Особенностью тропосферы является быстрое снижение температуры воздушной среды в зависимости от подъёма над поверхностью Земли. При всех сменах времён года, изменениях климата в зависимости от климатических зон, похолоданиях и бурях в тропосфере средняя температура поверхности Земли составляет 22 °C. С каждым километром подъёма над поверхностью Земли температура падает приблизительно на 6 °C, и на границе тропосферы достигается -55 °C. Это уже почти космический холод. Всё более разреженной становится и воздушная среда, уменьшается содержание кислорода. Давление воздушного океана снижается с 1 атмосферы у поверхности до 0,026 атмосферы на границе тропосферы.
Над тропосферой возвышается стратосфера, более разреженная по сравнению с тропосферой воздушная среда. До высоты 20 км температура держится на уровне -55 °C, затем начинает постепенно подниматься по причине разложения озона под действием солнечных лучей, и на верхней границе стратосферы составляет уже около 15 градусов по Цельсию. Стратосфера содержит около 19,5 % массы атмосферы, т. е. совместно с тропосферой охватывает 99,5 % всей окружающей Землю воздушной массы, так что на остальные три слоя приходится всего лишь 0,5 %. Сама же эта масса при кажущейся невесомости воздуха отнюдь не мала, она составляет приблизительно 51500 триллионов тонн. На высоте около 30 км в стратосфере достигает наибольшей мощности озоновый слой.
Мезосфера, или средняя, промежуточная сфера воздушного океана, простирается над стратосферой на высоте от 55 до 80 км. В ней температура снова снижается с набором высоты и на верхней границе достигает -90 °C.
На высоте от 80 до 1000 км вокруг Земли расположен слой, именуемый ионосферой. Здесь температура также начинает возрастать вследствие поглощения ультрафиолетового излучения Солнца и ионизации атомарного кислорода. На высоте 400 км температура крайне разреженной воздушной среды составляет около 1000° К, а в периоды солнечной активности достигает 1800° К. Выше 400 км над поверхностью Земли температура стабилизируется, вследствие чего этот слой часто называют термосферой. Воздушная среда в термосфере представляет собой слабоионизированную плазму, которая образуется путём ионизации атмосферного и молекулярного кислорода, а также азота под действием солнечного ультрафиолетового излучения.
Изменяется в ионосфере и состав воздушной среды. До 100–120 км действуют конвективные процессы, перемешивающие газы и образующие однородность состава среды. Далее кислород переходит в атомарное состояние, а азот остаётся в молекулярном. Это мешает ему подниматься выше, и на высоте более 400–500 км присутствие этого господствующего в плотных слоях атмосферы газа падает почти до нуля, а в крайне разреженной газовой среде остаются атомарный кислород и другие лёгкие газы. На высоте 700–100 км ионосфера ещё более редеет, в ней остаются лишь «первичные» газы – водород и гелий.
Наконец, над ионосферой межпланетное пространство на несколько земных радиусов выходит экзосфера – остаточная газовая среда, состоящая в основном из водорода.
10.3. Внутреннее строение Земли
Земной шар, диаметр которого составляет около 12 800 км, имеет слоистое внутреннее строение. Он состоит из внутреннего твёрдого ядра, или ядрышка, внешнего жидкого ядра, мантии с астеносферой и литосферы с земной корой. Разделение глубин Земли на ядро, мантию и литосферу было предложено австралийским сейсмологом К. Булленом на основании измерения скорости сейсмических волн. Эти волны, исходящие из эпицентров землетрясений, как бы «просвечивают» Землю до самых глубин, словно рентген. Зная скорости их распространения в различных средах, а также поведение продольных и поперечных волн, можно делать обоснованные выводы о состоянии вещества и физических особенностях глубинных слоёв в теле Земли.
Все три фундаментальных слоя – ядро, мантия и литосфера – подразделяются в свою очередь на два крупных слоя. Ядро раздваивается на внутреннее и внешнее, мантия – на верхнюю и нижнюю, литосфера – на литосферную мантию и земную кору. При этом более глубинный слой оказывает формирующее воздействие на более поверхностный и одновременно – на все вышележащие слои. Земля – единое целое, и состояния каждого слоя находятся в зависимости от состояний других слоёв.
В основе внутреннего строения Земли лежит земное ядро. Ядро чётко выделяется на приборах, регистрирующих прохождение сквозь тело планеты сейсмических волн. Пронизывая Землю, эти волны оставляют на экранах приборов чёткую тень. Продольные и поперечные волны, возникающие в мантии, отражаются ядром, причём поперечные в нём полностью затухают, а скорость продольных уменьшается в 1,7 раза. Анализ данных этого сейсмически ориентированного способа восприятия позволяет убедительно доказать жидкое, вязкое состояние внешней части земного ядра. Изменение характера и скорости движения волн по мере приближения к центру Земли доказывает наличие внутренней твёрдой жёсткой части ядра. Диаметр этой внутренней жёсткой части составляет 2200–2600 км, толщина (мощность) внешней жидкой части – 2200 км. Общая масса ядра достигает 31–32 % от всей масса Земли, а его диаметр – более трети от диаметра Земли. Внутреннее ядро (ядрышко), по современным расчётам, состоит на 80 % из железа и на 20 % из никеля. Внешняя жидкая часть ядра представляет собой расплав железа с примесью никеля и серы.
Внутренняя часть ядра характеризуется весьма высоким давлением, плотностью вещества и температурой. Существуют различные мнения учёных по поводу температуры в центре Земли, но все согласны, что она превышает 4000 °C. Во внешней части ядра температура несколько ниже – около 3500 °C, и давление также ниже. Высокое давление и температура ядра обычна для любых космических объектов, поскольку они возникают путём сгущения газопылевых облаков, а их ядра, приобретая мощное поле тяготения, разогреваются до высоких температур при высоком давлении и управляют образованием поверхностных слоёв.
Ядро Земли «одето» в мантию (от греч. «покрывало», «плащ») – так в Средневековье называли торжественное одеяние, роскошную накидку, которая по моде того времени была настолько длинной, что её несли на королевских приёмах специально выделенные пажи. Мантия Земли – самая широкая (мощная) её оболочка, она охватывает почти 2/3 её массы и 83 % объёма. Толщина мантии – около 2900 км. Как и ядро, мантия подразделяется на два слоя – верхнюю и нижнюю части. Толщина нижней части мантии – около 2000 км, верхней – около 900. В отличие от ядра, мантия состоит главным образом из силикатов – соединений на основе кремния, среди которых наиболее широко распространён минерал оливин. Средняя температура вещества мантии – от 2000 до 2500 °C.
Плотность и вязкость вещества мантии возрастает с глубиной вследствие давления сверху, вызывающего перестройку атомов и молекул. Особенно сильное уплотнение силикатов происходит на глубине от 400 до 1000 км от поверхности Земли. Если кристаллический кремний на поверхности имеет плотность2,53 г/см3, то на этих глубинах его плотность увеличивается до 4,25 г/см3. В мантии происходит образование магмы (от греч. «густая мазь») – расплавленного вещества, вытекающего при извержениях вулканов.
Вещество мантии может в одних местах находиться в жидком состоянии, в других – в твёрдом. Высокая температура мантии приводит к плавлению силикатов и их переходу в жидкое состояние. По мере же роста давления возникает тенденция к кристаллизации, и мантийное вещество твердеет. Тяжёлая и плотная литосфера постоянно давит на верхнюю мантию, как бы плавая в её поверхностном слое, именуемом астеносферой (от греч. «астенос» – слабый).
Астеносфера слаба по сравнению с литосферой, фактически её образует именно давление литосферы на поверхностный слой мантии. Астеносфера продавливается литосферой, и части литосферы легко скользят по ней, увлекаемые глубинными потоками мантии. Толщина астеносферы, нередко превышает толщину литосферы, доходя до 100 км под континентами и около 50 км – под океанами. Это и обеспечивает медленные горизонтальные перемещения литосферных плит.
Вещество астеносферы представляет собой вязкую жидкость с температурой около 1500 °C в слое, подогреваемом верхней мантией, а при контакте с литосферой её температура падает до 500 °C. Этот контактный слой, на который опирается литосфера, геологи называют границей Мохо в честь сербского сейсмолога А. Мохоровича, который в 1908 г. расчитал глубину погружения литосферы в мантию. Эта граница проходит на глубине 35–45 км под равнинными районами земной суши, 70 км – под горными цепями и 5-10 км – под дном океанов.
Литосфера, астеносфера и верхняя мантия подобны своеобразному «бутерброду», роль «масла» в котором играет астеносфера, но все три слоя подвижны друг относительно друга.
Литосфера (от греч. «литос» – камень) состоит из земной коры и литосферной мантии, т. е. охлаждённой и затвердевшей части мантии, лежащей над астеносферой. Она не представляет собой сплошной массы, как ядро или мантия, а является крайне неоднородной как по строению, так и по составу. Движения литосферных плит определяют структуру земной коры, формируют горы, равнины на суше, дно морей и океанов.
Земная кора очень тонка, её масса составляет всего лишь 0,05 % от общей массы Земли. Но эта тонкая оболочка, разрабатываемая и присваиваемая человеком, составляет вещественную основу человеческой цивилизации, её природно-ресурсного потенциала.
Поверхность земной коры формируется под действием трёх факторов. Движения частей литосферы формируют особенности рельефа. Неровности рельефа подвергаются сглаживанию процессами выветривания и разрушения горных пород. Осаждения пород образует накопление осадочных слоёв, которые, нарастая, засыпают и погребают под собой более древние формы рельефа.
Земная кора подразделяется на континентальную и океаническую, резко отличающиеся друг от друга. Континентальная кора значительно толще и древнее, её граница Мохо, обозначающая соприкосновение с астеносферой, проходит на глубине 35–45 км под равнинами суши, в горных же районах она достигает 70 км, но может опускаться и ниже. Возраст же континентальной коры составляет миллиарды лет. Эта кора начала формироваться в процессе тектонической активности Земли около 4 млрд. лет назад. Уже около 2,6 млрд. лет назад было сформировано около 70 % нынешней континентальной коры, а остальная часть коры формировалась в последующее время и формируется сейчас.