Реферат: Представления о геосферах в классической науке
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, 1910 г.; А. Вегенер, 1915 г.; А. Дю-Тойт, 1937 г.). Потребность объяснения тектонических процессов вызвала предположения о горизонтальной неоднородности глубинных геосфер и о конвекционных течениях в них (О. Апмферер, 1906 г.; К. Андре, 1914 г.; Р. Швиннер, 1920 г.; Э. Хаарман, 1930 г.; А. Холмс, 1931 г.; Б. и С. Виллисы, 1941 г.). Эмпирическое геоформационное, петрографическое и минералогическое исследование стратисферы и подстилающей ее кристаллической «гранитно-метаморфической» оболочки проводилось в связи с прогнозами, поисками и разведками полезных ископаемых. Практическими потребностями обусловливались исследования почвенной оболочки.
Гидросфера, целостное понимание которой обосновывалось лишь некоторыми учеными (Дж. Меррей, 1910 г.; Вернадский, 1933—1936 гг.), становится объектом раздельно развивающихся наук: океанологии, гидрологии суши, гидрогеологии; обособляются также геокриология — наука о слое мерзлых грунтов, или так называемой вечной мерзлоте, а также гляциология и снеговедение — науки о ледовом и снежном покровах. Комплексный характер приобрели исследования атмосферы метеорологией и климатологией. Высотным зондированием было установлено термобарическое разделение атмосферы на тропосферу и стратосферу (Л. Тейсеран де Бор, 1906 г.), а с 20-х гг. выделена вышележащая мезосфера (В. И. Виткевич, Г. Добсон). Открытие радио привело в 1902 г. к установлению ионосферы (А. Кеннели, О. Хевисайд), сложная структура и состав которой стали расшифровываться с 20-х гг. (М. В. Шулейкин, С. Чепмен).
В 1910 г. П. И. Броунов обосновывает представление о комплексной земной оболочке — объекте общей физической географии. Эта геооболочка получила название географической оболочки (А. А. Григорьев, 1932 г.; С. В. Калесник, 1940 г.). В концепции географической оболочки, развивавшейся Григорьевым, главное значение придавалось климатическому фактору, тогда как при изучении примерно того же объекта Вернадский делал акцент на биогенные факторы. По пути обоснования ландшафтной геооболочки шли исследования 3. Пассарге (с 1908 г.) и Л. С. Берга (с 1913 г.). Существовавший разрыв между целостным геосферным подходом и регионально-ландшафтным изучением географической оболочки стал «заполняться» разработкой таксономической иерархии подсистем этой геооболочки (Пассарге, 1933 г.; Л. Г. Раменский, 1938 г.; Калесник); трудности при этом возникали в установлении соотношений зональных и азональных геосистем. Развивается также более широкая концепция географической сферы, объединяющей в одной системе природные и общественные явления («земная оболочка» А. Геттнера и Р. Хартшорна; «геосфера» Г. Кароля).
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 1927 г. Е. Ле Руа и Тейяр де Шарденом в связи с парижскими лекциями Вернадского о биосфере). Вернадский подчеркивал научное своеобразие понятия ноосферы: «В нашем построении окружающей природы у нас нет, казалось бы, места для человеческого разума как геологической силы, так как он не является формой энергии». Синтез Вернадского на долгие годы остается единственным в учении о геосферах.
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, 1935 г.; Н. Н. Парийский, 1946 г.), уступают место «холодным» космогониям в планетизимальном и небулярном вариантах (О. Ю. Шмидт, 1943 г.; Дж. Коппер, 1949 г.; В. Г. Фесенков, 1960 г.) с учетом также космохимических и электромагнитных процессов (Г. Юри, 1952 г.; X. Альвен, 1958 г.; Ф. Хойл, 1960 г.); тем самым проблема происхождения и развития геосфер получает более разнообразные пути решения.
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 1959 г.), основывающейся на хондритовой модели Земли, в результате «зонной плавки» из мантии образовалась легкая земная кора, а также в процессе дегазации — гидросфера и атмосфера. Представления о горизонтальной неоднородности всех геосфер, а также об их динамичности и эволюции стали господствующими. Вместе с тем метеоритная модель по-прежнему подвергается критике; защищаются также представления о контракционном сжатии и о невозможности конвективных перемещений (Г. Джеффрис, 1970 г. и др.).
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, 1967 г.) как естественное земное тело, взаимодействующее с другими гравитационными полями Космоса (П. Йордан, 1955 г.; Р. Дикке, 1961 г.; С. С. Николаев, 1960 г.; Г. Ф. Лунгерсгаузен, 1963 г.). С динамикой грависферы стали увязываться планетарные структуры Земли (М. В. Стовас, 1951 г.; Э. Краус, 1959 г.;Б.Л.Личков, 1960 г., и др.). Геогрависфера, определяющая сферическую симметрию всех геосфер, исследуется астрономией, геофизикой, геодезией, геологией. Устанавливаются эквипотенциальные или уровневые поверхности гравитационного поля (наиболее внешняя около миллиона километров от центра Земли), которыми разграничиваются гравитационные оболочки более высоких порядков — геоида и др. Рассчитывается фигура планеты и распределение плотностей (Г. Джеффрис, 1952 г.; К. Буллен, 1953 г.) и уточняются теории приливов (Н. Н. Парийский, 1963 г.) и изостазии.
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, 1939 г.; Э. Буллард, 1950 г.). Заметим, что объяснение наблюдаемых вариаций поля гипотетическим механизмом приводит к некоторому логическому кругу, поскольку само существование механизма выводится из наблюдаемых вариаций. Подобная теоретическая «самоиндукция», легкоуязвимая для формально-логической критики, распространена в науках о Земле и часто оправдывается.
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 1952 г.), а затем вышележащая экзосфера (конец 50-х — начало 60-х гг.). Эти слои из-за неоднородности состава объединяются под названием гетеросферы, а все нижележащие воздушные слои — гомосферы.
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 (1960 г.). Преимущественно же гидросфера исследуется по оболочкам и подсистемам высоких порядков — Мировому океану (океаносфере, по В. Н. Степанову, 1974) и его слоям и зонам, пресным и соленым водам суши, мерзлотной, ледовой и снежной оболочкам, подземным и атмосферным водам и др. Тесно взаимодействующие атмосфера и гидросфера дифференцируются на взаимосвязанные географические и климатические подсистемы. С точки зрения геофизического синтеза существенно установление слоев пониженной скорости сейсмических волн (волноводов) в атмосфере, гидросфере и террасфере (Б. Гутенберг, 1960 г.).
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, 1940 г.; Г. А. Гамбурцев, 1954 г.; М. Юинг и Ф. Пресс, 1955 г.). Континентальная кора глубиной до 35—60 км образована стратисферой и подстилающими слоями — гранитно-метаморфическим и нижележащим «базальтовым», предположительно гранулито-базитовым. Океаническая кора мощностью 4—8 км лишена «гранитного» слоя и состоит из слоя неконсолидированных осадков, подстилающего их базальтового «вулканического» слоя, а также нижележащего «базальтового» слоя, по-видимому аналогичного таковому в континентальной коре. Дискутируется природа границы Мохо, которая может быть либо фазовой, либо химической, либо той или иной в разных местах. Разделу Мохо уже не придается решающего геологического значения, хотя возможно, что ниже его не распространяется геоформационная дифференциация литосферы.
Мантию Земли образуют слои В (распространяющийся примерно до глубины 400 км от поверхности террасферы), С (до 1000 км) и Д (до 2900 км). Так называемый слой Гутенберга (В) включает астеносферу, находящуюся на г