Науки о Земле

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

Г.К. КЛИМОВ
А.И. КЛИМОВА

Москва
ИНФРА-М
2022

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано 
Государственным образовательным учреждением 
высшего профессионального образования 
«Московский государственный технический университет 
имени Н.Э.Баумана» в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений
по направлениям подготовки «Безопасность в техносфере»

Министерство образования и науки
Российской Федерации

УДК 551.1(075.8)
ББК 26.0я73
 
К49

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра «Технологии и инженерные средства защиты окружающей 
среды» ГОУВПО «Пензенская государственная технологическая академия»; 

доктор биологических наук, профессор, академик РАЕН, заведующий кафедрой биологии и экологии ГОУВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», исполнительный директор 
Регионального центра государственного экологического контроля 
и мониторинга по Пензенской области А.И. Иванов

Климов Г.К.
Науки о Земле : учебное пособие / Г.К. Климов, А.И. Климова. —Москва : ИНФРА-М, 2022. — 390 с. — (Высшее образование:
Бакалавриат). — DOI  10.12737/1540.

ISBN 978-5-16-005148-2 (print)
ISBN 978-5-16-100702-0 (online)
Учебное пособие написано по комплексу дисциплин, входящих 
в базовую часть математического и естественнонаучного цикла Федерального государственного образовательного стандарта высшего 
образования для подготовки бакалавров по направлениям «Биология», 
«Экология и природопользование», «Техносферная безопасность».
Учебное пособие может быть использовано студентами, аспирантами и преподавателями по направлениям: биология, география, техносферная безопасность, экология и природопользование.

УДК 551.1(075.8)
ББК 26.0я73

К49

© Климов Г.К., Климова А.И., 2012
ISBN 978-5-16-005148-2 (print)
ISBN 978-5-16-100702-0 (online)

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение  ............................................................................................................   5 
Глава 1. Происхождение и эволюция Вселенной, Солнечной системы  
и Земли. Появление человека  .................................................................................   8 
1.1. Происхождение и эволюция Вселенной  .................................................   8 
1.2. Происхождение Солнечной системы  ......................................................   9 
1.3. Происхождение и эволюция Земли  ......................................................... 13 
1.3.1. Образование планеты Земля  .................................................................. 13 
1.3.2. Форма и размеры Земли  ......................................................................... 14 
1.3.3. Формирование земной коры. Образование атмосферы,  
гидросферы и возникновение жизни  .................................................................... 20 
1.3.4. Основные закономерности развития земной коры  ............................. 30 
1.3.5. Эндогенные и экзогенные геологические процессы  .......................... 41 
1.3.6. Геологические катастрофы в истории Земли  ...................................... 55 
1.3.7. Человек и планета Земля  ........................................................................ 64 
Глава 2. ВЕЩЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ЛИТОСФЕРЫ  ............................... 67 
2.1. Минералы  ................................................................................................... 67 
2.1.1. Химическая классификация минералов  ............................................... 67 
2.2. Горные породы  ........................................................................................... 71 
2.2.1. Магматические горные породы  ............................................................ 75 
2.2.2. Осадочные горные породы  .................................................................... 90 
2.2.3. Метаморфические горные породы  ....................................................... 95 
2.4. Полезные ископаемые  ............................................................................... 98 
Глава 3. ЛАНДШАФТЫ  .................................................................................. 108 
3.1. Определения ландшафтоведения и ландшафтов  ................................... 108 
3.2. Ландшафтная школа Московского государственного университета .. 109 
3.3. Классификация ландшафтов  .................................................................... 113 
3.4. Продуктивность ландшафтов  ................................................................... 120 
3.5. Природные ресурсы  ................................................................................... 125 
3.5.1. Классификация природных ресурсов  ................................................... 128 
3.5.2. Глобальная и региональная геоэнергетика  .......................................... 134 
Глава 4. ПОЧВЫ, ИХ СОСТАВ, СВОЙСТВА И ТИПЫ  ............................ 138 
Глава 5. ГЕОХИМИЯ ПЛАНЕТЫ ЗЕМЛЯ  ................................................... 166 
5.1. Геохимия  ..................................................................................................... 166 
5.2. Биогеохимия  ............................................................................................... 179 
5.3. Круговорот веществ на Земле  .................................................................. 187 
Глава 6. АТМОСФЕРА  .................................................................................... 210 
6.1. Атмосфера Земли  ....................................................................................... 210 
6.2. Метеорология и климатология  ................................................................. 217 
6.3. Общая циркуляция атмосферы и осадки  ................................................ 230 
6.4. Климат и погода  ......................................................................................... 249 
6.5. Климат как ресурс и его прогнозирование  ............................................. 266 
Глава 7. ГИДРОСФЕРА  ................................................................................... 273 
7.1. Гидросфера  ................................................................................................. 273 
7.1.1. Вода в атмосфере  .................................................................................... 279 
7.1.2. Вода из воздуха  ....................................................................................... 281 
7.1.3. Морская вода  ........................................................................................... 282 
7.2. Гидрология  ................................................................................................. 284 
7.3. Океан  ........................................................................................................... 293 
7.3.1. Общие сведения  ...................................................................................... 293 

3

7.3.2. Геологическое строение и рельеф дна  ................................................. 295 
7.3.3. Геохимия вод  ........................................................................................... 299 
7.3.4. Минеральные и энергетические ресурсы  ............................................ 302 
7.3.5. Гидрологический режим  ........................................................................ 304 
7.3.6. Растительный и животный мир  ............................................................. 313 
7.4. Реки  .............................................................................................................. 317 
7.5. Гидрогеология  ............................................................................................ 333 
Глава 8. АНАЛОГИИ СПОСОБОВ ОЧИСТКИ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ  

В БИОСФЕРЕ И ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ  ................................................. 356 

Список литературы  ........................................................................................... 370 
Предметный указатель  ..................................................................................... 372 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
«Науки о Земле» – это не отдельная дисциплина, а комплекс дисциплин по естественным наукам. По этой причине написание учебного пособия по такой обобщающей дисциплине представляется весьма 
сложным и конструктивно и содержательно. 
Данное учебное пособие «Науки о Земле» написано в соответствии 
с Государственным образовательным стандартом для подготовки бакалавров по направлениям 020400 – «Биология», 17б – «Экология и 
природопользование» и 280700 – «Техносферная безопасность». 
Глава 1 «Происхождение и эволюция Вселенной, Солнечной системы и Земли. Появление человека» посвящена возникновению Земли совместно с Солнечной системой. Здесь представлены основные 
гипотезы происхождения планеты и ее развитие от момента образования по настоящее время. Описано формирование древней земной коры. Рассматриваются эндогенные и экзогенные процессы, существующие на планете. Приведены сведения о катастрофах, происходивших в геологической истории Земли. 
Глава 2 «Вещественный состав литосферы»: характеризуются минералы, горные породы и полезные ископаемые. Впервые приводится 
новая классификация магматических горных пород, построенная на 
основе квазистехиометрии изверженных веществ. Рассматриваемая 
квазистехиометрия группировок оксидов в магматических породах 
как бы продолжает отражать дискретные закономерности распространения химических элементов на более высоких иерархических уровнях. Достаточно полно раскрываются строение земной коры и ее развитие. 
Глава 3 «Ландшафты»: анализируются состояние изучения ландшафтов как природных территориальных комплексов (ПТК) и их 
функционирование как единого целого в составе земных оболочек. 
Глава 4 «Почвы»: описываются факторы и условия почвообразования. В данной главе представлена характеристика почвенных горизонтов, основных свойств, типов почв и почвенных процессов. 
Глава 5 «Геохимия планеты Земля» посвящена описанию химического состава и геохимических процессов, протекающих в земных 
оболочках. Подробно рассматриваются круговороты веществ, происходящие в земных оболочках, а особенно в биосфере. 
Глава 6 «Атмосфера»: описываются строение и состав атмосферы, 
со всеми процессами, в ней протекающими, и приводится характеристика дисциплин, изучающих атмосферу. 
В главе 7 «Гидросфера» рассматривается состав водной оболочки 
земной поверхности. Сделан акцент на дисциплине «Гидрология», 
изучающей водные объекты суши, и, соответственно, представлен 
полный анализ этих объектов. Далее дается полная характеристика 

5

океанов и рек. Последний параграф данной главы посвящен подземным водам. 
Глава 8 «Аналогии способов очистки от загрязнений в биосфере и 
инженерной экологии»: проводится сопоставление природных способов очистки биосферы от поллютантов и инженерно-технических загрязнений. 
Если учесть, что Государственные образовательные стандарты по 
«Наукам о Земле» в настоящее время далеки от совершенства и находятся в стадии становления, то представленное учебное пособие является первой полной версией. Авторы пособия с пониманием и вниманием отнесутся ко всем конструктивным замечаниям и предложениям, имеющим отношение к курсу «Науки о Земле». 
В настоящее время экология находится в глобальном кризисе. 
Причина кризиса – рационализм, когда естественное развитие природы подчинено управлению искусственных теорий. Кризис обусловлен 
пренебрежением человека природными законами, поскольку современное состояние биосферы управляется не ими, а деонтической логикой, т. е. ограничениями, которые реализуются через всевозможные 
надзоры. Это означает, что левая рука в обществе не ведает, что творит правая. Отсюда и вытекает глобальный экологический кризис, от 
которого почти невозможно избавиться, пока не будет произведена 
содержательная реформа образования – перевод многих дисциплин на 
решение прямых задач. Такую стратегию трудно привести в исполнение, так как надо будет переписать многие учебные дисциплины. 
Сложность этого процесса можно показать на примере дисциплины 
«Науки о Земле», которая является синкретической (смесью разных 
дисциплин и представлений). 
Чтобы такого впечатления не создавалось, можно показать, каким 
образом следует ввести упорядочение. Допустим, что учебный курс 
«Науки о Земле» надо рассматривать не по дисциплинам, а по процессам, происходящим на Земле, и по тем регулярностям, которые существуют в виде устойчивых объектов: Земли в целом, иерархии ее оболочек (сфер Земли или геосфер), составу неорганических и органических соединений и т. д. Предмет «Науки о Земле» можно рассматривать также с точки зрения распределения на Земле энергии, массы и 
информации в разных средах, в результате чего мы приблизимся к 
конкретным дисциплинам всего лишь с точки зрения этих трех рефлексий (срезов). Поскольку в государственном стандарте для изучения Земли в данном учебном курсе рекомендуются геология, гидрология, ландшафтоведение, почвоведение, климатология и метеорология, 
то набирается уже 18 уровней для описания или изучения (3 среза 
умножить на 6 дисциплин). В геологии существует множество самостоятельных дисциплин, среди которых нас будут интересовать минералогия, петрология или петрография, полезные ископаемые, геохимия, осадочная петрография, геофизика, петрофизика (ограничимся 

6

этим списком, который может быть продолжен до двух и более десятков: разные типы полезных ископаемых, функции экологической геологии и др.). Теперь будем иметь 18 + 7 = 25 уровней. Каждый объект 
«Наук о Земле» состоит из иерархических уровней (или, другими словами, глав дисциплины), число которых варьируется от 4 для структур 
воздушных потоков в метеорологии до 12 в строении макроструктур 
поверхностного вещества Земли. Если принять, что среднее количество иерархических уровней для вещества равно 4, то общее количество разделов классификации, с которыми нам предстоит иметь дело, 
будет равно 100. Если вместо иерархических уровней вещества рассматривать главы каждой дисциплины (в среднем 8 глав), то число 
уровней удвоится – 200. 

Кроме этого, нам предстоит фиксировать многие определения объ
ектов и процессов для каждой из дисциплин, а также другие отношения систем, включающим разные связи тел и процессов. Таким образом, общее число вопросов, которые только поверхностно предстоит 
рассмотреть, изучить и запомнить в дисциплине «Науки о Земле», 
превысит 2–3 тысячи. Другими словами, изначально ставится огромнейшая работа по изучению дисциплины «Науки о Земле». 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 1. 
ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ, 
СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ И ЗЕМЛИ. 
ПОЯВЛЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА  
 
1.1. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ 
 
Начало формирования Вселенной ученые связывают с Большим 
Взрывом около 12–15 млрд лет назад, который из существовавших до 
этого в космическом пространстве только элементарных ядерных частиц и фотонов породил огромную массу наиболее легких элементов – водорода и гелия, а также, возможно, и других легких элементов – лития, бериллия, бора. Эти элементы сразу же после взрыва существовали в виде более или менее однородной водородно-гелиевой 
плазмы, т. е. ионизированного газа с температурой около 4000 °С со 
средней ничтожной плотностью 3000 частиц на 1 см3. Радиус плазменного облака составлял вначале около 15 млн световых лет, но как 
следствие Большого Взрыва стало то, что Вселенная стремительно 
расширяется и современный ее диаметр оценивается в 20 млрд световых лет, т. е. свет, движущийся со скоростью около 300 тыс. км/с, 
пролетит расстояние из одного края видимого звездного мира до другого края за 20 млрд лет – так невероятно огромны размеры нашей 
Вселенной. 

 
Эволюция Вселенной в отсчете от начала  
Большого Взрыва 
Большой Взрыв. 
10–43 с – планковское время. Начало дифференциации вещества. 
10–42 с – начало действия сил гравитации. 
10–36 с – начало сильных взаимодействий. 
10–36 с – расширение. 
10–32 – 10–5 с – кварки и антикварки. 
10–12 с – электромагнитные взаимодействия. Фотоны. 
10–12 с – слабые взаимодействия. 
10–5 с – охлаждение до 1 триллиона К. 
1 с – 3 мин – нуклеосинтез. 
10–32 с – 3000 лет – охлаждение и расширение. 
>3000 лет – охлаждение и вещество получает первичный источник 
гравитации. 
300 000 лет – охлаждение и расширение. 
200 млн  лет – образование галактик. 
 
В течение первых секунд после начала «взрыва» температура среды в образовавшемся облаке была равна миллиардам градусов, при 

8

которых осуществлялись ядерные реакции. С момента взрыва и до 
настоящего времени Вселенная непрерывно расширяется, что устанавливается по красному смещению в спектральных линиях поглощения звезд далеких галактик и одновременно охлаждается. 
Первоначальный объем вещества Вселенной имел плотность 1096 
кг/м3 (для сравнения можно отметить, что плотность атомного ядра – 
1018 кг/м3), а температура огненного шара после взрыва – примерно 
100 млрд градусов. 
 
1.2. ПРОИСХОЖДЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ 

 
В одной из бесчисленных галактик, называемой Галактикой Млечного Пути, примерно 5 млрд лет назад возникла планетная Солнечная 
система, в которой располагается и Земля. Существует несколько гипотетических моделей ее образования, но, пожалуй, наиболее разработанной является модель взрыва сверхновой звезды и ее воздействия 
мощной ударной волной на скопление межзвездной пыли и газа, приведшее к их конденсации и формированию первичного диска межзвездной материи, из которой впоследствии и сформировались планеты (рис. 1). 
Гравитационная модель образования Солнечной системы. Согласно наиболее распространённым космогоническим гипотезам при 
образовании Солнца из сжимающейся и вращающейся туманности на 
заключительной стадии сжатия от центрального сгущения отделилась 
значительная масса горячей плазмы, которая образовала вокруг него 
протопланетное облако в виде диска. Облако быстро охлаждалось, и в 
нём возникла спонтанная конденсация вещества. В результате многостадийных реакций (конденсационный рост ядер, их коагуляция, процессы аккреции и агломерации) газовое облако превратилось в газопылевое. Одновременно происходила потеря облаком газов в космическое пространство. Холодное газопылевое облако в силу ротационной неустойчивости разбилось на ряд сгущений – протопланет, которые адиабатически сжимались. Благодаря этому процессу из холодного вещества протопланетного облака образовались планеты земного 
типа и астероидный пояс с астероидами и метеоритами. Наконец, на 
периферии протопланетного облака происходила при очень низких 
абсолютных температурах конденсация отлетевших газов (Н, Не, NH3, 
CH4 и др.), образовавших большие планеты – Юпитер, Сатурн, 
Нептун, Уран. 
Физико-химическая модель эволюции Солнечной системы.  
Г. П. Гладышев в 1977 г. обратил внимание на то обстоятельство, что 
одна из стадий эволюции Солнечной и спутниковых систем могла 
протекать 
по 
диффузионному 
механизму 
пространственнопериодической конденсации, ранее не учитываемому эволюционными  
 

9

Рис. 1. Формирование Солнечной системы: 

1 – взрыв сверхновой звезды порождает ударные волны, воздействующие 
на газово-пылевое облако (ГПО); 2 – ГПО начинает фрагментироваться и 
сплющиваться, закручиваясь при этом; 3 – первичная Солнечная небула;  
4 – образование Солнца и гигантских, богатых газом планет – Юпитера и  
Сатурна; 5 – сильный ионизированный газ – Солнечный ветер – выдувает газ 
из внутренней зоны системы и с мелких планетезималий; 6 – образование 
внутренних планет из планетезималей в течение 100 млн лет и формирование 
«облаков» Оорта, состоящих из комет; 7 – схематическое строение Солнечной системы (Короновский Н. В., 2001; БСЭ). 
 
теориями. Первичные кольца Солнечной и спутниковых систем возникали за счет поступления вещества центральных тел в соответствующие протооблака и протекания химических реакций, приводящих к 
конденсации вещества из пересыщенного состояния. Кроме того, периодическая конденсация могла наблюдаться и без протекания химических реакций вследствие образования твердой фазы отдельных ве
10

ществ в системах с заметным градиентом температуры. Концентрация 
вещества в протооблаках была на протяжении некоторого времени 
достаточно высокой. Роль магнитогидродинамических эффектов была 
существенной не на всех этапах эволюции Солнечной и спутниковых 
систем. 
Создание модели эволюции планетных и спутниковых систем является типичной макрокинетической задачей, предполагающей учет 
ряда физических и химических явлений. 
Этапы эволюции рассматриваются с учетом представлений о пространственно-периодической конденсации вещества во вращающихся 
газово-пылевых протосолнечном и протопланетных облаках. 
На первом этапе возникло Протосолнце, которое образовалось в 
результате аккреции из исходного облака Солнечной системы. Далее, 
на втором этапе, происходило размещение газа и пыли, образующих 
среду, около намагниченного центрального тела. Этот процесс не 
привел к заметному упорядочению в размещении вещества. С другой 
стороны, несомненно, что возникшие неоднородности отразились на 
дальнейших этапах эволюции. На третьем этапе наблюдался перенос 
момента количества движения от Протосолнца к окружающей среде, в 
результате чего частицы пыли и соответствующие массы газа стали 
двигаться по кеплеровым орбитам относительно центрального тела – 
Солнца. 
На этих трех этапах решающую роль должны были играть магнитогидродинамические эффекты, поскольку падающий по направлению к Солнцу газ был достаточно разрежен и представлял собой 
плазму. Разумеется, второй и третий этапы не были четко разделены 
по времени и соответствующие процессы протекали параллельно. По 
мере концентрирования вещества вокруг Солнца его плотность и роль 
магнитогидродинамических эффектов уменьшались. Когда протооблако остыло и превратилось в протодиск, эти эффекты стали малыми. 
Указанные три этапа завершились относительно быстро – за 107–108 
лет. 
Далее последовал самый длительный, четвертый, этап эволюции – 
образование первичных колец Солнечной системы. Этот этап завершился сравнительно недавно; возможно также, что он еще заканчивается на периферии Солнечной системы. Согласно представлениям 
Г. П. Гладышева, этот этап протекал несколько менее 4,57·109 лет и 
был связан с диффузией (массопереносом) вещества Солнца (в том 
числе и с периферии системы) в эволюционирующий диск, в котором 
наблюдались процессы пространственно-периодической конденсации 
вещества из пересыщенного состояния. По мере возникновения первичных колец, которые сначала образовались у Солнца, начался следующий этап их эволюции. Он сопровождал предыдущий этап кольцеобразования в течение всего периода в 4,57·109 лет. Все последующие этапы протекали параллельно. 

11

Аккреционная эволюция каждого протопланетного кольца посредством эволюции «струйных» потоков приводила к возникновению 
планетезималей и далее зародышей планет. Эти зародыши состояли в 
основном из соединений тяжелых элементов. Если зародыш достигал 
достаточного размера и температура в соответствующей зоне диска 
была относительно низкой, наблюдался гравитационный захват 
неконденсирующихся веществ – водорода, гелия и др. Этот процесс 
был наиболее медленной стадией эволюции планет группы Юпитера. 
После того как Юпитер и Сатурн заметно увеличились в размерах 
за счет захвата водорода и гелия, протодиск стал просветляться, поскольку концентрация газа в нем стала заметно уменьшаться. Снижение концентрации газа в диске привело к усилению роли магнитогидродинамических эффектов, влияющих на движение межпланетной 
плазмы и т. п. Кроме того, по мере роста зародышей планет и появления у них магнитного поля становились ощутимы магнитогидродинамические эффекты в их первичных протоспутниковых облаках. Здесь 
происходило то же самое, что и в процессе образования Солнца: газ и 
пыль размещались вокруг планеты, наблюдался перенос момента количества движения и частицы планетных дисков стали двигаться по 
кеплеровым орбитам. Далее, как и в случае Солнца, магнитогидродинамические эффекты ослабевали. При диффузии вещества протопланет в соответствующие диски в результате пространственной периодической конденсации возникли первичные кольца будущих спутников. После просветления спутниковых дисков магнитогидродинамические эффекты вновь становились ощутимы в ионосферах планет. 
Таким образом, общие положения магнитогидродинамической 
теории эволюции Солнечной системы качественно хорошо согласовываются с развиваемой теорией пространственно-периодической 
конденсации. В связи с этим представляется целесообразным подчеркнуть, что роль магнитогидродинамических эффектов ослабевала 
по мере возникновения и сжатия протодисков и снова возрастала в тех 
областях, окружающих центральные тела, где наблюдалась конденсация газообразного вещества и просветлялся газ. 
В итоге была сформирована Солнечная система, состоящая из 
восьми планет, вращающихся вокруг Солнца и подразделяющихся на 
внутренние планеты – Меркурий, Венера, Земля, Марс – и внешние – 
Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун (и Плутон, который в 2008 г. отнесли 
к крупным астероидам), разделенные поясом астероидов. За орбитой 
Плутона располагаются внутреннее и внешнее «облака» Оорта, являющиеся источниками большого количества комет (рис. 2). 
 
 
 
 
 

12