Формирование научного мировоззрения учащихся при изучении эволюции Земли в курсе «Естествознание» 5 класс

        Помимо пассивного исследования сейсмических волн в настоящее время применяют метод глубинного сейсмического зондирования. Этот метод заключается в использовании генерируемых с помощью взрыва сейсмических волн, которые регистрируются сейсмографами, установленными с интервалом всего 200 - 500 м друг от друга. Этот метод дает самые надежные результаты, однако практическое использование его требует больших денежных затрат. В результате сейсмических исследований было определено, что внутренняя область Земли неоднородна по своему составу и физическим свойствам, и образует слоистую структуру (рис.1). Здесь мы лишь кратко перечислим размеры и основные физические параметры этих слоев:

 Рис.1. Внутренние  оболочки Земли 

 

1. Верхний слой Земли  называется земной корой и  подразделяется на несколько  слоев. Самые верхние слои земной  коры состоят преимущественно  из пластов осадочных горных  пород, образовавшихся путем осаждения  различных мелких частиц, главным  образом в морях и океанах.  В этих пластах захоронены  остатки животных и растений, населявших в прошлом земной  шар. Общая мощность (толщина)  осадочных пород не превышает  15 - 20км.

           Различие скорости распространения сейсмических волн на континентах и на дне океана позволило сделать вывод о том, что на Земле существуют два главных типа земной коры: континентальный и океанический. Мощность коры континентального типа в среднем 30 - 40 км, а под многими горами достигает местами 80 км. Континентальная часть земной коры распадается на ряд слоев, число и мощность которых изменяются от района к району. Обычно ниже осадочных пород выделяют два главных слоя: верхний - "гранитный", близкий по физическим свойствам и составу к граниту и нижний, состоящий из более тяжелых пород, - "базальтовый" (предполагается, что он состоит главным образом из базальта). Толщина каждого из этих слоев в среднем 15 - 20 км. Однако, во многих местах не удается установить резкую границу между гранитным и базальтовым слоями. Океаническая кора гораздо тоньше (5 - 8 км). По составу и свойствам она близка к веществу нижней части базальтового слоя континентов. Но этот тип коры свойствен только глубоким участкам дна океанов, не менее 4 тыс. м. На дне океанов есть области, где кора имеет строение континентального или промежуточного типа. Поверхность Мохоровичича (по имени открывшего ее югославского ученого), на границе которой резко изменяется скорость сейсмических волн, отделяет земную кору от мантии.

2. Мантия распространяется  до глубины 2900 км. Она подразделяется  на 3 слоя: верхний, промежуточный  и нижний. В верхнем слое скорости  сейсмических волн сразу за  границей Мохоровичича растут, затем  на глубине 100 - 120 км под континентами  и 50 - 60 км под океанами этот  рост сменяется слабым уменьшением  скоростей, а далее на глубине  250 км под континентами и 400 км под океанами уменьшение  вновь сменяется ростом. Таким  образом, в этом слое имеется  область пониженных скоростей  - астеносфера, характеризуемая относительно  малой вязкостью вещества. Некоторые  ученые считают, что в астеносфере  вещество находится в "каше  подобном" состоянии, т.е. состоит  из смеси твердых и частично  расплавленных пород. В астеносфере  находятся очаги вулканов. Они  образуются, вероятно, там, где по  каким-либо причинам понижается  давление и, следовательно, температура  плавления вещества астеносферы.  Понижение температуры плавления  приводит к расплавлению вещества  и образованию магмы, которая  затем по трещинам и каналам  в земной коре может излиться  на поверхность Земли. Промежуточный  слой характеризуется сильным  возрастанием скоростей сейсмических  волн и увеличением электропроводности  вещества Земли. Большинство ученых  считают, что в промежуточном  слое изменяется состав вещества  или слагающие его минералы  переходят в иное состояние,  с более плотной "упаковкой"  атомов. Нижний слой оболочки  отличается однородностью по  сравнению с верхним слоем.  Вещество в этих двух слоях  находится в твердом, по-видимому, кристаллическом состоянии.

3. Под мантией находится  земное ядро с радиусом 3471 км. Оно подразделяется на жидкое  внешнее ядро (слой между 2900 и  5100 км) и твердое ядрышко. При  переходе от мантии к ядру  резко изменяются физические  свойства вещества, по-видимому, в  результате высокого давления.

Температура внутри Земли  с глубиной повышается до 2000 - 30000С, при  этом наиболее быстро она возрастает в земной коре, далее идет замедление, и на больших глубинах температура  остается, вероятно постоянной. Плотность  Земли возрастает с 2,6 г / см3 на поверхности  до 6,8 г / см3 на границу ядра Земли, а  в центральных областях составляет примерно 16 г / см3. Давление возрастает с глубиной и достигает на границе  между мантией и ядром 1,3 млн. атмосфер, а в центре ядра - 3,5 млн. атм. [18] ; [19]

 

3.4 Внешние оболочки Земли

 

           Рассмотрим химию литосферы. Толщина литосферы колеблется в пределах 10-100 км; 10-20 км над океанами, 35-50 км над материками, 70-80 км над горными массивами; масса литосферы составляет 0,3-0,4% от массы Земли.

         Верхние слои осадочного подслоя литосферы (до 2-3 км) называют литобиосферой. Толщина осадочного слоя может достигать 20 км, ниже расположены гранитный (до 40 км) и базальтовый (ниже 40 км) подслой (рис. 2).

 

Рисунок 2. Строение и элементный состав Земли

    В земной коре преобладают восемь элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний. На долю кислорода приходится почти половина массы земной коры. Распространенность химического элемента с ростом его порядкового номера заметно убывает. Наиболее распространенными являются элементы с порядковыми номерами до 28. Самые распространенные изотопы относятся к типу 4n: ¹⁶O, ²⁴Mg, ⁴⁰Ca, ⁵⁶Fe, ⁸⁸Sr, ⁹²Zr, ¹²⁰Sn, ²⁰⁸Pb. Они составляют 86,3% массы земной коры, изотопы 4n + 3 - 12,7%, а 4n + 1 и 4n + 2 - менее 1%.

       Все элементы земной коры согласно геохимической классификации делятся на пять групп: литофильные, халькофильные, сидерофильные, атмофильные и биофильные (табл.1).

Таблица 1. Геохимическая  классификация элементов

Литофильные	Халькофильные	Сидерофильные	Атмофильные	Биофильные
Li, Be, B, O, F, Na, Mg, Al, Si, Cl, K, Ca, Sc, Mn, V, Ge, Br, Rb, Sr, Y, Mo, I, Cs, Ba, La, Ln, Ac, Th, U.	S, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, As, Se, Mo, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sb, Te, Hg, Tl, Pb, Bi.	C, P, Fe, Co, Ni, Ge, Mo, Ru, Rh, Pb, Sn, Ta, Re, Os, Ir, Pt, Au.	H, C, N, O, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn.	H,C, N, O, P, S, Na, Mg, K, Ca, V, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, Cl, Br, I, F, Si.

      Литофильные элементы входят в состав силикатных, алюмосиликатных горных пород, образуют сульфатные, карбонатные, фосфатные, боратные и галогенидные минералы.

Халькофильные элементы образуют многочисленную группу сульфидных и  теллуридных минералов. Они могут  встречаться в самородном состоянии.

         Сидерофильные элементы составляют большую часть полиметаллических руд, образуемых многими d - и f-элементами. Они тесно перемежаются с элементами, обнаруживая повышенное сродство к сере, мышьяку, а также фосфору, углероду и азоту.

Атмофильные элементы составляют основу земной атмосферы. За исключением  водорода и углерода в атмосфере  они находятся в виде простых  соединений.

Биофильные элементы - это  так называемые элементы жизни. Они  делятся на макробиогенные (H, C, N, O, Cl, Br, S, P, Na, K, Mg, Ca) и микробиогенные (V, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, B, Si, Mo, F).

          Антропогенная деятельность приводит к заметному воздействию на некоторые участки литосферы, включая высочайшие горные вершины. Это приводит к эрозии и засорению почв, перераспределению минерального сырья при горнопромышленной деятельности. Особую опасность представляют добыча, производство и переработка радиоактивных материалов. Под воздействием сельскохозяйственной и промышленной деятельности эрозия почвы происходит в 100-1000 раз быстрее, чем в природных условиях. За последние годы потеряно 2 млрд. га плодородных земель, что составляет более четверти сельскохозяйственных угодий. Города, дороги, промышленные сооружения уже вывели из землепользования 50 млн. га (площадь Франции).

         Природопреобразующая деятельность оказывает экологически опасное перераспределение вещества Земли - извлечение из недр и переработку огромного количества минерального сырья и углеводородного (твердого, жидкого и газообразного) топлива. При транспортировке, эксплуатации и переработке теряется значительная часть добытого.

      Так, при добыче каменного угля извлекается на поверхность огромное количество пустой породы, складируемой в терриконы. Большинство терриконов, содержащих и каменноугольные включения, тлеющие. На одну тонну калийного и фосфатного удобрения приходится соответственно 4 и 4,25 т отходов.

 Модель 1. Круговорот  воды и загрязнение окружающей  среды

 

        Промышленные и бытовые отходы являются глобальными проблемами современного состояния взаимоотношений человек-природа. Техногенная цивилизация находится у опасной черты, переход через которую грозит самому существованию на Земле человека как части природы. Поэтому перед человечеством стоит задача оптимизации техногенного преобразования природных систем. И на начальном этапе создания природосберегающих технологий, в частности малоотходных производств, в которых отходы одного производства служат сырьем для другого. Основными принципами таких технологий должны быть комплексная переработка сырья и энергосбережение, замкнутые водо- и газооборотные системы, рациональное кооперирование, минимизация отходов и исключение неконтролируемых выбросов. Все это требует больших затрат и пока доступно только немногим промышленно развитым странам [27].

        Помимо твердой внешней оболочки - литосферы выделяют также водную оболочку - гидросферу и воздушную оболочку - атмосферу. Более точно, под гидросферой понимают совокупность всех вод Земли, находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях. Больше всего на Земле жидкой воды - объем около 1,370.1024 см3. Она образует на поверхности Земли Мировой океан, общая площадь которого равна 3,61.1018 см2, т.е.70,8% площади всей земной поверхности. Вода благодаря своим уникальным свойствам имеет исключительно важное значение для создания на Земле оптимального теплового режима. Именно в ней зародилась и без нее была бы невозможна органическая жизнь. Основная масса льда располагается на суше - главным образом в Антарктиде и Гренландии. Если бы этот лед растаял, то уровень Мирового океана повысился бы примерно на 60 м. При этом 10% суши оказалось бы затопленной морем. Вода постепенно испаряется с поверхности Мирового океана. Она подхватывается воздушными течениями и переносится на громадные расстояния. После ряда превращений (конденсации, сублимации, коагуляции и т.п.) испарившаяся влага выпадает из атмосферы в виде осадков. Не вся влага при этом возвращается прямо в Мировой океан. Часть осадков выпадает на сушу, откуда они выносятся реками в моря и океаны. Во время своего пути по суше вода растворяет различные соли, захватывает мелкие, а иногда и крупные частички и выносит все это в море. Круговорот воды на Земле существует миллионы лет. Возможно поэтому вода морей и океанов соленая, хотя на этот счет нет единого мнения.

Химия гидросферы. Особенности  гидросферы определяются особенностями  воды: ее физические свойства обусловлены  химическим строением.

       Вода H₂O на 99,73% состоит из ¹H₂¹⁶O, но в природе встречается еще дейтерий (стабилен) ²D и тритий (³T, -β), а если принять во внимание, что кроме ¹⁶O есть еще ¹⁷O и ¹⁸O, то в природе встречается девять разновидностей воды.

Жидкая вода имеет максимальную плотность при 4 °С (принята за единицу), а переход в твердое состояние, сопровождающийся изменением упаковки молекул, понижает плотность до 0,9. Это  обстоятельство (лед плавает) и малая  теплопроводность льда во многом способствуют стабилизации процессов в гидросфере.

        Все свойства воды обусловлены наличием двух не поделенных электронных пар у атома кислорода, атомные орбитали, которого гибридизированы по sp³-типу, и способностью атомов водорода соседних молекул образовывать с этими не поделенными электронными парами достаточно прочные водородные связи. В результате как жидкая, так и кристаллическая вода (лед) оказываются хорошо структурированными, хотя число локальных нарушений дальнего порядка при плавлении возрастает.

Экспериментально установлено, что протон в воде может быть только гидратированным. Гидратация не исчерпывается  реакцией H⁺ + H₂O = H₃O⁺. Последовательно может присоединиться несколько молекул воды:

          Исходя из постоянства произведения ионов H⁺ и OH^-, образующихся при диссоциации H₂O = H⁺ + OH^-, важнейшим критерием поддержания жизнеспособности условий в воде и почве является узкий интервал изменений водородного показателя (pH) в пределах 6-9. В природной воде прежде всего растворяются газы атмосферы: O₂, N₂ (рис.2) и CO₂.

 Рис.3 Растворимость 

      Хотя растворимость кислорода в два раза больше растворимости азота, но из-за большего парциального давления (78%) в природной (дождевой) воде азота растворено в два раза больше, чем кислорода. Минерализация воды приводит к уменьшению растворимости воздуха. Так, при 0 °С растворимость кислорода (чистого) составляет 49 мл/л, а морской воде только 15 мл/л. Необходимое для окисления растворимых в воде веществ количество кислорода называется биохимической потребностью в кислороде (БПК).

Так, чистая вода, вытекающая из-под ледников, имеет БПК < 1 млн^-1, пригодная для питья - < 5 млн^-1, а канализационная - 100-500 млн^-1.

       Большую проблему создают попадающие в водоемы нитраты и фосфаты, поскольку они при неумелом использовании вызывают заболевание малопроточных водоемов и прудов.

Растворение CO₂ в воде сопровождается химическим взаимодействием с установлением равновесия:

K₁ = 4,5 · 10^-7, K₂ = 5,6 · 10^-11.

     Обычные методы измерения констант диссоциации не позволяют отличить растворенный CO₂ от H₂CO₃ в растворе. Так как равновесие устанавливается быстро, то за контанту равновесия этой реакции K_равн = [H₂CO₃] / [CO₂] ∙ [H₂O] обычно принимают первую константу диссоциации угольной кислоты (K₁ = 4,5 · 10^-7). Вместе с тем найдено, что H₂CO_3/CO₂ = 0,0037; это означает, что только 0,37% растворенного CO₂ находится в виде H₂CO₃. Если бы весь растворенный CO₂ находился в виде H₂CO₃, то K₁ = 1,8 · 10^-4, что позволяет отнести H₂CO₃ к умеренно сильным кислотам. Практически из-за быстрого установления равновесия гидратации CO₂ приходится пользоваться не действительной константой диссоциации K₁ = 1,8 · 10^-4, а кажущейся K₁ = [H⁺] ∙ [H₂CO₃] / CO₂ = 4,5 ∙ 10^-7, относящейся к реакции CO₂ ∙ H₂O = H⁺ + HCO₃^-.