Геосистема высшего ранга: географическая оболочка (эпигеосфера)

Географическая оболочка впервые была определена П. И. Броуновым еще в 1910 г. как “наружная оболочка Земли”. Это наиболее сложная часть нашей планеты, где соприкасаются и взаимопроникают атмосфера, гидросфера и литосфера. Только здесь возможно одновременное и устойчивое существование вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях. В этой оболочке происходит поглощение, превращение и накопление лучистой энергии Солнца; только в ее пределах стало возможным возникновение и распространение жизни, которая, в свою очередь, явилась мощным фактором дальнейшего преобразования и усложнения эпигеосферы. Наконец, внутри этой оболочки появился человек, для которого она стала географической средой - средой обитания и преобразовательной хозяйственной деятельности.

Эпигеосфера не имеет резких границ, она открыта воздействиям как из Космоса, таки из глубинных толщ планеты, в которые постепенно и переходит. Верхние пределы эпигеосферы обычно проводят по тропопаузе - пограничному слою между тропосферой и стратосферой, лежащему в среднем на высоте 10-12 км от уровня Океана. Ниже этой границы свойства воздушной оболочки в значительной мере определяются влиянием подстилающей поверхности суши и Океана, откуда поступают тепло и влага, а также твердые частицы и живое вещество (бактерии, споры и пыльца растений и др.).

Более спорны нижние границы эпигеосферы, во всяком случае, они лежат не глубже 3-5 км, куда еще проникают газы атмосферы, вода в жидком состоянии (правда, в виде очень горячих и сильно минерализованных растворов) и некоторые бактерии. Гидросфера полностью входит в географическую оболочку - вплоть до самых больших глубин (11 км), где обнаружены живые существа (бактерии).

Целостность эпигеосферы определяется взаимообусловленностью ее компонентов, непрерывным вещественно-энергетическим обменом между ними, который по своей интенсивности значительно превосходит обмен между эпигеосферой в целом, с одной стороны, и открытым Космосом и глубинными толщами планеты - с другой.

Структура эпигеосферы чрезвычайно сложна, причем четко выражены как ее вертикальная, так и горизонтальная составляющие. Три основных структурных блока - тропосфера, гидросфера и осадочная оболочка земной коры (стратисфера) - расположены в виде ярусов в соответствии с их плотностью. Четвертый блок (компонент) - биосфера как совокупность всех организмов - не образует самостоятельной оболочки, а пронизывает все три главных яруса. При этом живое вещество в основном сосредоточено в зонах непосредственного контакта трех неорганических сфер, образуя, по выражению В. И. Вернадского, “пленки жизни”. Таких “пленок”, а по существу внутренних контактных структурных ярусов эпигеосферы, получается три: на стыках атмосферы - литосферы, атмосферы - гидросферы (точнее - Мирового океана, или океаносферы) и океаносферы - литосферы (рис. 2).

Наибольшей сложностью выделяется контактный слой, или сфера наземных ландшафтов (иногда называемая ландшафтной оболочкой), включающая поверхностную толщу земной коры - зону гипергенеза мощностью в десятки или сотни метров (максимум до 500-800 м) и приземный слой тропосферы до высоты 30-50 м, пронизанный наземными частями растительного покрова. В сущности, эта структурная единица географической оболочки формируется на контакте всех трех неорганических сфер, поскольку и гидросфера широко представлена здесь разнообразными скоплениями поверхностных и подземных вод. Здесь же сосредоточена подавляющая часть (не менее 99%) живого вещества Земли. В этой тонкой “пленке жизни” находятся основные механизмы трансформации вещества и энергии Земли, это своего рода “главная кухня” эпигеосферы, непрерывно поглощающая и преобразующая солнечную энергию; здесь интенсивно протекают процессы влагообмена, миграции химических элементов, разрушения горных пород, переноса и аккумуляции рыхлых наносов, биологического синтеза и разложения, формирования почв, различных форм рельефа и т. д.

Сфере наземных ландшафтов присуща пестрота и контрастность от места к месту, т.е. ярко выраженная латеральная структура: эта сфера слагается из множества геосистем регионального и локального порядков, о чем будет рассказано ниже.

Второй контактный ярус приурочен к зоне непосредственного взаимопроникновения и взаимодействия гидросферы и тропосферы, в нее входят поверхностная толща Мирового океана (на глубину до 150-200 м) и примыкающий к нему подводный слой тропосферы. Газы тропосферы проникают в водную толщу, движение воздушных масс способствует ее интенсивному перемешиванию. Благодаря проникновению солнечных лучей поверхностный слой Океана заселен зелеными растениями, хотя плотность их (на единицу площади) значительно меньше, чем на поверхности суши. Эта “пленка” является аналогом сферы наземных ландшафтов, и ее можно назвать сферой океанистических ландшафтов. Здесь наблюдается также латеральная дифференциация (в данном случае ее можно без натяжек считать горизонтальной, так как поверхность Океана, в отличие от суши, действительно горизонтальна) и формируются особые геосистемы, но не наблюдается такой пестроты и контрастности, как на суше.

Наконец, третий контактный ярус эпигеосферы - это сфера подводных ландшафтов. Она включает океанистическое дно вместе с придонным слоем водной толщи Мирового океана. Здесь при большом участии остатков водных организмов формируются донные илы - аналог почвы. Хорошо выражена латеральная дифференциация, особенно на шельфе, где обильное поступление вещества с суши в сочетании с солнечным освещением и интенсивным перемешиванием создает благоприятные условия для развития водорослей и различных беспозвоночных.

Функционирование эпигеосферы осуществляется за счет энергии, приходящей в основном извне, и прежде всего лучистой энергии Солнца. Тепловой поток из глубин Земли эквивалентен всего лишь 0.02-0.03% потока солнечной энергии. Кроме того эпигеосфера обладает большими запасами потенциальной энергии, накопленной за счет тектонических процессов и равной примерно половине ежегодно приходящего к Земле потока электромагнитного излучения Солнца. Эта энергия реализуется (превращается в кинетическую) при денудации, т.е. перемещении твердых масс обломочного материала (обвалы, оползни и др.). Запас энергии иного рода - потенциальной химической - накоплен в осадочной толще организмами за всю историю их существования и в настоящее время расточительно расходуется человечеством.

Поглощенная солнечная радиация расходуется главным образом на нагревание поверхности Земли и океанов (при этом между тремя главными блоками эпигеосферы происходит сложнейший обмен) и на испарение влаги с поверхности Мирового океана и материков. Эти энергетические взаимодействия стимулируют интенсивный круговорот веществ, который, прежде всего, проявляется в наиболее подвижных средах - воздушной и водной.

В силу неравномерного нагрева подстилающей (субаэральной) поверхности на разных широтах, а также на суше и на океанах атмосфера получает в различных регионах неодинаковое количество тепла. По этой причине над подстилающей поверхностью образуются воздушные массы с разной плотностью (атмосферным давлением), нарушается термодинамическое равновесие в тропосфере и происходит перемещение (циркуляция) воздушных масс.

Аналогичные явления наблюдаются и в поверхностной толще Мирового океана, но главным фактором циркуляции водных масс и образования системы морских течений оказывается ветер, т.е. циркуляция воздушных масс.

Круговорот вещества в эпигеосфере не ограничивается его механическим перемещением в однородной среде. Особое географическое значение имеют переходы вещества из одной геосферы в другую, сопровождаемые сложными физико-химическими и биологическими превращениями и качественными изменениями всех блоков эпигеосферы. Так, газы атмосферы постоянно присутствуют в других структурных ярусах географической оболочки: растворяются в водах Мирового океана и суши, попадают туда в виде воздушных пузырьков в результате волнения, проникают далеко в глубь земной коры. Атмосферный кислород участвует в разнообразных окислительных реакциях почвы, водоемов, коры выветривания, используется организмами для дыхания; углекислый газ - основной “строительный материал”, из которого зеленые растения синтезируют органические вещества.

Циркуляция атмосферы - важный передаточный механизм, с помощью которого осуществляется обмен теплом, влагой, минеральными солями между сушей и океаном. Влага, поступающая в воздушные массы в результате испарения, циркулирует вместе с ними, составляя важнейшее звено мирового влагооборота. Ежегодно в нем участвует 525 тыс. км³ воды. Из них 412 тыс. км³ составляет водообмен между Мировым океаном и атмосферой (т.е. количество влаги, испаряющейся с поверхности океанов и возвращающейся на нее в виде атмосферных осадков), 41 тыс. км³ переносится воздушными массами из океанов на сушу и столько же возвращается в виде стока; влагооборот между сушей и атмосферой равен 72 тыс. км³.

Наиболее сложный характер имеет влагооборот в сфере наземных ландшафтов. Из общего количества осадков 113 тыс. км³ в виде поверхностного стока удаляется 29 тыс. км³, остальная часть фильтруется в почву и грунты, откуда частично также стекает в Мировой океан в виде подземного стока, частично испаряется с поверхности почвы и растений, но наибольшая часть перехватывается корнями растений и участвует в продукционном процессе. При этом лишь 1% всасываемой корнями влаги используется на построение живого вещества, остальное же “перекачивается” в атмосферу путем транспирации. В ландшафтах с развитым растительным покровом транспирируется 50-80% выпадающих осадков.

Твердое вещество земной коры наиболее инертно вследствие большой силы сцепления частиц. Но под влиянием атмосферных газов, воды и организмов оно приводится в движение и вовлекается в большой геохимический круговорот, в водную, воздушную и биогенную миграцию. С речным стоком ежегодно с суши в океан выносятся десятки миллиардов тонн взвешенных частиц и несколько миллиардов тонн растворенных солей в виде ионов Ca⁺², Mg⁺², Na⁺, CO₃²ClSO₄^2- и др. Из океанов вместе с водяным паром и брызгами солевые частицы поступают в атмосферу, и некоторое их количество с атмосферными осадками выпадает на земную поверхность, частично компенсируя их вынос из земной коры. Кроме того, между сушей и океаном наблюдается интенсивный пылеоборот: ветер поднимает в воздух десятки или даже сотни миллиардов тонн пыли (в том числе и солевой) в год. Часть этой пыли выпадает над океаном, часть оседает на поверхности суши.

В геохимическом кругообороте вещества особо следует выделить биологическую составляющую. На синтез живого вещества расходуется ничтожная доля поглощаемой эпигеосферой солнечной энергии - не более 0.1%. Да и сама масса его, казалось бы, ничтожна - примерно одна миллионная доля от общей массы эпигеосферы. Однако роль биоты в функционировании и развитии географической оболочки огромна вследствие исключительной химической активности организмов. Скорость биологического метаболизма (обмена веществ) во много раз превышает скорость абиогенного кругооборота. Ежегодно обновляется примерно 1/10 всей живой массы Земли, а фитопланктон океана в среднем обновляется каждые сутки. Для сравнения отметим, что для полного обновления всей массы воды Мирового океана через испарение потребовалось бы 3200 лет. Иными словами, ежегодно в обороте находится лишь 1/3200 воды Мирового океана, а что касается вещества литосферы (в той ее части, которая расположена выше уровня океана, т.е. при средней мощности 875 м), то в оборот через денудацию вовлекается ежегодно лишь несколько более 1/10 000000 ее части.

Организмы используют для построения живой материи почти все химические элементы, особенно велика их роль в круговороте углерода, азота, фосфора, серы. Относительное содержание углерода в организмах в 780 раз выше, чем в осадочных породах, азота - в 150 раз. Вовлекая в круговорот элементы литосферы и накапливая их в почвенном гумусе и осадочных породах, биота препятствует их выносу в океан. За всю историю существования жизнь как бы многократно пропустила через тела организмов вещество неорганических оболочек Земли, полностью преобразовав их. Вся осадочная оболочка (стратисфера) создана при прямом или косвенном участии живых существ; биогенное происхождение имеет основной газовый состав атмосферы.

Все процессы в эпигеосфере подвержены ритмическим и направленным (эволюционным) изменениям. Динамика эпигеосферы складывается из множества ритмических колебаний разной продолжительности и разного происхождения. Самые короткие ритмы - суточный и годовой - имеют астрономическую природу. Колебания солнечной активности вызывают возмущения магнитного поля Земли и циркуляции атмосферы, а через последнюю воздействует на климат, гидрологические процессы, ледовитость морей, биологическую продуктивность (что фиксируется, в частности, в годичных кольцах деревьев). Известны 11-летние, 22 - 23-летние ритмы этого типа и более продолжительные (до 80-90 и 160-200 лет).

Со взаимным перемещением тел в системе Земля - Солнце - Луна связаны периодические изменения приливообразующих сил, что проявляется в климате, водности, развитии ледников. Установлен 1850-летний цикл подобного происхождения, а кроме того, намечается несколько более коротких (до 1-2 лет) и более продолжительных (до 3500-4000) лет ритмов. Колебания эксцентриситета земной орбиты, наклона земной оси к плоскости орбиты также сказывается на климате. С этими факторами связывают ритмы большой продолжительности (41 000-45 000, 90 000, 370 000 лет), одним из проявлений которых являются материковые оледенения.

Самые длительные ритмы, с амплитудой в миллионы лет, геологические. К ним относят большие геологические циклы (165-180 млн. лет), в том числе каледонский, герцинский, мезозойский и кайнозойский. Начало каждого из них знаменовалось опусканиями земной коры и морскими трансгрессиями, выравниванием климатических контрастов; завершается цикл орогеническими движениями, расширением суши, усложнением ее рельефа, усилением климатических контрастов, большими преобразованиями в органическом мире.

Разные ритмы накладываются друг на друга, причем многие из них повторяются не со строгой периодичностью, а имеют циклический характер. Поэтому отдельные ритмы не всегда бывают ясно выражены. Возможны автоколебательные ритмические явления, обусловленные не внешними по отношению к эпигеосфере процессами, а собственными закономерностями, присущими тем или иным компонентам или процессам. Простейший пример - циклы в жизни леса, связанные с продолжительностью жизни лесообразующих пород. Более сложный процесс - автоколебания в системе ледники - атмосфера - Океан. Рост ледниковых щитов сопровождается похолоданием и понижением уровня океана. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению испарения, осадков и сокращению ледников. Но сокращение ледников имеет своими следствиями рост площади океанов, потепление, увеличение количества осадков, что способствует новому наступлению ледников, и т. д.

Ритмические изменения не бывают замкнутыми, и чем больше продолжительность цикла, тем меньше возможность возвращения природных комплексов к прежнему состоянию. Каждый последующий цикл не является полным повторением последнего, и в конечном счете развитие эпигеосферы необратимо - оно имеет вид восходящей спирали, каждый виток которой знаменует одновременно поднятие на более высокий уровень развития. В качестве самых больших “витков” можно рассматривать тектонические циклы.

Необратимость (направленность) развития эпигеосферы проявляется в постепенном усложнении ее структуры, появления новых компонентов и новых типов геосистем. На протяжении последних 550-600 млн. лет, соответствующих фанерозою, эволюция эпигеосферы прослеживается достаточно отчетливо. В земной коре за это время происходило сокращение геосинклиналей и разрастание платформенных структур, усиление процесса осадкообразования, увеличение мощности осадочной оболочки и усложнение ее вещественного состава, в особенности биогенной аккумуляции. В гидросфере увеличивалась соленость, причем на первых этапах Мировой океан обогащался солями благодаря вулканизму, а в дальнейшем усилилось значение выноса солей с суши речным стоком; соответственно на фоне преобладающих ионов Na+ и Cl- возрастала доля Ca²⁺ и CO₃²

В первичной атмосфере господствовали, по-видимому, гелий и водород, затем она обогащалась газами глубинного (вулканического) происхождения - парами воды, двуокисью и окисью углерода, сероводородом и др. По мере развития растительного покрова двуокись углерода стала изыматься из атмосферы, и одновременно в нее поступало все больше кислорода и азота.

Прогрессивная линия развития - от низших форм к высшим - особенно очевидно выражена в органическом мире. Организмы играли все более существенную роль в преобразовании неорганических геосфер. Это дает основание рассматривать жизнь, точнее ее взаимодействие с абиогенной средой, как главную движущую силу развития эпигеосферы.