3.2. Характеристика элементов земной поверхности. (Площади, объёмы, массы и химический состав)

Мировой океан вместе с морями, сообщающимися с ним, занимает площадь $3, 61 \cdot 1 0^{8}$ км $^{2}$ , что составляет 70,9% поверхности Земли; $2, 74 \cdot 1 0^{7}$ км $^{2}$ или 7,6% площади океана занимает прибрежная область (шельф) с глубинами до 200 м. Это зона, где сосредоточена главная масса морских биологических организмов — основной поставщик морских продуктов для человечества в настоящее время и, вероятно, в близком будущем. Средняя глубина океана $\sim$ 3800 м. На такой глубине жизнь хотя и существует, но в очень скромных формах.

Масса гидросферы, включая полярные льды, составляет $1, 46 \cdot 1 0^{18}$ ( $1, 46 \cdot 1 0^{6}$ триллионов) тонн. Это значительно (в 275 раз) больше массы атмосферы, но в 33 раза меньше массы твёрдой части земной коры.

Океан делится на 4 части: Тихий океан 49,8% по площади, 52,8% по массе, средняя глубина 4030 м), Атлантический океан (соответственно по площади и массе 25,9% и 24,7%, средняя глубина 3630 м), Индийский океан (20,7%, 21,3%, 3900 м), Северный Ледовитый океан (3,6%, 1,2%, 1300 м).

Это деление несколько условное; оно отражает исторически сложившиеся географические понятия и, главное, структуру, существующую в нашу эпоху. В прошлом расположение материков и океана было иным. В систему Мирового океана входит много окраинных морей (включая слабо связанные с океаном Средиземное, Чёрное и другие моря подобного типа), бесчисленное количество заливов и фиордов.

В каждом литре морской воды растворено 3,6 г солей; основные из них, с указанием количества в % по отношению к массе воды и общей массе солей, приведены в табл. 2. В ничтожных количествах в воде содержатся почти все существующие в земной коре элементы. Некоторые данные об этом приведены в табл. 4.

Из табл. 2 видно, что основную массу солей составляет поваренная соль $NaCl$ и хлорид магния $MgCl$ 2. Суммарное содержание остальных солей существенно меньше.

Подавляющая часть рек несут свои воды в океан; правда из этого правила есть исключения. Например, крупнейшая река европейской части России, Волга, впадает в Каспийское море, которое с океаном не связано (если не считать искусственно прорытого Волго-Донского канала).

Площади и массы внутренних водоемов, т. е. окруженных сушей и не связанных с океаном морей и озер, а также запас воды в горных ледниках в общем балансе незначительны, хотя роль их в жизни планеты и человечества велика.

Таблица 2. Солевой состав морской воды


Наименование соли	Содержание		Содержание
и химическая формула	в % от массы		в % от общей
	воды		массы солей

Поваренная соль $NaCl$	2,	72	77,	8
Хлорид магния $MgCl$ 2	0,	38	10,	9
Сульфат магния $MgSO$ 4	0,	17	4,	7
Сульфат кальция $CaSO$ 4	0,	12	3,	6
Сульфат калия $K$ 2SO4	0,	09	2,	5
Бромистый магний $MgBr$ 2	0,	01	0,	25
Карбонат кальция $CaCO$ 3 и др.	0,	01	0,	25

Общая масса атмосферы составляет $5, 3 \cdot 1 0^{15}$ ( $5, 3 \cdot 1 0^{3}$ триллионов) тонн (примерно одна миллионная часть массы Земли); плотность, температура, до некоторой степени состав и другие характеристики воздуха сильно меняются с высотой. Они подвержены также изменениям во времени, суточным, сезонным и просто случайным, но эти изменения не особенно велики: по давлению — не более 35 мм ртутного столба от среднего значения 760 мм (у поверхности моря, на больших высотах колебания давления еще значительно меньше), по температуре — до 40 K.¹⁰ Это немного, поскольку надо сравнивать с абсолютной температурой, в которой 0 $^{\circ}$ C соответствует 273 K.

В табл. 3 приведены значения атмосферного давления и температуры для разных высот над уровнем моря. Эти данные относятся к стандартной атмосфере — искусственной модели, освобожденной от влияния случайных, сезонных, географических и других факторов.

Таблица 3. Значения атмосферного давления

p

(в мм ртутного столба), температуры

T

(в

^{\circ}

C), и плотности

ρ

(в кг/м

^{3}

) для разных высот

H

над уровнем моря. Стандартная атмосфера


$H$	$p$		$T$		$ρ$		$M$
м	мм. рт. ст.		$^{\circ}$ C		кг/м $^{3}$		%

0	760,	0	$+ 15$ ,	3	1,	225	–
200	742,	2	$+ 13$ ,	7	1,	202	–
500	716,	0	$+ 11$ ,	7	1,	167	–
1000	674,	1	$+ 8$ ,	5	1,	112	–
2000	596,	3	$+ 2$ ,	0	1,	007	–
5000	405,	4	$- 17$ ,	7	0,	736	–
10000	198,	8	$- 49$ ,	9	0,	414	0,75
20000	41,	5	$- 56$ ,	5	0,	089	0,95
50000	0,	60	$- 2$ ,	5	1,	$03 \cdot 1 0^{- 3}$	0,999
100000	0,	00023	$- 63$ ,	1	1,	$0 \cdot 1 0^{- 7}$	–

В 5-й графе табл. 3 указана относительная масса (в %) слоя атмосферы, расположенного ниже данного уровня. Из табл. 3 видно, что:

Атмосферное давление очень быстро убывает с высотой.
Несмотря на то, что температура при этом также снижается, и что плотность холодного газа больше, чем нагретого (при том же давлении), все же плотность воздуха с высотой падает — почти так же быстро, как и давление.

Поэтому почти вся масса атмосферы сосредоточена в тонком слое у земной поверхности. Это хорошо видно из 5 графы табл. 3; например, в 20-ти километровом слое, что по сравнению с радиусом Земли совсем намного, находится $\sim$ 95% всей массы атмосферного воздуха. Но всё более разряженная атмосфера продолжается до высот в сотни километров; следы атмосферы есть даже на высоте 2000 км. Правда, давление и плотность газа там ничтожны; например, на высоте 500 км плотность равна всего $1, 58 \cdot 1 0^{- 12}$ кг/м $^{3}$ . По техническим представлениям это уже вакуум, движущиеся тела не встречают сопротивления газовой среды; например, спутники могут летать годами без существенного снижения скорости и, соответственно, высоты.

Атмосферу принято делить на слои, отличающиеся не только давлением, но и другими физическими характеристиками, основной из которых является температура.

Самый нижний слой, до высоты 11 км называется тропосферой. В этом слое заключено 75% всей массы атмосферы, в нем формируются облака, переменные течения — ветер. Температура в тропосфере понижается с высотой, в среднем на 0,65 $^{\circ}$ C на каждые 100 м — это называется вертикальным градиентом температуры. Фактические отклонения от этого среднего значения могут быть большими. В зависимости от метеорологических условий градиент иногда достигает 1–2 градусов на 100 м. В особых условиях он даже может стать положительным (сверху теплее); такое состояние называется температурной инверсией. Иногда тропосферу подразделяют на три части: нижнюю или пограничный слой (до 1–1,5 км), среднюю (от 1–1,5 до 6–7 км) и верхнюю (более 6–7 км).

За тропосферой на высотах 11–50 км находится стратосфера, отделенная от тропосферы сравнительно тонким (0,5–1,5 км) слоем — тропопаузой. В стратосфере температура перестает понижаться с высотой и остаётся примерно постоянной, иногда даже растет. За стратосферой следует мезосфера (50–90 км), в которой температура снова понижается в среднем на 1 $^{\circ}$ C с каждым километром высоты, далее следуют еще два очень разреженных слоя — термосфера (90–600 км) и экзосфера (свыше 800 км).

В стратосфере и даже мезосфере иногда возникают очень легкие, почти прозрачные облака, состоящие из мелких кристалликов льда: перистые (на высотах 10–20 км), перламутровые (22–27 км) и серебристые (82–85 км).

На высоте 20–35 км сосредоточена основная масса атмосферного озона — озонный слой, содержащий трёхатомные молекулы кислорода ( $O$ 3). Озон образуется из кислорода ( $O$ 2) в результате естественных, хотя и довольно сложных физико-химических процессов, в которых сперва под воздействием жесткого ультрафиолетового излучения молекулы кислорода распадаются, образуя атомарный кислород ( $O$ ), а затем при тройных столкновениях $O$ , $O$ 2 и азота $N$ образуются молекулы озона $O$ 3.¹¹ При других реакциях, которые также идут естественным путем, озон может снова превращаться в кислород. Таким образом поддерживается динамическое равновесие, обеспечивающее существование озонного слоя. Количество озона в атмосфере невелико; при нормальном давлении этот слой имел бы толщину всего около 3 мм, однако он имеет исключительно важное значение для жизни на поверхности земли: озон почти полностью поглощает губительную для всего живого ультрафиолетовую солнечную радиацию с длинами волн от 0,22 до 0,32 мк (микрона). Без озона жизнь могла бы существовать только в воде, поскольку слой воды толщиной $\sim$ 10 м также поглощает ультрафиолетовую радиацию.

На высотах 60 км и более значительная часть газовых молекул под воздействием излучения и столкновений с частицами солнечного («солнечный ветер») и космического (космические лучи) происхождения распадается на ионы, поэтому слои, лежащие выше 60 км, называются ионосферой. Из-за присутствия ионов газ здесь обладает электрической проводимостью, и как всякий проводник, способен влиять на прохождение электромагнитных волн. Например, ионосфера не пропускает короткие радиоволны в диапазоне 10–40 метров. Волны этого диапазона, излучаемые наземными радиостанциями, отражаются обратно, и за счет этого возникает возможность дальних радиосвязей.

Ракетными и спутниковыми исследованиями установлено, что на высотах выше 150 км скорость, а значит и кинетическая энергия газовых молекул очень велика и соответствует температуре 1000 градусов и более. Большая температура и сама ионизация газовых молекул объясняются действием коротковолнового излучения Солнца и частиц с высокой энергией, приходящих от Солнца и из космоса («солнечный ветер» и космические лучи). Не следует, однако, думать, что «горячие» газовые молекулы на таких высотах способны нагревать материальные тела. Газ здесь очень разрежен, и всякое тело излучает гораздо больше энергии, чем может приобрести за счёт столкновений с горячими и быстрыми, но очень уж редкими молекулами газа. Иногда, во время солнечных вспышек, Земля «погружается» в поток рентгеновских лучей и частиц с высокой энергией, идущих от Солнца. Тогда ионизация атмосферы на высотах 50–100 км многократно возрастает, особенно в полярных районах — в зоне магнитных полюсов. Тогда нарушается радиосвязь, а в ионосфере возникают светящиеся «облака», которые можно наблюдать в виде феерических картин полярных сияний.

Площадь суши, выступающей над водой, равна $1, 5 \cdot 1 0^{8}$ км $^{2}$ или 29,1% земной поверхности. Как известно, она (тоже отчасти условно) делится на 6 материков: Европа ( $9, 78 \cdot 1 0^{6}$ км $^{2}$ ; 6,5% от площади суши), Азия ( $42, 45 \cdot 1 0^{6}$ км $^{2}$ ; 28,3%), Африка ( $29, 22 \cdot 1 0^{6}$ км $^{2}$ , 19,5%), Америка (Северная $20, 36 \cdot 1 0^{6}$ км $^{2}$ ; 13,6%, Южная $17, 68 \cdot 1 0^{6}$ км $^{2}$ ; 11,8%); Австралия ( $7, 69 \cdot 1 0^{6}$ км $^{2}$ ; 5,1%) и Антарктида ( $14, 1 \cdot 1 0^{6}$ км $^{2}$ ; 9,4%). К суше также относится огромное количество крупных и мелких островов общей площадью $\sim 8, 73 \cdot 1 0^{6}$ км $^{2}$ или 5,8% от поверхности суши. Если всю поверхность суши разделить на современное число людей (более пяти миллиардов), то окажется, что на каждого человека приходится $\sim 0, 03$ км $^{2}$ . Однако не вся суша одинаково пригодна для проживания, животноводства, земледелия. Вычтя из общей площади Антарктиду, пустыни , высокогорные и арктические области, тропические леса и другие малопригодные для комфортного проживания районы, получим площадь $\sim 4, 5 \cdot 1 0^{7}$ км $^{2}$ , или по 0,009 км $^{2}$ на человека.¹² Этого по-видимому еще достаточно, хотя уже и тесновато. Впрочем, обсуждение такого рода вопросов содержится во 2 томе.

Масса земной коры во много раз превосходит массу гидросферы и, тем более массу атмосферы и оценивается величиной $4, 7 \cdot 1 0^{19}$ тонн, Это составляет около 0,3% от массы Земли. Средняя плотность материала коры равна 2,7–2,8 г/см $^{2}$ .

Кора отличается от нижележащих слоев не только меньшими температурой, давлением, плотностью, но и тем, что ее состав неоднороден. В результате многочисленных и длительных физических, химических и биологических процессов произошло разделение вещества, образовались различные структуры, разные горные породы и то, что мы называем полезными ископаемыми. Кроме того, характер поверхности Земли делает ее необычной, уникальной планетой: она в значительной части покрыта водой, и ее атмосфера содержит кислород. Это и делает Землю пригодной для жизни. Другой подобной планеты в солнечной системе нет.

В табл. 4 приведены данные о химическом составе земной коры, гидросферы (Мирового океана), атмосферы и по Земле в целом. Для коры в таблицу включены сведения о химических элементах, которые встречаются редко, поскольку большинство из них находит техническое применение, а некоторые стали незаменимыми. Элементы первых 15 позиций входят в таблицу в порядке убывания их содержания в Земле в целом (7-я графа). Далее (с 16 по 48 позиции) в порядке убывания содержания в земной коре идут элементы, не попавшие в предыдущие строки (графа 6). Основные элементы, входящие в гидросферу и атмосферу оказались охваченными предыдущим списком; их содержание в этих сферах отмечено в 4-й и 5-й графах; прочерки означают отсутствие данных. По всем таким позициям содержание соответствующих элементов ничтожно. В графе 5 указано содержание кислорода и водорода в составе воды; в графе 4 указано содержание углерода в составе углекислого газа.

Таблица 4: Содержание химических элементов в земной коре, океане, атмосфере и в Земле в целом

M

атмосферы =

5, 3 \cdot 1 0^{15}

т;

M

океана =

1, 46 \cdot 1 0^{18}

т;

M

земной коры =

1, 7 \cdot 1 0^{19}

т;

M

Земли =

5, 98 \cdot 1 0^{21}



№	Наименование	Атомный				Содержание в % по отношению к массе
		номер,				соответствующей геосферы или Земли в целом

		обозначение				Атмосфера	Океан	Земная	Земля
		и атомная						кора	в целом
		масса				по данным	по данным	по данным	по данным
						[1.11]	[2.16]	[2.1]	[2.21]



1	Железо	26	Fe	55,	84	—	$5 \cdot 1 0^{- 6}$	4,20	34,63
2	Кислород	8	O	15,	999	23,15	85,93	49,13	29,53
3	Кремний	14	Si	28,	085	—	—	26,0	15,2
4	Магний	12	Mg	24,	305	—	0,13	2,35	12,7
5	Никель	28	Ni	58,	7	—	$3 \cdot 1 0^{- 7}$	0,02	2,39
6	Сера	16	S	32,	06	—	—	0,1	1,93
7	Кальций	2	Ca	40,	08	—	0,04	3,25	1,13
8	Алюминий	13	Al	26,	98	—	$1 0^{- 6}$	7,40	1,09
9	Натрий	11	Na	27,	99	—	1,08	2,40	0,57
10	Хром	24	Cr	52,	00	—	—	0,03	0,26
11	Марганец	25	Mn	54,	94	—	$4 \cdot 1 0^{- 7}$	0,1	0,22
12	Кобальт	27	Co	58,	93	—	—	$5 \cdot 1 0^{- 3}$	0,13
13	Фосфор	15	P	30,	97	—	—	0,12	0,1
14	Калий	19	K	39,	10	—	0,04	2,35	0,07
15	Титан	22	Ti	47,	90	—	—	0,61	0,05
16	Водород	1	H	1,	01	$3, 5 \cdot 1 0^{- 6}$	10,8	1,0	—
17	Углерод	6	C	12,	01	0,02	—	0,35	—
18	Хлор	17	Cl	35,	45	—	1,94	0,2	—
19	Фтор	9	F	19,	00	—	$1 0^{- 4}$	0,10	—
20	Барий	56	Ba	137,	33	—	—	0,08	—
21	Азот	7	N	14,	01	75,5	—	0,037	—
22	Стронций	38	Sr	87,	62	—	—	0,034	—
23	Цирконий	40	Zr	91,	22	—	—	0,02	—
24	Ванадий	23	V	50,	94	—	—	0,02	—
25	Цинк	30	Zn	65,	38	—	$5 \cdot 1 0^{- 6}$	0,02	—
26	Бор	5	B	10,	82	—	$4 \cdot 1 0^{- 4}$	0,012	—
27	Медь	29	Cu	63,	54	—	$2 \cdot 1 0^{- 6}$	0,012	—
28	Олово	50	Sn	118,	6	—	$3 \cdot 1 0^{- 7}$	0,012	—
29	Литий	3	Li	6,	94	—	—	$8 \cdot 1 0^{- 3}$	—
30	Бериллий	4	Be	9,	01	—	—	$6 \cdot 1 0^{- 3}$	—
31	Торий	90	Th	237,	04	—	—	$5 \cdot 1 0^{- 3}$	—
32	Свинец	82	Pb	207,	2	—	$5 \cdot 1 0^{- 7}$	$4 \cdot 1 0^{- 3}$	—
33	Молибден	42	Mo	95,	94	—	—	$4 \cdot 1 0^{- 3}$	—
34	Бром	35	Br	79,	90	—	$6, 7 \cdot 1 0^{- 3}$	$1 0^{- 3}$	—
35	Уран	92	U	238,	02	—	—	$2 \cdot 1 0^{- 3}$	—
36	Вольфрам	74	W	183,	8	—	—	$2 \cdot 1 0^{- 3}$	—
37	Кадмий	48	Cd	112,	41	—	—	$8 \cdot 1 0^{- 6}$	—
38	Мышьяк	33	As	74,	92	—	—	$5 \cdot 1 0^{- 4}$	—
39	Аргон	18	Ar	39,	94	1,31	—	$4 \cdot 1 0^{- 4}$	—
40	Ртуть	80	Hg	200,	5	—	$3 \cdot 1 0^{- 9}$	$1 0^{- 4}$	—
41	Йод	53	I	126,	90	—	—	$1 0^{- 4}$	—
42	Селен	34	Se	78,	9	—	—	$8 \cdot 1 0^{- 5}$	—
43	Сурьма	51	Sb	121,	7	—	—	$7 \cdot 1 0^{- 5}$	—
44	Тантал	73	Ta	180,	95	—	—	$2 \cdot 1 0^{- 5}$	—
45	Висмут	83	Bi	208,	98	—	—	$2 \cdot 1 0^{- 5}$	—
46	Серебро	47	Ag	107,	87	—	—	$2 \cdot 1 0^{- 5}$	—
47	Платина	78	Pt	195,	0	—	—	$1, 5 \cdot 1 0^{- 5}$	—
48	Золото	79	Au	195,	97	—	$4 \cdot 1 0^{- 10}$	$1, 5 \cdot 1 0^{- 5}$	—
49	Гелий	2	He	4,	00	—	—	$1 \cdot 1 0^{- 5}$	—
50	Радий	88	Ra	226,	03	—	—	$8 \cdot 1 0^{- 6}$	—
51	Прочие					0,02	0,04	$3, 2 \cdot 1 0^{- 3}$	0,35

Надо сразу же отметить некоторую неполноту табл. 4. Это проявляется в следующем:

Как земная кора, так и Земля в целом, содержит не только 49, а практически все элементы периодической системы.¹³ Однако, содержание элементов, не попавших в табл. 4, крайне мало и по большей части неизвестно. Некоторые элементы периодической таблицы (их немного) могут отсутствовать вообще; это либо короткоживущие радиоактивные вещества (например, нептуний $Np$ 237, плутоний $Pu$ 244), либо элементы на Земле не обнаруженные, некоторые из них удалось создать искусственно в физических лабораториях (например, фермий $Fm$ 100, курчатовий $Ku$ 104). Все такие элементы исключены из табл. 4, чтобы её не усложнять.
В графах 5 (океан) и 4 (атмосфера) отмечено содержание только главных химических элементов, входящих в эти сферы. В действительности морская вода также содержит все элементы таблицы, но в ничтожных количествах по отношению к остальной массе; даже атмосфера содержит большинство элементов, хотя бы в составе мельчайших пылевых частиц. Но все это не имеет пока существенного значения, хотя в литературе неоднократно дискутировался вопрос о добыче из морской воды, например, золота, относительное содержание которого равно 0,000000004% и однако, абсолютное содержание все же составляет 530 миллионов тонн. Можно отметить, что серебра в океане в 30, олова — в 80, меди и никеля — в 200, а урана даже в 330 раз больше, чем золота [2.10]. Переработка 1-го кубического километра (миллиард тонн) морской воды с целью извлечения содержащихся в нем 400 кг золота, платины и других драгоценных или просто ценных веществ немедленно разорит любого предпринимателя. И все же многое из того, что сейчас является невозможным или нецелесообразным, может стать возможным и выгодным в будущем.
Перечисленные в табл. 4 химические элементы редко встречаются в чистом виде; как правило, они входят в составы различных химических соединений, образующих горные породы, или растворённые в морской воде, да и сама вода $H$ 2O является химическим соединением водорода и кислорода, хотя в графе 5 весовые содержания кислорода и водорода указаны раздельно. Кроме того, в морской воде некоторые вещества разлагаются на ионы и тогда соответствующие элементы входят как бы раздельно, например, соляная кислота $HCl$ распадается на два иона $H$ + и $Cl$ − и т. д.

В общем заголовке над 4–7 графами табл. 4 приведена сводка масс трех сфер земной поверхности (коры, гидросферы, атмосферы) и Земли в целом. По этой сводке и данным табл. 4 легко найти абсолютное содержание основных химических элементов. Например: общая масса океана $M$ океана = $1, 46 \cdot 1 0^{18}$ тонн; относительное содержание фтора ( $F$ ) в морской воде $1 0^{- 4}$ % (графа 5, поз. 19). Отсюда следует, что океан содержит $\sim 1, 5 \cdot 1 0^{12}$ тонн фтора:

M_{F} = 1, 46 \cdot 1 0^{18} \times 1 0^{- 4} \times 1 0^{- 2} = 1, 46 \cdot 1 0^{12} т

(множитель $1 0^{- 2}$ в этом вычислении учитывает, что данные в табл. 4 приведены в %).

Для того, чтобы показать содержание химических элементов в трех сферах земной поверхности и в самой Земле более наглядно, на рис. 6 а,б,в,г (стр. 430) представлен состав этих сфер в виде диаграмм, разумеется, только для основных элементов, относительное содержание которых не менее 0,5%.

В табл. 5 приведены массы всех сфер Земли, включая и биомассу живых организмов.

Таблица 5. Массы сфер Земли



Земля в целом	$5, 98 \cdot 1 0^{21}$
Внутреннее ядро	$7, 2 \cdot 1 0^{19}$
Внешнее ядро	$1, 79 \cdot 1 0^{21}$
Мантия	$4, 07 \cdot 1 0^{21}$
Земная кора	$4, 7 \cdot 1 0^{19}$
Гидросфера	$1, 46 \cdot 1 0^{18}$
Атмосфера	$5, 3 \cdot 1 0^{15}$
Биомасса в целом	$2, 5 \cdot 1 0^{12}$

В том числе

Наземные растения	$2, 45 \cdot 1 0^{12}$
Морские организмы	$2, 2 \cdot 1 0^{10}$
Масса всех людей	$3, 3 \cdot 1 0^{8}$

Примечание: величины биомасс в последних четырех строках — ориентировочные, с точностью 30%. Эти величины довольно быстро меняются.