Науки о Земле

Ф.Ф. Брюхань








                НАУКИ О ЗЕМЛЕ





Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов РФ по образовавнию в области строительства в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению 08.03.01 «Строительство»

Москва
2023

УДК 911.2(075.8)
ББК 26.82я73
     Б89
Рецензенты:
доктор геолого-минералогических наук, профессор, академик РАЕН, дважды лауреат Государственной премии, Заслуженный деятель науку
России, Почетный строитель России В.В. Баулин;
доктор технических наук, заведующая кафедрой
«Экология и БЖД» М.В. Графкина;
кандидат сельскохозяйственных наук, заведующий кафедрой «Геология и геоэкология» Москвоского государственного областного университета, доцент В.И. Косоножкин

      Брюхань Ф.Ф.
Б89 Науки о Земле : учебное пособие / Ф.Ф. Брюхань. — Москва: ФОРУМ, 2023. — 192 с.

         ISBN 978-5-91134-462-7
         В учебном пособии дается систематизированное изложение основ наук о Земле. Рассматриваются процессы и явления, происходящие в геосферах, и взаимодействие геосфер между собой. Особое внимание уделяется описанию атмосферы, гидросферы, литосферы, биосферы и ландшафтной оболочки. Последовательность и форма изложения материала адаптированы к возможности его использования в задачах прикладной экологии.
         Учебное пособие предназначено для студентов строительных и других технических вузов, изучающих экологические дисциплины.

                                                      УДК 911.2(075.8)
                                                      ББК 26.82я73





© Брюхань Ф.Ф., 2010
ISBN 978-5-91134-462-7                    © Издательство «Форум», 2010

Редактор Г.Н. Багдасарова
Корректор О.Н. Картамышева
Верстка А.П. Силъванович
Дизайн серии П. Родъкина

Подписано в печать 27.03.14. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 12,0.
Уч.-изд. л. 12,87. Гарнитура «Таймс». Печать офсетная.
Бумага офсетная. ПТ10.




Отпечатано с готовых диапозитивов в ОАО ордена «Знак Почета» «Смоленская областная типография им. В.И. Смирнова». 214000, г. Смоленск, проспект им. Ю. Гагарина, д. 2.

            ВВЕДЕНИЕ








   Наша планета представляет собой сложнейшую материальную систему, сформированную в процессе уникальных событий, происходивших как в космосе, так и на самой Земле. Земные объекты аккумулируют огромную историческую информацию о различных явлениях и процессах (столкновениях с другими небесными телами, извержениях вулканов, разломах земной коры, землетрясениях, ураганах, наводнениях и многих других), предопределяющих эволюцию как самой планеты, так и населяющего его растительного и животного миров.
   Зависимость хозяйственной деятельности человека и состояния биосферы от явлений и процессов, протекающих в неживой природе, диктует необходимость их детального изучения системой наук о Земле, включающей в себя науки, занимающиеся изучением планеты Земля (главным образом атмосферы, гидросферы и литосферы), а также космического пространства вокруг Земли. Иногда комплекс наук о Земле называют землеведением, хотя этот термин чаще употребляется как раздел физической географии, изучающий общие закономерности структуры, дифференциации, функционирования, динамики и эволюции ландшафтной оболочки.
   По мере своего развития система наук о Земле достигла высокой степени сложности и взаимосвязи между отдельными науками. Вследствие многообразия факторов, процессов и явлений, изучаемых науками о Земле, основополагающие из них (география, геология, физика Земли, гидрология, метеорология, ландшафтоведение) подверглись разделению на множество других. Ниже в таблице приводится классификация наук о Земле, в основу которой положена библиотечно-библиографическая классификация (ББК).

3

   Необходимо отметить ряд недостатков приведенной классификации (так же, как и других). Один из них заключается в том, что в перечне наук отсутствует множество важных разделов и научных направлений, исчисляемых десятками и сотнями. Другой недостаток вызван очевидными трудностями систематизации из-за взаимопроникновения друг в друга многих основных наук о Земле. Это взаимопроникновение привело к тому, что множество разделов основных наук о Земле, и тем более научных направлений, одновременно принадлежат разным основообразующим наукам. Еще одно обстоятельство, затрудняющее трактовку существа наук о Земле, заключается в наличии у них нескольких определений, порой противоречащих друг другу из-за того, что их разделы и научные направления также определяются неоднозначно.


Система наук о Земле

Основные науки и их Определения наук                                                 
разделы1                                                                             
Атмосферные науки   Комплекс наук, изучающий физику, химию, динамику земной атмосфе- 
                    ры от земной поверхности до нескольких сотен километров, а также 
                    влияние Солнца на атмосферу и включающий химию атмосферы,        
                    аэрономию, физику магнитосферы                                   
Вулканология        Наука о причинах образования вулканов, их развитии, строении, со-
                    ставе продуктов извержений и закономерностях размещения на по-   
                    верхности Земли                                                  
География           Единый комплекс наук, изучающих ландшафтную оболочку Земли и     
                    акцентирующихся на выявлении пространственно-временных законо-   
                    мерностей                                                        
Геодезия            Наука, исследующая размеры и форму Земли, ее гравитационное поле,
Астрогеодезия       способы изображения земной поверхности на картах и планах        
                    Раздел геодезии, изучающий теорию и методы построения астроно-   
                    мо-геодезических сетей и определения фигуры, размеров и гравита- 
                    ционного поля Земли                                              
Геоинформатика      Наука, технология и производственная деятельность, применяющая   
                    средства информатики для разработки и использования географиче-  
                    ских информационных систем                                       
Геология            Комплекс наук о составе, строении, истории развития земной коры и
                    размещении в ней полезных ископаемых                             
Геоморфология       Наука о рельефе, изучающая весь комплекс проблем, связанных с по-
                    верхностью Земли                                                 

¹ Разделы геодезии и гидрологии выделены курсивом,

4

Продолжение табл.

Геостатистика     Наука, применяющая статистические методы в науках о Земле и смеж- 
                  ных с ними науках                                                 
Геофизика         Комплекс наук, изучающих как физические свойства Земли в целом,   
                  так и физические процессы, происходящие в ее твердых сферах, а    
                  также в гидросфере и атмосфере                                    
Геохимия          Наука, исследующая химический состав Земли, закономерности рас-   
                  пределения и миграции в ней химических элементов                  
                  Наука, изучающая природные воды, явления и процессы, в них проте- 
                  кающие                                                            
Гидрология        Раздел гидрологии, изучающий поверхностные воды суши: реки, озе-  
Гидрология суши   ра, водохранилища, болота, ледники                                
Лимнология        Наука, исследующая континентальные водоемы с замедленным водо-    
(озероведение)    обменом (озера, пруды, водохранилища)                             
Океанология       Наука, изучающая природные процессы в Мировом океане, его состав, 
(океанография)    строение и обитателей                                             
Русловедение      Наука о русловых процессах                                        
Гляциология       Наука о формах льда на земной поверхности (ледников, снежного по- 
                  крова и др.), подземных льдах, строении льдов, их составе, физиче-
                  ских свойствах, происхождении и развитии, геологической и геомор- 
                  фологической деятельности, географическом распространении         
Картография       Наука, включающая теорию, методику и технические приемы создания  
                  и использования географических карт, глобусов, карт Луны, планет, 
                  звездного неба и др.                                              
Климатология      Наука, изучающая вопросы климатообразования, описания и класси-   
                  фикации климатов земного шара, антропогенное влияние на климат    
Кристаллография   Наука о кристаллах и кристаллическом состоянии вещества           
Метеорология      Наука об атмосфере, ее составе, свойствах и протекающих в ней фи- 
                  зических и химических процессах                                   
Минералогия       Наука, изучающая минералы, вопросы их генезиса и классификации    
Палеогеография    Наука о физико-географических условиях минувших геологических     
                  эпох                                                              
Палеоокеанология  Наука об океанах геологического прошлого                          
Палеоклиматология Наука о климатах прошлого и климатической истории Земли           
Палеонтология     Наука об ископаемых останках растений и животных, реконструирую-  
                  щая по найденным останкам их внешний вид, биологические особен-   
                  ности, способы питания, размножения и др., а также восстанавливаю-
                  щая по этим сведениям ход биологической эволюции                  
Петрография       Наука, занимающаяся описанием горных пород                        
Петрология        Наука, изучающая горные породы, их строение, свойства и происхож- 
                  дение                                                             

5

Окончание табл.

Петрофизика    Наука, изучающая физические свойства горных пород, их минераль-    
               ный состав, структуру и историю формирования                       
Почвоведение   Наука, изучающая происхождение, развитие, строение, состав, свойст-
               ва, географическое распространение и рациональное использование    
               почв                                                               
Седиментология Наука, изучающая геологические осадочные отложения                 
Сейсмология    Наука, изучающая землетрясения, их причины, последствия и меры за- 
               щиты от их воздействия                                             
Стратиграфия   Наука об определении относительного геологического возраста оса-   
               дочных горных пород, расчленения толщ пород и корреляции различ-   
               ных геологических образований                                      
Тектоника      Наука о структуре земной коры, типах ее структурных элементов и их 
(геотектоника) эволюции                                                           

   Геосферные оболочки (геосферы) в современных науках о Земле — условно концентрические, сплошные или прерывистые оболочки Земли, различающиеся по физическим свойствам и/или химическому составу. Различают внешние геосферы (атмосферу, гидросферу, биосферу и др.) и внутренние (литосферу, мантию, ядро и др.). К геосферным оболочкам относят также физические поля Земли — гравитационное, магнитное, электрическое, тепловое. Среди геосфер особо выделяется биосфера. В своем существовании и развитии геосферы неизбежно взаимодействуют между собой.
   Атмосфера, гидросфера и биосфера характеризуются непостоянными и даже неопределенными границами, однако по сравнению с другими земными оболочками они в значительной мере более доступны непосредственному наблюдению. Геосферы глубинных недр Земли, за исключением верхнего слоя земной коры, изучаются в основном косвенными (геофизическими) методами, которые дают лишь самое общее представление о структуре недр и их свойствах. Непосредственным наблюдениям доступна лишь верхняя часть земной коры. Ее исследуют с помощью кернов глубоких скважин, таких как, например, сверхглубокая Кольская скважина глубиной около 15 км.
   Основная цель курса «Науки о Земле» заключается в изучении основных сведений о прошлом нашей планеты, закономерностях ее существования и развития, строении, процес

6

сах и явлениях, протекающих в геосферных оболочках, а также о космических объектах, прямо или косвенно влияющих на эти явления и процессы. Важная особенность земных оболочек заключается в том, что в большинстве случаев они взаимодействуют друг с другом, в частности с биосферой, оказывая огромное влияние на земную жизнь.
   Вопросы, касающиеся наук о Земле, весьма важны для студентов строительных специальностей, поскольку проектирование зданий, сооружений, промышленных объектов, протяженных линейных трасс (дорожных коммуникаций, линий электропередачи, трубопроводов) требует наличия достаточно детальных сведений о природных условиях застраиваемых территорий. Данные о природных условиях обычно получают в процессе комплексных инженерных изысканий и специальных исследований. Материалы данного учебного пособия полезны также студентам других технических специальностей при изучении экологических дисциплин, поскольку являются непременным условием правильного и адекватного понимания существа этих дисциплин. Помимо задач, относящихся к строительству и экологии, науки о Земле имеют широкое применение при эксплуатации природных ресурсов, в геологической разведке полезных ископаемых, а также в навигации, транспорте, энергетике, промышленности, сельском хозяйстве, туризме и других сферах хозяйственной деятельности.
   Автор надеется, что данное учебное пособие окажется полезным широкому кругу студентов.

7

ГЛАВА 1


            КОСМИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЗЕМНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ПРОЦЕССЫ







   Земные процессы, включая процессы, протекающие в биосфере, так или иначе связаны с космическими объектами. Не является очевидным тот факт, что указанные процессы ослабевают по мере увеличения расстояний от Земли до конкретных космических объектов, поскольку космические процессы и явления, характеризующиеся значительными пространственными и временными масштабами, существенно влияют на Солнце, а следовательно, опосредованно и на Землю. Таким образом, знание основных сведений о космических объектах, в том числе находящихся в дальнем космосе, необходимо при изучении процессов и явлений, происходящих в земных оболочках, и в частности в биосфере.

        1.1. Вселенная и галактические объекты

   Вселенной принято называть весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Космические объекты Вселенной группируются в различные системы, взаимно связанные гравитационными полями.
   Та часть Вселенной, которая доступна исследованиям современными астрономическими методами, называется Метагалактикой. Последняя состоит из нескольких десятков миллиардов галактик — гигантских звездных систем, включающих сотни миллиардов звезд.


8

   Для измерения расстояний в дальнем космосе земная мера — километр весьма неудобна, поэтому для этой цели используется другая единица — световой год — расстояние, проходимое световым лучом за один год. Ближайшая к Солнцу звезда (Альфа Центавра) находится от нас на расстоянии, составляющем приблизительно 4 световых года.
   Галактика, к которой принадлежит Солнце (наша Галактика), называется Млечный Путь. Центр (ядро) Млечного Пути находится от Земли на расстоянии 23—28 тыс. световых лет в направлении созвездия Стрельца. Диаметр Млечного Пути составляет приблизительно 85 тыс. световых лет. Наша Галактика включает в себя:
   —  порядка 10” звезд с общей массой 10¹² солнечных масс;
   —     межзвездное вещество (газ, пыль), масса которого оценивается в 5 % массы всех звезд;
   -     космические излучения различных диапазонов волн, а также гравитационные и магнитные поля.
   Пространство между галактиками заполнено газом, разогретым до температуры более 10⁶ К и излучающим электромагнитные волны преимущественно рентгеновского диапазона. Концентрация этого газа весьма мала и составляет порядка 10³ атомов водорода в кубическом метре, однако суммарная масса межгалактического газа в Метагалактике соизмерима с массой всех находящихся в ней галактик.
   Характерной чертой Вселенной является неоднородность концентрации галактик в пространстве. Области повышенной концентрации галактик и галактических систем чередуются в пространстве с областями относительной пустоты, имеющими размеры в сотни миллионов световых лет.
   При наблюдении галактик с помощью телескопов они часто имеют вид светящихся туманностей с относительно ярким ядром в центре и рукавами, закручивающимися по спирали. Такие спиралевидные структуры вращаются вокруг центров галактик. Пример такой галактики представлен на рис. 1.1. Аналогичную структуру представляет собой и галактика Млечный Путь.
   Несколько веков назад астрономами было установлено, что звезды, кажущиеся на первый взгляд неподвижными, движутся друг относительно друга с очень высокими скоростями.

9

 Рис. 1.1. Спиральная галактика (фотография с космического телескопа Хаббл)

Открытия прошлого века обогатили человечество новыми фундаментальными знаниями о Вселенной, и в частности о ее расширении. Предположение о расширении Вселенной из сверхплотного состояния было выдвинуто в 1927 г. бельгийским астрономом Ж. Леметром, и уже в 1929 г. американский исследователь Э. Хаббл с помощью телескопических наблюдений установил, что движение удаленных галактик направлено от нас. Э. Хаббл также доказал, что скорость убегания галактик пропорциональна расстоянию до них. Позже было установлено, что процесс расширения Вселенной является результатом так называемого Большого взрыва.
   Изучение спектров излучения звезд показывает, что температуры поверхности разных звезд неодинаковы. В нашей Галактике существуют звезды, у которых температура поверхности достигает 10—30 тыс. К, а иногда и выше. Такие звезды, характеризующиеся белым или голубым свечением, получили название белых звезд. Другие звезды с температурой поверхности до 6000 К называют желтыми. Наконец, имеются относительно холодные — красные звезды с температурой поверхности, не превышающей 2—3 тыс. К.
   По своим размерам звезды подразделяют на три класса — звезды-гиганты, звезды-карлики и нейтронные звезды. Диаметр звезд-гигантов в десятки и сотни раз превышает диаметр Солнца. Большинство из таких звезд относится к красным. Звезды-карлики обладают размерами порядка размера Земли. Среди них встречаются как белые, так и красные звезды.

10