфера, гидросфера, атмосфера и биосфера.
Одним из самых важных элементов будущей теории Земли, несомненно, явится сложная проблема взаимодействия друг с другом различных геосфер.
Представления о геосферах в классической науке
Оболочечное строение Земли было установлено в глубокой древности. В виде эмпирического обобщения этот факт выступал уже в античной науке, а более отчетливое выражение он нашел в концепциях Р. Декарта, Г. Лейбница, Ж. Бюффона, А. Гумбольдта, Э. Зюсса и др. Зюсс явился создателем классической теории оболочечного строения Земли в той общей форме, которая легла в основу дальнейшего развития наук о Земле. В. И. Вернадский стал теоретиком современного, отчасти уже неклассического учения о таксономии, структуре, строении и взаимодействии геооболочек и геосфер как атрибутивных компонентов Земли. До настоящего времени основой геосферной проблематики остается разработка таксономии геосфер и оболочек, которая составляет контур всего геономического знания. Проведенная попытка таксономии геосфер и оболочек (Круть, 1973) показала исключительную ее сложность и трудность для восприятия. В предлагаемом изложении мы подойдем к той же проблеме двумя путями — историческим в этой главе и систематическим в следующих главах.
Геосферами будем называть главные компоненты и элементы Земли как целостной системы (соответственно и ряда других планетных тел), которые выделяются на разных уровнях ее организации. Геосферы представляют собой концентрические тела, частично образующие оболочечную структуру — геооболочки. В их пределах интегрально и дифференциально взаимодействуют геофизические, геохимические, геологические, географические и биологические объекты. В принимаемом значении геосферы это — тела-системы, а не просто области распространения, что часто смешивается.
Оболочечная структура мира нашла отражение во многих мифах древности, в которых Земля и Космос рассматривались в единой системе. Сходные мотивы этого рода проходят в сказаниях Индии, Китая, Вавилона, Египта и др. По древнегреческой космологии из первоначального Хаоса организуются Земля и Небо, в зияющей пустоте между которыми возникают различные природные объекты, включая органический мир.
В натурфилософии Анаксимандра (VI в. до н. э.) сферическую структуру образуют земля, вода, воздушный слой, огненная сфера. В гераклитовской динамической картине мира сферы циклически взаимопревращаются в круговороте циклического года. Не менее древнее пифагорейское учение о шарообразной Земле и гармонии небесных сфер детализируется Парменидом в виде сложной системы концентрических венцов. У Анаксагора, Эмпедокла, Левкиппа, Демокрита (V в. до н. э.) прослеживаются представления о происхождении главных сфер из атомного вихря. Платон (IV в. до н. э.) рассматривает Космос как живое целое, главные элементы-стихии которого (огонь, земля, вода, воздух) характеризуются специфическими формами и сложными пространственными отношениями; так, огненная сфера пронизывает небо и землю в виде светового столпа.
Аристотель ищет причину сферической структуры Земли и ее окружения в стремлении каждой из четырех стихий к «естественному месту» (о занявшей высшее положение сфере огня сохранилась память в слове «эмпйрейский», употреблявшемся поэтами многих веков); он добавляет также пятую сферу-субстанцию, которая проникает все другие, — эфир. Аристотелевская концепция внешних сфер нашла продолжение в расходящихся направлениях: 1) александрийской астрономии при установлении сфер вращения небесных тел (III в. до н. э.— II в. н. э.) и 2) неоплатонических умозрениях об идеальных сферах и эманациях мировой иерархии (III—VI вв.). Древнегреческие представления развиваются в представлениях римских авторов I в. до н. э. — I в. н. э. о слоистом распределении водных, воздушных и огненных субстанций внутри Земли и над ее поверхностью (Лукреций, Сенека, Плиний Ст.).
Искания последующих мыслителей — христианских, а также арабских — не дали нового знания о природных сферах, хотя в средневековой картине мира, а затем в натурфилософии Возрождения конструировались иерархические сферы земного и небесного бытия. Существенным результатом было, однако, бесспорное подтверждение сферичности Земли и ее главных оболочек Великими географическими открытиями в XV—XVI вв.
Так компонентом мифологического, религиозного и натурфилософского миропонимания стал во многом эмпирический вывод о наличии и взаимодействии главных геосфер: твердой Земли («террасферы»), жидкой и воздушной оболочек (гидросферы и атмосферы), а также огненной сферы (гипотетического прообраза ионосферы). Вещественные сферы, различающиеся по преобладающему агрегатному состоянию, проникаются эфиром (предвосхищение полевой материальной субстанции). Можно даже вольно интерпретировать платоновский «световой столп» как догадку об электромагнитосфере, а аристотелевское тяготение к «естественному месту» — о грависфере. Вещественные геосферы, различающиеся по агрегатному состоянию вещества, включают в себя участки друг друга. Идея геосфер оказалась перспективной для астрономии и географии, а также стимулировала дальнее мореплавание, в свою очередь подтверждаясь им. Сферическая структура Земли, установленная в предыстории нового естествознания, становится для него одной из руководящих идей. Проблема геосфер, исходящая уже из коперниковского гелиоцентризма, решается на взаимопересекающихся путях, во-первых, экспериментально-математической механики и физики и, во-вторых, натуралистского описательного знания, в том числе географического.
Первая научная революция XVII в. знаменуется обоснованием классической теории гравитационного поля Земли, начатым Г. Галилеем (с
«Индуктивной» науке принадлежало также открытие магнитного поля Земли, рассмотренной В. Гильбертом (
Другое, во многом «дедуктивное» и натурфилософское направление отличалось далеко идущей экстраполяцией эмпирических данных. Вихревая космогония Р. Декарта (
В эпоху естественнонаучной систематизации и натуралистских синтезов XVIII в. успехи физико-механического изучения геосфер сравнительно скромны. А. Клеро (
Геологические концепции расходились в оценке доминирующей роли во внутренних и приповерхностных процессах либо воды (И. Шейхцер,
В дифференцированном естествознании XIX в., когда описательные и «точные» исследования сблизились, связующим звеном идей о геосферах выступили кантовская космогония и небулярная геогения П. Лапласа (
Во второй половине века, когда усиливалось взаимодействие естественных наук, в силу космогонической и геологической простоты и наглядности продолжает доминировать флюидизм в сочетании с контракционистской геотектоникой (Э. Науманн,
В классическом естествознании представления о геосферах получают астрономическое, физическое, химическое, геолого-географическое обоснование. Существенно, что гравитационное и магнитное поля Земли рассматриваются обычно не в качестве геосфер, а как свойства вещественных сфер. Вместе с тем открытие такого природного объекта, как электромагнитное поле, а также установление связи земного магнетизма с атмосферным электричеством наводят на предположение о существовании самого внешнего по отношению к вещественным геосферам электропроводящего слоя (К- Гаусс,
Геосферная проблематика географии, берущая начало в понятии «земноводного шара» Б. Варениуса (XVII в.), оформляется на стыке комплексного космосоведения (Гумбольдт с
Э. Зюсс (1875, 1909 гг.) противопоставил усиливающейся дифференциации геолого-географических и смежных наук синтетическую концепцию геосфер. Основой концепции были небулярная «горячая» космогония, метеоритная модель химического и минералого-петрографического состава вещества Земли, первые сейсмометрические данные о внутренней ее структуре, а также региональные и исторические геологические обобщения. Твердая Земля, к которой в те времена обычно прилагали термин «геосфера», подразделялась в концепции Зюсса на тяжелую внутреннюю «барисферу» и вышележащую каменную оболочку — «литосферу». Литосфера облекается другими вещественными агрегатными геооболочками — «гидросферой» и атмосферой. Понятие живой оболочки как совокупности всех организмов фиксируется термином «биосфера». Барисфера представляет собой железо-никелевое по составу земное ядро (так называемая нифе), агрегатное состояние которого может быть полностью или частично жидким. В литосфере выделяется два слоя: во-первых, промежуточный между барисферой и корой кремниево-магниевый по химическому составу слой (сима) и, во-вторых, прерывистая и неоднородная легкая земная кора (саль, впоследствии переименованная в сиаль). В верхней части коры выделяется геосфера более высокого порядка — осадочная оболочка коры, или стратисфера. Зюссовская таксономия геосфер явилась итогом и основой дальнейшего развития наук о Земле.
Термин «геосфера» в родовом смысле ввел в
В итоге классической науки для Земли в целом выделяются вещественные агрегатные геосферы первого порядка: террасфера, гидросфера, атмосфера, а также внешний электрический слой. В качестве геосфер второго порядка в террасфере рассматриваются предполагаемое жидким или твердым земное ядро, промежуточная пластичная оболочка, твердая кора. С агрегатными вещественными геосферами в основном совпадает химическая дифференциация — нифе, сима, сиаль, воды и воздух (смесь газов). Геологическое содержание вкладывается в понятие о литосфере и ее подсистемах, в частности стратисфере. Для приповерхностных геооболочек характерна горизонтальная неоднородность. На стыке литосферы, гидросферы и атмосферы выделяется область географических явлений, в которой выявляются педосфера, биосфера, антропосфера и даже психосфера. Геосферы сложно взаимодействуют и частично взаимопревращаются, а также дифференцируются и интегрируются; но расшифровка этих процессов становится делом последующей геофизики, геохимии, геологии, географии, планетологии, автономизация которых как наук привела к отраслевому расчленению оболочечной проблематики.
Становление «неклассического» учения о геосферах
Развитие учения о геосферах в XX в. связано с успехами геофизики и геохимии, которые в эпоху новой научной революции продолжили традиции классической физики и химии, используя также «неклассические» данные о корпускулярно-волновых свойствах полей и частиц, радиоактивности, изотопах и др. Геофизические и геохимические модели Земли стали интерпретироваться в рамках отдельных отраслей геологии и географии, а комплексное обобщение получили в трудах В. И. Вернадского, которыми был подготовлен новый теоретический синтез в учении о геосферах и неклассический подход, проявившийся в более полной мере лишь в эпоху научно-технической революции второй половины нашего века.
В первой половине XX в. основой представлений о геосферах остается преимущественно «горячая» космогония в варианте Д. Джинса (
Дальнейшее развитие сейсмической картины геосфер связано с детализацией и уточнением этих открытий отчасти путем увязки сейсмических данных с термическими, электромагнитными, гравитационными, радиологическими. В отличие от фундаментальных физических полей сейсмическое поле представляет собой область изменения упругих характеристик вещества, распределения его механических свойств — иными словами, оно является «квазисферой». Данные по квазисферам — сейсмической, термической, барической — в сочетании с характеристиками сфер фундаментальных полей — гравитационного, электромагнитного, радиоактивного — становятся источником сведений об агрегатных и фазовых состояниях глубинных вещественных геосфер. Так, например, А. Ф. Капустинским (
Геохимическая интерпретация состава геосфер, проводившаяся параллельно с построением геофизических схем, связывалась либо с признанием метеоритной аналогии (Ф. Кларк,
Геотектонические концепции основывались на геологических обобщениях и моделях физических геосфер, менее учитывая геохимические их трактовки. Поэтому и контракционная гипотеза долго оставалась наиболее распространенной. В связи с гипотезой изостазии возник тектонический мобилизм: представление о дрейфе материков, плавающих в вязком подкоровом слое (Ф. Тейлор,
Гидросфера, целостное понимание которой обосновывалось лишь некоторыми учеными (Дж. Меррей,
В
Новый синтез оболочечной концепции Земли принадлежал В. И. Вернадскому (1924, 1926, 1944 гг.). Он писал: «Некоторые формы нахождения элементов — магмы, рассеяния, молекулы и кристаллы (минералы), живые вещества — не могут быть сведены ни к фазам, ни к химическому элементарному составу вещества, а между тем они характеризуют особые геосферы. Такие геосферы, или оболочки (как, например, биосфера), научно установлены как особые системы динамических равновесий таким огромным количеством эмпирических фактов, что они ни в коем случае не могут быть оставлены без внимания». Вернадским различаются геосферы, выделяемые по одному особому параметру (термодинамические, фазовые, энергетические и др.), а также земные оболочки второго рода, которые являются многокомпонентными системами, охватывающими несколько геосфер первого рода. К оболочкам второго рода относятся «земная кора» (геологическая оболочка) и биосфера, понимаемая (в отличие от Зюсса) как система косного и «живого» вещества. Оболочки второго рода являются «парагенетическими» геосферами; для них характерны не физико-механические свойства, а организованность и саморазвитие. Так, биосфера как целостная совокупность автономных гео и биосистем обладает полем внутреннего динамического равновесия, тогда как термодинамическое поле определяет лишь область существования биосферы и ее подсистем. Земная кора, включающая гранитную, метаморфическую, осадочную оболочки, а также ландшафтную оболочку («геохору» — термин Л. С. Берга), гидросферу и тропосферу, рассматривается не традиционно — как кора застывания, а в качестве сложноорганизованной геологической системы.
Развернуто излагает Вернадский теорию биосферы, гидросферы и геохимических оболочек. Земная кора рассматривается в качестве «былых биосфер». Особенное значение придается связи геосфер с Космосом, их симметрии и диссимметрии, а также пространственно-временным последовательностям и пересечениям. Концепция геосфер включает неклассические представления о различных состояниях пространства и времени. В. И. Вернадский обосновывает понятие о новом специфическом состоянии (стадии) биосферы — о сфере разума, или «ноосфере» (термин введен в
Современная концепция геосфер
С середины нашего века, несмотря на дальнейшую дифференциацию естествознания, взаимодействие наук при изучении геосфер усилилось, при этом активнее стали пересматриваться классические представления. «Горячие» космогонии, подвергнутые радикальной критике (В. И, Вернадский; Г. Рессел,
Согласно господствующим ныне представлениям, Земля возникла из рассеянного околосолнечного газово-пылевого вещества, состоящего из всех химических элементов, и претерпела постепенный разогрев за счет радиоактивности, в процессе чего дифференцировались геосферы. По распространенной гипотезе А. П. Виноградова (с
Геофизическое, геохимическое и геологическое «открытие» Луны и зондирование других планетных тел позволили приступить к построению моделей их геосфер, но не дали пока однозначных ответов на коренные вопросы структуры и состава внутренних оболочек планет земного типа.
«Неклассические» теории гравитационного поля позволили трактовать «грависферу» (термин Р. М. Деменицкой,
Если взаимосвязь грависферы с вещественными массами Земли и Луны сравнительно проста, то сложнее взаимодействия вещественных геосфер с геоэлектромагнитосферой, которая с развитием квантовой теории поля признается как целостное естественное тело. Электромагнитосфера с ее разномасштабными и быстро меняющимися подсистемами и компонентами находится в весьма сложном активном взаимодействии с электромагнитными полями Солнечной системы. Электромагнитосфера, локально, в виде «хвоста», выходящая за пределы грависферы, обладает по сравнению с последней менее выраженной центральной симметрией. Происхождение, динамику и структуру электромагнитосферы связывают с гипотетическими перемещениями вещества в ядре Земли (так называемая динамотеория — В. Эльзассер,
Данные по электромагнитосфере, как и грависфере, служат индикатором внешних и внутренних вещественных геосфер. Верхняя подсистема электромагнитосферы, не вполне точно именуемая магнитосферой, открыта и исследована ракетным и спутниковым зондированием; к ее внешней стороне (около 80 тыс. км от центра Земли) приурочена переходная область околоземной и солнечной плазмы — магнитопауза. Ионосферная плазма образует первую сверху вещественную агрегатную геосферу. К ионосфере и частично перекрывающим ее внешним зонам атмосферы приурочены радиационные поясы Земли (Дж. Ван Аллен, Л. А. Франк, С. Н. Вернов, А. Е. Чудаков). В атмосфере — второй агрегатной вещественной геооболочке — по термическим данным выделяются верхние слои: сначала термосфера (с
В гетеросфере содержатся примитивные газообразные минералы, которые в гомосфере, начиная с мезосферы, образуют ассоциации газовых минералов, эквивалентные уже горнопородному уровню. В нижних слоях стратосферы и в тропосфере метеорологией и климатологией изучаются более сложно организованные водно-воздушные геосистемы, близкие по уровню организации естественным телам типа геоформаций. Примерно на тех же уровнях (минеральном, горнопородном, геоформационном) организовано вещество третьей агрегатной оболочки — гидросферы, целостное представление о которой вслед за Вернадским развивает Б. Л. Личков (
Основой интеграции представлений о «твердой» Земле— террасфере — по-прежнему являются данные сейсмометрии, затем гравиметрии, магнитометрии и электрометрии, термометрии, а также геохимические и минералого-петрографические экстраполяции, геолого-тектонические гипотезы. Структурный каркас террасферы, намеченный ранее сейсмическими моделями Б. Гутенберга — К. Буллена, детализируется и по-разному интерпретируется с применением ЭВМ. Исходным эмпирическим репером служит вещество земной и лунной коры, а также метеоритов.
В 40—50-х гг. обосновывается горизонтальная неоднородность земной коры (оболочки А) по континентальному и океаническому ее типам (Е. Ф. Саваренский,
Мантию Земли образуют слои В (распространяющийся примерно до глубины
Нижняя мантия (слой Д) предполагается структурно однородной и состоящей из смеси окислов магния, алюминия, кремния, титана, железа (В. А. Магницкий, А. П. Виноградов); ее сейсмическая граница с ядром наиболее резка. Земное ядро разделяется на условно «жидкий» внешний слой (до глубины 5 тыс. км) и твердую внутреннюю сферу (до
Структурно-вещественная картина «твердых» геосфер дополняется представлениями об их взаимодействиях и глобальной динамике. Уже в 50-х гг. начавшееся массированное изучение дна океанов установило планетарную систему срединно-океанических хребтов и рифтовых долин, к осевым зонам которых приурочены наибольшие значения теплового потока. Неожиданно тепловой поток оказался примерно равным на континентах и океанах (Е. Буллард, с
Предполагается, что, зарождаясь вдоль срединных хребтов, плиты «всасываются» в мантию под островными дугами и окраинами континентов в так называемых зонах Беньофа. Механизм движения плит может быть вызван конвекционными течениями в мантии (А. Холмс, с
Неомобилистские гипотезы подвергаются критике (Г. Джеффрис,
Заключение
Итак, картина геосфер как компонентов Земли на разных уровнях ее организации являет полииерархическую, развивающуюся и отчасти саморегулирующуюся систему. Если образование физических геосфер (полевых и вещественных, агрегатных и фазовых) обусловлено в основном космическими факторами, в том числе геогенией, то возрастание организации геосистем, формирующее «надфизические», а затем и «надвещественные» геосферы и усложняющее взаимодействия всех оболочек, является преимущественно земным процессом. Организация геосфер усложняется в направлениях «сверху» и «снизу». Эндогенный «организационный поток» идет от центра Земли (прямая иерархия), а экзогенный — со стороны Космоса (контриерархия). Концентрическая шаровая симметрия планеты осложняется этими встречными организационными процессами, ведущими к образованию интегративных геосфер, которые тяготеют к осевой сферической поверхности геоида. По отношению к последней проявляется криволинейная билатеральная симметрия размещения геооболочек. Еще более осложняется симметрическая структура региональной и горизонтальной диссимметрией. Эти структурно-симметрические закономерности проявляются уже на уровнях геофизических и более явны при переходе к геохимическим оболочкам: химическая организация, отсутствующая во внешних полевых геосферах и, возможно, «вырожденная» в центре Земли, наиболее усложняется в приповерхностной зоне террасферы и сразу над ней.
Интегративная геосистемная, или геологическая, оболочка с «надхимической» организацией вещества расположена между глубинными и внешними геосферами, в которых нет минералов. Снизу и сверху в ней последовательно появляются минеральная, горнопородная, геоформационная оболочки, а в осевой зоне развиты «надвещественные» сферы тектонической, стратиграфической, географической организаций, объемлемых понятием «земная кора», по Вернадскому.
К интегративным геосферам относится также антропосфера, наложенная на биосферу, биогеосферу, географическую и геологическую оболочки; в связи с ней обосновываются понятия психосферы, социосферы (Ю. К. Ефремов,
Современные представления об интегративных геосферах все сильнее делают акцент на экологических аспектах. Таксономия геосфер становится одной из основ достаточно полной и эффективной теории взаимодействия природы и общества.
Список использованной литературы:
1. Будыко М.И. Глобальная экология. – 1977.
2. Иоганзен Б.Г. Организм и среда. – Кемерово, 1991.
3. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. – Ростов-на-
Дону, 2003.
4. Новиков Г.А. Основы общей экологии и охраны природы. –
Л.: Издательство ЛГУ, 1979.
5. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек. – М.:
Гранд, 2003.
6. Одум Ю. Экология. – М.: Мир, 1986.
7. Степановских А.С. Общая экология. – Курган «Зауралье»,
1999.
8. Степановских А.С. Прикладная экология. – М.: Юнити, 2003.
9. Уразаев Н.А. Сельскохозяйственная экология. – М.: Высш.
шк., 2000.
10. Шилов И.А. Экология. – М.: Высш. шк., 2001.