Структурная самоорганизация Вселенной

Предполагается, что в расширяющейся Вселенной под влиянием гравитации возникают и развиваются случайные уплотнения вещества. Силы тяготения внутри уплотнения проявляют себя заметнее, чем вне их. Поэтому, несмотря на общее расширение Вселенной, вещество в уплотнениях притормаживается, и его плотность постепенно нарастает. Появление таких уплотнений и стало началом рождения крупномасштабных структур во Вселенной. Согласно расчётам, из этих сгущений должны были возникать плоские образования, напоминающие блины.

Сжатие водородно-гелиевой плазмы в “блины” неизбежно приводило к значительному повышению их температуры. В конечном счёте, сжатие “блина” порождало его неустойчивость и он распадался на более мелкие подсистемы, которые, возможно, стали зародышами галактик. Подсистемы, в свою очередь, достигали состояния неустойчивости и распадались на более мелкие уплотнения, ставшие зародышами звёзд первого поколения. Этот процесс образования звезд первого поколения растянулся на несколько миллиардов лет. Для примера, такими галактиками являются Магеллановы острова.

Образование разномасштабных структур во Вселенной открыло воз-можности для новых усложнений вещества. Важнейшим узловым моментом стало образование всей совокупности элементов таблицы Менделеева. Они появились в звёздах в ходе процессов звёздного нуклеосинтеза. Что же представляют собой звезды?

Думаю, что нам интересно в первую очередь Солнце. Оно представляет собой само­светящийся газовый шар с радиусом, примерно в 100 раз превышающим радиус Земли, и его масса, составляющая 2·10²⁷ т, почти в 330 000 раз больше массы нашей планеты. Энергия Солнца обусловлена ядерными реакциями, происходящими в его внутренних обла­стях; превращения вещества в ходе этих реакций приводят к высвобождению энергии - согласно закону, установленному в частной теории относитель-ности Эйнштейна. Светимость Солнца составляет 4·10²⁸ Дж/c. По химиче-скому составу Солнце – водородно-гелиевая плазма. Среднее расстояние от Земли до Солнца составляет примерно 150 млн. км, эта цифра определяет единицу измерения космических расстояний, называемую астрономической единицей (а. е.).

Само Солнце, девять известных планет с их спутниками, различные малые тела (кометы, астероиды и т. д.) и некото­рое количество газа и пыли - все, что движется вокруг Солнца под его гравитационным воздействием, -составляют Солнечную систему, размер которой составляет примерно 10 млрд. км или 50-100 а. е.

Солнце входит в обширную звездную систему, состоящую из более чем 100 млрд. звезд, которая называется Галакти­кой. Диаметр Галактики оцени-вается в настоящее время примерно в 100 000 св. лет (световой год—это расстояние, которое луч света преодолевает за один год; оно равно 9,46 млн. млн. км (удобнее записать 9,46 • 10¹² км), или почти 63 240 а.е.

Галактика состоит из центральной части—ядра, где плот­ность распределения звезд сравнительно велика, и окружа­ющего ядро сплюснутого диска, в котором звезды располага­ются более разреженно. Солнце находится в галактическом диске на расстоянии около 30 000 св. лет от центра Галактики. В галактическом диске содержатся также облака пыли и газа, в которых продолжается образование новых звезд. Помимо звезд нашей звездной системы мы можем видеть на небе миллиарды других галактик -спиральных, эллиптиче­ских и имеющих неправильную форму. Наша Галактика принадлежит к небольшому скоплению галактик, называемому Местной группой галактик; самой интересной среди них является туманность Андромеды - галактика, удаленная от нас почти на 2200000 св. лет, самый далекий объект, видимый (при идеальных атмосферных условиях) с Земли невооружен­ным глазом. С помощью телескопов мы можем наблюдать средние по величине галактики, расположенные на расстояниях более 5 млрд. св. лет; однако некоторые объекты, такие, как радиогалактики (излучающие невероятно большую энер­гию в диапазоне радиоволн) и квазары, могут быть обнаружены даже на расстояниях до 15 млрд. св. лет. Таковы масштабы Вселенной, наблюдаемой человеком сегодня.

 

З в езды и их жизненный цикл. Звезды характеризуются массой, которую выражают через массу Солнца (М_о), значения масс большинства звезд лежат в интервале 0,1-10 масс Солнца, хотя существуют и гораздо более массивные звезды—в 50 и даже 100 солнечных масс. По цвету звезды можно судить о ее температуре: красные звезды - относительно холодные, температура их поверхности равна примерно 3000 К, желтые звезды, такие, как Солнце, -олее горячие (около 6000 К), самые горячие - голубые звезды с температурой поверхности 20 000—30 000 К.

Звезды, подобные Солнцу, живут миллиарды лет, и совершенно очевидно, что астрономы не имеют возможности проследить полный жизненный цикл отдельной звезды - от ее рождения до смерти. По химическому составу звезды, как и Солнце, представляют водородные и гелиевые плазмы. В наружном слое на 10000 атомов водорода приходится 1000 атомов гелия, 5 атомов кислорода, 2 атома азота, 1 атом углерода, 0,3 атома железа. Предполагается, что когда запасы водорода в центральной области звезды израсходуются, она сжимается под действием собственной тяжести. Но при сжатии температура и давление в оболочке, окружающей выгоревшее ядро, возрастают настолько, что вновь начинаются реакции синтеза гелия из водорода, и этот процесс постепенно распространяется все дальше к перифе­рии звезды.

В результате светимость звезды повышается, а сама она «раздувается», увеличиваясь в размерах до тех пор, пока давление горячего газа снова не уравновешивается силой гравитационного притяжения. К этому моменту в ядре начи­нается другая реакция синтеза: гелий превращается в угле­род;

 

3Не⁴ ® С¹² и дальше

С¹² + Не⁴ ® О¹⁶

 

звезда оказывается на новой стадии вполне стабильного состояния - она становится красным гигантом.

Однако красный гигант существует весьма недолго, так как слишком быстро расходует свои энергетические ресурсы. Красные гиганты обладают массой, в несколько раз превышающей солнечную, водород в них выгорает очень быстро. В центре, где сосредоточен гелий, их температура достигает нескольких сотен миллионов градусов, что оказывается достаточным для протекания реакций углеродного цикла - слияния ядер гелия в углерод. Ядро углерода, в свою очередь, может присоединить ещё одно ядро гелия и образовать ядро кислорода, неона и так далее вплоть до кремния. Выгорающее ядро звезды сжимается и температура в нём поднимается до 3-10 миллиардов градусов. В таких условиях реакции объединения продолжаются вплоть до образования ядер железа.

Ядро железа - самое устойчивое во всей последовательности химических элементов. Здесь проходит граница, выше которой нуклеосинтез перестаёт быть источником выделяющейся энергии (как это было в предыдущих реакциях) и протекание реакций с образованием ещё более тяжёлых ядер требует энергетических затрат.

. Образование же наиболее тяжёлых ядер, замыкающих таблицу Менделеева, предположительно происходило в оболочках взрывающихся звёзд или при прохождении сильной ударной волны, созданной взрывом сверхновой звезды, через гелиевую оболочку этой звезды с массой около 25 солнечных масс.

Самый интересный вопрос, что происходит с красным гигантом. Здесь все будет определяться массой звезды.

Звезды, конечная масса которых составляет меньше, чем 1,25 М_о, в том числе, и Солнце, сжимаются под действием сил тяготения до тех пор, пока их плотность не достигает величины 10⁸ -10 кг/м³. Эти звезды становятся белыми карликами и потом невообразимо долго остывают, превращаясь в невидимые черные карлики. Плотность вещества белого карлика столь велика, что наполненный этим веществом наперсток весилбы на Земле несколько тонн. Такова судьба нашего Солнца. Сколько же времени пройдет, пока Солнце станет красным гигантом? Расчеты показывают, что это произойдет через 8 млрд лет. При этом его светимость увеличится в сотни раз, а радиус – в десятки. Эта стадия превращения Солнца составит несколько сот миллионов лет.

Но если масса звезды к концу ее жизни превышает указанный предел в 1,25 М₀, то звезду ждет иная судьба. Она может превратиться в нейтронную звезду, вещество которой сдавле­но с такой силой, что протоны и электроны сливаются, образуя электрически нейтральные нейтроны. В среднем нейтронная звезда имеет радиус около 10 км и плотность порядка 10¹⁸ кг/м³; наперсток, наполненный веществом ней­тронной звезды, весил бы на Земле несколько миллиардов тонн!

Когда ядра звезд с массой, во много раз превышающей массу Солнца, уже не могут противостоять действию сил тяготения, звезда коллапсирует: внешние слои ее с огромной скоростью падают на ядро. Происходит взрыв сверхновой, в котором высвобождается огромное количество энергии и большая часть перифе­рийного вещества звезды уносится в пространство. Наиболее известный пример такого события - взрыв сверхновой в 1054 г., о которой сообщают древнекитайские летописи; «звезда-гостья» вспыхнула на небе так ярко, что была видна даже днем, и погасла только через несколько месяцев. Под воздействием этой волны и образуются элементы тяжелее железа.

Появление во Вселенной всей гаммы химических элементов открыло новый этап в развитии вещества и в формировании его структур. Так, в местах нахождения разнообразных химических элементов протекают процессы их объединения в молекулы, сложность которых может нарастать до очень высоких уровней. Причину, заставляющую атомы объединяться в молекулы, наука знает достаточно хорошо. В основе этих процессов - химические силы, за которыми скрывается одна из фундаментальных сил природы - электромагнитное взаимодействие.

Но самое интересное, с чем столкнулись наблюдатели, - это неожиданно большое присутствие в космосе разнообразных органических молекул, вплоть до таких сложных, как молекулы некоторых аминокислот. В межзвездных облаках насчитали более 50 видов органических молекул. Ещё удивительнее, что органические молекулы находят и во внешних оболочках некоторых не очень горячих звёзд, и в образованиях, температура которых незначительно отличается от абсолютного нуля. Так что синтез молекул, в том числе и органических, - распространённое и вполне обыденное явление в космосе. Правда, наука пока не может с уверенностью назвать конкретные пути протекания такого синтеза.

Наличие тяжёлых химических элементов, а также молекул и их сое-динений обеспечивает также возможность образования около некоторых звёзд второго поколения планетных систем типа Солнечной. В таких системах становится возможным протекание геологической и химической эволюции.

Образование Земли. Происхождение Земли и других планет солнечной системы широко описано, однако вопрос о происхождении и эволюции планетной системы далеко не так ясен, как об эволюции звезд, поскольку нашу планетную систему не с чем сравнивать. Первой гипотезой образования планет Солнца, выдержавшей испытание временем, является гипотеза Канта-Лапласа, суть которой в том, что солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. Однако Кант считал, что развивалась холодная пылевая туманность с образованием центрального массивного тела – Солнца, а затем планет, а Лаплас первоначальной считал газовую и очень горячую туманность, в результате быстрого вращения которой возникали слои – кольца, из которых при конденсации возникали планеты. То есть, по Лапласу Солнце образовалось позже планет.

Согласно современным космогоническим представлениям при активном участии магнитных силовых полей от протосолнца отделились поверхностные слои (допланетное облако) с концентрацией атомов 10¹⁴/см³. При такой высокой концентрации и не очень высокой температуре (3500 К) атомы соединяются в молекулы, возникают сложные молекулярные комплексы и далее образуются твердые пылинки. Там, где температура упала до 1500 К, начинают образовываться частички железа и некоторых тугоплавких оксидов металлов (MgO, CaO), а также SiO₂. Происходило это на расстоянии современной Земли от Солнца. Сталкиваясь между собой, частицы слипались в агрегаты размером в несколько метров – это явление слипания и роста называется аккрецией. В результате аккреции образовались Земля, Марс, Венера и Меркурий. Иная картина была на периферии протопланетного облака. На расстоянии 30 а.с. температура облака составляла 350 К, при которой происходит конденсация водяных паров, что объясняет водяную природу Урана и Плутона, которые образовались при слипании частиц воды и льда. Юпитер же и Сатурн образовались при конденсации основной части протопланетного облака: легких газов - водорода и гелия, стремительно покидавших протопланетное облако и уходивших в межгалактическое пространство.

Полное время формирования Земли до уровня 99% ее современной массы составило ~100 млн лет. По мнению геофизиков, Земля имела однородный состав, ядро отсутствовало, температура в недрах была невысокой. Выделение земного ядра происходило постепенно и растянулось на 4 млрд лет, причем этот процесс продолжается и сейчас. Холодной Земля оставалась ~ 600 млн лет. Разогрев ее шел за счет энергии распада радиоактивных элементов, приливного взаимодействия с Луной и, главное, дифференциации земного вещества на плотное окисно-железное ядро и силикатную мантию. По гипотезе же Хойла, крупного английского астронома, вблизи Солнца в остывающем газе образуются химически чистые твердые частицы, причем тугоплавкие образуются раньше, вначале образуются частицы чистого железа, затем MgO и SiO₂. При слиянии этих частиц и образовалось ядро Земли. То, из чего образовались мантия и кора нашей планеты, налипло позже.

Парадоксален и взгляд Хойла на образование атмосферы и океана Земли. Согласно общепринятой в настоящее время точке зрения, океан и атмосфера Земли образовались путем «выпаривания» воды и других газов из твердого, горячего вещества первобытной Земли. По Хойлу, сформировавшаяся без испаряющихся веществ Земля благодаря своей массе притягивала выталкиваемые Ураном и Нептуном глыбы льда, что, в конце концов, привело к образованию Мирового океана, масса которого в 100000 раз меньше массы Урана и Нептуна.

Все это происходило в катархее – периоде времени 4,6-4,0 млрд лет до архея (4 млрд лет). Начиная с 4,0 млрд лет, на Земле появляются вода и другие элементоорганические соединения, которые, контактируя с железом и тяжелыми металлами, превращались в органические и биоорганические соединения, дав начало зарождению жизни.

Этот период эволюции Земли подразделяется геологами на три этапа. Первый – этап формирования планеты (3,9-4,5 млрд. лет). Именно в этот период возникли геосферы Земли: атмосфера, гидросфера и литосфера.

Второй этап, длившийся от 3,9 до 2,0 млрд. лет – возникновение первых живых организмов. Этот этап закончился с возникновением фотосинтезирующих организмов. На этом этапе появилась кислородная атмосфера. В этот период формируются континенты на поверхности Земли – Моногея (2,4 млрд. лет) - с континентами вокруг Северного полюса и Мегагея (1,8 млрд. лет), на которой континенты переместились к экватору (Рис1, А,В).

Третий этап – распространение жизни на Земле. Он закончился 570 млн лет назад, с наступлением геологического периода, названного кембрием.

В эпоху кембрия накапливались запасы углей, образовалась нефть. В этот период продолжалось формирование поверхности Земли с образованием Пангеи (200 млн. лет) с расхождением континентов (Рис.1С).

Земной шар и геосферы

 

О шаровидности Земли первыми сделали вывод пифагорейцы - спод-вижники и последователи великого Пифагора (V век до н. э.), а доказатель-ство этому первым нашёл Аристотель (IV век до н. э.), обратив внимание на то, что тень от Земли, падающая на полную Луну, имеет круглую форму, хотя во время затмений Земля бывает повёрнута к Луне разными сторонами.

Размеры земного шара довольно точно первым установил древнегре-ческий математик, астроном и географ Эратосфен Киренский (III век до н. э). Он жил в Египте, в Александрии.

Средний радиус земного шара равен примерно 6278 км (по современным измерениям - 6371 км).

Для решения геодезических и картографических задач в нашей стране и ряде других стран с 1946 года за математическую модель Земли принят так называемый эллипсоид относимости, или эллипсоид Красовского (по фамилии российского учёного, руководившего соответствующими изме-рительными работами). Эллипсоид как геометрическое тело представляет собой шар, сплюснутый (сжатый) у полюсов.

Экваториальный радиус Земли равен 6375,75 км, северный полярный ра-диус - 6355,39 км, южный полярный радиус - 6355,36 км.

Шарообразность Земли, расположение на ней основных масс твёрдого, жидкого и газообразного веществ, а также многие её физико-химические свойства позволили для удобства исследования выделить внутри Земли и вокруг неё ряд концентрических оболочек различной плотности и химического состава.

В настоящее время в направлении от периферии к центру Земли раз-личают магнитосферу, атмосферу, гидросферу, земную кору, мантию Зе-мли и её ядро. Нижнюю часть атмосферы (тропосферу) и верхнюю часть земной коры, населённые организмами, объединяют под названием би-осферы.

Земная кора, гидросфера, атмосфера, магнитосфера, а также биосфера описаны подробно. Что касается мантии и ядра, то они исследованы в настоящее время, по понятным причинам, недостаточно.

Атмосфера Земли. Атмосфера Земли представляет собой газовое образо-вание, которое окутывает нашу планету сплошной оболочкой. Верхняя граница атмосферы лежит на высоте более 2000 км. Граница эта выражена нечётко, так как с высотой газы разрежаются и переходят в мировое пространство постепенно.

Атмосфера сохраняет тепло солнечных лучей, защищает животный и растительный мир от вредного воздействия ультрафиолетовых солнечных и космических лучей. Космические частицы при прохождении через атмосферу рассеиваются, и лишь их ничтожная часть достигает поверхности Земли. Без атмосферы солнечные лучи раскаляли бы освещённую сторону Земли, на неосвещённой был бы ледяной холод, а наша планета была бы такой же безжизненной, как Луна.

Атмосфера Земли образована смесью газов, влаги и частиц пыли. Сухой воздух вблизи поверхности Земли содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа. На долю всех остальных газов вместе взятых приходится всего лишь 0,01%. К этим газам относятся водород, гелий, криптон, ксенон, радон, закиси азота, йод, водяной пар, озон, метан и другие.

Влага попадает в атмосферу вследствие испарений с поверхности Земли. Около 90% её сосредоточено в нижнем пятикилометровом слое.

Хотя атмосфера простирается вверх на многие сотни километров, ос-новная масса воздуха сосредоточена в довольно тонком слое. Половина массы атмосферы находится между уровнем моря и высотой 5-6 км Иначе говоря, плотность воздуха с высотой быстро уменьшается: на уровне моря она составляет 1,033 кг/куб.м, на высоте 12 км - 0,319 кг/куб.м, на высоте 40 км - всего 0,004 кг/куб.м.

Вследствие притяжения Земли частицы атмосферы оказывают на всё, что находится на поверхности Земли, соответствующее давление. В частности, тело взрослого человека испытывает давление в 12-15 тыс кг. Однако этого давления человек не ощущает: внешнее давление атмосферы уравно-вешивается внутренним давлением воздуха в теле человека. Жизнь на Земле приспособлена именно к этому давлению. Но при подъёме на большие высоты самочувствие человека ухудшается как из-за недостатка кислорода, так и из-за пониженного атмосферного давления.

В атмосфере выделяют несколько сфер с различными физическими свой-ствами. К числу этих сфер относятся: тропосфера, стратофера, мезосфера, термосфера (или ионосфера), экзосфера.

Тропосфера простирается от поверхности Земли до высоты 8-12 км в умеренных и высоких широтах и до 16-17 км- в тропической и экватори-альной зонах.

В тропосфере находится почти весь водяной пар. Поэтому только в тропосфере возникают облака и выпадают дожди, снег, крупа и град, наблюдаются грозы, ливни, метели, гололёд и т. д.

Характерная особенность тропосферы - понижение температуры в среднем на 6 ⁰С по Цельсию на каждый километр высоты.

Над тропосферой находится стратосфера. Её нижняя граница распо-ложена на высотах 8-17 км, а верхняя - 50-55 км. Выше стратосферы до высот порядка 80 км находится мезосфера. В ней температура с высотой падает и у верхней границы достигает -80 ⁰С. Здесь иногда (чаще летом) возникают тонкие облака. Так как при освещении Солнцем из-за горизонта эти облака блестят, их называют серебристыми.

Между высотами 80 км и 800 км располагается термосфера. На высоте около 100 км температура переходит через 0 ⁰С, в слое 150-200 км она доходит до 500 ⁰С, а на высотах 500-600 км превышает 1500 ⁰С. По данным, полученным с космических летальных аппаратов, в верхней термосфере температура достигает почти 2000⁰С и в течение суток значительно колеблется. Эти колебания достигают +100 ⁰С. В термосфере на температуру существенное влияние оказывает радиация Солнца.

В термосфере газы находятся большей частью в атомарном состоянии. Учитывая способность газов термосферы ионизироваться, её называют также ионосферой.

При большой концентрации ионов газы становятся электропроводными. Заряженные частицы солнечного излучения - корпускулы - под влиянием магнитного поля Земли отклоняются в сторону высоких широт. Войдя в атмосферу, корпускулы усиливают ионизацию газов настолько, что начинается свечение газов. Так возникают полярные сияния - красивые многокрасочные полосы, дуги, занавеси, загорающиеся в ночном небе, преимущественно в высоких широтах Земли.

Экзосфера - самая верхняя, сильно разреженная часть атмосферы. Предположительно температура газов в ней достигает 2000 ⁰С.

В конце 1950 годов внимание учёных привлёк к себе слой атмосферы, содержащий одну из модификаций кислорода – озон О₃. Этот газ имеет синий цвет и резкий запах. Он образуется из обычного кислорода при электрических разрядах (например, во время грозы) или под действием ультрафиолетового излучения (например, в стратосфере под действием ультрафиолетового излучения Солнца).

УФ излучение Солнца по-разному влияет на живые организмы. В диапазоне длин волн от 0,4 до 0,32 мкм его негативное влияние на живые организмы незначительно. УФ излучение с длиной волны в диапазоне 0,32-0,28 мкм вызывает загар и оказывает тонизирующее действие на организм человека при малых дозах облучения; ожоги и разрушение нуклеиновых кислот – при больших дозах. УФ излучение < 0,28 мкм обладает сильным бактерицидным воздействием и может привести к злокачественным новообразованиям на участках кожи человека, заболеваниям глаз и ослаблению иммунной системы. Такое УФ излучение нарушает фотосинтез растений, поражает планктон, губительно влияет на животных.

Разрушение молекул кислорода О₂ фотонами УФ излучения сопровож-дается образованием атомарного кислорода О, который, взаимодействуя с О₂, образует О₃:

О₂ → 2 О^•

О₂ + О^• →О₃

Одновременно с образованием озона идёт его непрерывное разрушение как под действием фотонов УФ и видимого излучения Солнца, так и по реакции

О₃ + О^• → 2О₂

 

Б о льшая часть озона, находящегося в атмосфере, расположена на высотах от 10 км до 50 км с максимумом концентрации на высотах 20-25 км.

Наиболее устойчив озоновый слой в зоне тропиков, где Солнце обеспечивает постоянное и интенсивное УФ излучение, а наименее устойчив - у полюсов.

Молекулы О₃ интенсивно поглощают УФ излучение Солнца в диапазоне длин волн около 0,25 мкм, слабо при 0,4 мкм и вновь интенсивно при 0,6 мкм. Поэтому озоновый слой можно рассматривать как защитный экран для живых организмов на Земле от потоков УФ излучения Солнца. Наибольший защит-ный эффект достигается в диапазоне длин волн менее 0,32 мкм.

Таким образом, озоносфера практически полностью принимает на себя, то есть поглощает, опасное для всего живого жёсткое ультрафиолетовое излучение Солнца. Благодаря этому слою оно не доходит до поверхности Земли, и поэтому на нашей планете вот уже сотни миллионов лет существуют условия, благоприятные для развития жизни.

Было установлено, что местами озоновый слой уменьшается и его толщина приближается к предельной величине, при которой защитные функции озоносферы могут перестать выполняться. В научный обиход были введены такие термины, как озоновые “дыры” и мини-”дыры”.

Например, озоновая “дыра”, сравнимая по своим размерам с территорией США, возникла над Антарктидой в 1980-х годах.

Имеются две гипотезы истощения озонового слоя Земли. Первая связывает убыль озона в атмосфере с естественными процессами, вторая - с антропогенным воздействием на земную атмосферу.

Гипотеза естественного разрушения озона основывается на том, что динамические процессы, существующие в атмосфере, вызывают перера-спределение озона: восходящие потоки воздуха вытесняют озон из нижних слоёв вверх, а затем горизонтальными меридиональными движениями он распространяется по всей атмосфере. При этом над районами с интеенсивными восходящими движениями общее содержание озона заметно падает.

Гипотеза антропогенного разрушения озонового слоя базируется на химическом воздействии на него.

В 1971 году профессор Г. Джонстон (США) прогнозировал существенное поступление оксидов азота в озоновый слой от двигателей сверхзвуковых самолётов. При значительном числе полётов (около 500 полётов в сутки) выбросы оксидов азота NO и NO₂ из двигателей самолётов могли бы ускорить разрушение озона и существенно снизить его концентрацию. Исследования показали, что воздействие выбросов высотной авиации, даже при 500 полетах в сутки в течение 4-6 часов, на озоновый слой будут незначительными, а уменьшение содержания озона составит лишь доли процента.

Однако ещё до завершения исследовательской программы, в 1974 году, химики М. Молина и Ф. Роуленд (США) указали на иной путь разрушительного воздействия на озоновый слой – поступление в него газов – фреонов, содержащих галогены (хлор, фтор, бром и йод). Производство и использование этих газов в период с 1956 по 1975 год резко возросло (фреона-11 – в 5 раз, фреона-12 – в 20 раз) и, соответственно, увеличился их выброс в атмосферу.

В тропосфере фреоны, переходящие из жидкого состояния в газообразное при комнатной температуре, практически инертны. Однако, попадая в озоновый слой, они разлагаются под действием фотонов УФ излучения Солнца с длиной волны менее 0,25 мкм.. При разложении фреонов (фреон-11 – CFCl₃, фреон-12 – CF₂Cl₂) и других газов, например, четырёххлористого углерода – CCl₄, выделяются радикалы Cl• и СlO•, которые разрушают озоновый слой. Реакции разрушения озона в этом случае имеют вид:

О₃ + Cl• = ClО,

О + ClО = Cl• + О₂.

Эти реакции реализуются не только в озоновом слое, но и в тропосфере. Они носят цепной характер, приводя к разрушению 10 молекул озона одной молекулой NО_x и к разрушению 100000 молекул озона при воздействии хлора или его соединений.

Источниками поступления фреонов в атмосферу являются технологии, основанные на их применении (обезжиривание, получение пористых сред и т. п.); свалки холодильников, кондиционеров, автомобилей; применение баллончиков для распыления различных веществ.

Значительные массы озоноразрушающих веществ в озоновый слой поступают с выхлопными газами ракет, работающих на твёрдом топливе. Так при работе I ступени ракетной системы корабля «Шаттл» в атмосферу выбрасывается около 187 тонн соединений хлора и около 7 тонн соединений азота, что может привести к разрушению 10 миллионов тонн озона (0,3% от общего запаса озона в атмосфере).

 

Защита озонового слоя. В 1978 году США и Скандинавские страны под давлением общественности запретили использование фреонов в аэрозольных баллонах.

Весной 1985 года была принята Венская конвенция об охране озонового слоя, а в 1987 г. Монреальский Протокол к Конвенции, в которых провозгла-шалась общая цель: сохранение озонового слоя и консультации по пред-отвращению действий, наносящих ему ущерб. Страны, подписавшие Протокол, обязались в 2000 году полностью прекратить производство фреонов. Лондонский Протокол ввёл также ограничения на производство и использование таких газов, как метилхлороформ CH₃CCl₃ и CCl₄.

В России продолжают выпускать фреоны 111, 112 и 113 на 7 предприя-тиях, в том числе в Кирово-Чепецке, на Пермском и Алтайском комбинатах. В США выпуск таких фреонов прекращён.

 

Современное состояние озонового слоя. В настоящее время ограничения Монреальского и Лондонского Протоколов вступили в полную силу, воздействие фреонов на озоновый слой должно было резко уменьшиться, однако общая оценка техногенного влияния на озоновый слой показывает, что в ближайшие годы будет продолжаться его непрерывное истощение:

 

Год 1973 2000 2050

Потери концентрации озона в атмосфере, % 0,5-1 3-4 10

 

Новая теория образования «озоновых дыр». Фреоновая гипотеза разрушения озонового слоя в настоящее время является доминирующей. Однако с ней согласны далеко не все учёные. Так, в МГУ создана новая теорию естественного происхождения «озоновых дыр» Суть теории состоит в следующем: в ядре Земли растворено огромное количество водорода, который непрерывно поступает в атмосферу. Взаимодействуя с озоном, водород разрушает его и образует зоны пониженного содержания озона, вплоть до «озоновых дыр» По мнению авторов теории, на состояние озонового слоя оказывают влияние также метан и соединения азота, прорывающиеся, как и водород, из недр Земли через рифтовые разломы. Особенно активны рифты Южного полушария, мощные выбросы глубинных газов характерны и для других рифтовых систем (Исландия, Восточная Африка, Красное море и другие регионы). В России наиболее опасный регион – Прикаспийский. Если эта теория верна, то выходит, что техногенные фреоны малоопасны для озонового слоя, а затраты на перевооружение производства, создание новой техники и заменителей фреонов – бессмысленны. Разрабатывать программы борьбы с естественными выбросами газов абсурдно. В этом случае нужно совершенствовать мониторинг атмосферы и принимать адекватные защитные меры.

 

Гидросфера Земли. Гидросфера - водная оболочка Земли, - в отличие от литосферы и атмосферы, покрывает земной шар лишь на 70% его поверхности. К гидросфере относятся Мировой океан воды и суши: реки, озёра, подземные воды, горные и покровные ледники. Все они связаны между собой в планетарном процессе круговорота воды, газов и минеральных солей.

Самое большое скопление воды на поверхности Земли - это Мировой океан. Возраст Мирового океана – приблизительно 80 млн лет.

По сравнению с площадью материков площадь Мирового океана огромна. Один только Тихий океан больше площади всей суши. В Северном полушарии Земли водой занято около 60% его поверхности, в Южном - 80%. Площадь окраинных и средиземных морей составляет около 10% пплощади всего Мирового океана. Общий объём воды в океанских бассейнах – 1370 миллионов куб. км.

В Мировом океане зародилась жизнь. В частности, растительность, возникающая в нём, обогатила атмосферу кислородом и сделала её пригодной для жизни животных. Деятельность растительных организмов, произрастающих в океане и разлагающих воду на водород и кислород, и поныне остаётся главным источником свободного кислорода для атмосферы.

Морские животные и растения обладают удивительной способностью: они накапливают в своих организмах взятые из воды медь, цинк, ванадий, железо и другие элементы. Это приводит к тому, что их концентрация в тканях организмов в сотни и тысячи раз выше, чем в морской воде. Некоторые соли и многие рассеянные и редкие химические элементы при отмирании организмов выпадают из круговорота, опускаются на дно и образуют там мощные слои донных осадков. При этом они частично переходят в состав минеральных соединений. Таким образом, донные осадки представляют собой в основном илы, образованные известковыми и кремнистыми остатками организмов - их скелетами и раковинами. В океанах сосредоточено около 5^. 10¹⁶ т минеральных веществ. Если извлечь все эти соли и равномерно распределить их на континентах, то толщина такого слоя составит более 150-200 м. В 1 км³ морской воды содержится 28^. 10⁶ т поваренной соли, более миллиона тонн магния, 300 т брома, 79 т меди, 11 т урана, 30 кг золота, 300 кг серебра и т.д.

Мировой океан является также и аккумулятором тепла. Около 95% его вод имеют среднюю температуру 3,8 градуса по Цельсию. Эта тем-пература в современных климатических условиях остаётся практически неизменной.

В целом гидросфера Земли представляет собой уникальное образова-ние. Ничего подобного пока что не обнаружено ни на какой другой планете. Именно благодаря гидросфере на Земле присутствует живое существо, и вполне возможно, что именно наличие гидросферы является основной причиной его возникновения.

 

Строение Земли.