Основные черты развития геосферы и планетарная дифференциация ее ландшафтов

Федеральное агентство по образованию

Томский государственный университет

Геолого-географический факультет

Кафедра географии

реферат по физической географии материков

Основные черты развития геосферы и планетарная дифференциация ее ландшафтов

Томск 2007

Содержание

 

1. Понятие о геосфере

2. Представление о развитии земной поверхности

3. Распределение солнечной энергии и климатические пояса

4. Гидротермические условия и продуктивность биомассы

5. Географические пояса

6. Географические пояса в океане

7. Планетарная модель географической зональности

8. Вертикальная зональность

10. Динамика географической зональности

11. Освоение человеком земной поверхности и изменение природных ландшафтов

12. Антропогенная модификация природных ландшафтов

13. Глобальные проблемы ландшафтной дифференциации

Список использованной литературы

1. Понятие о геосфере

Геосферой называется сфера (полый шар) в составе Земли, приблизительно симметричная относительно ее центра и состоящая преимущественно из вещества, находящегося в одном и том же физическом состоянии (агрегатный состав, плотность, пределы температуры и т.д.) [1]. Геосфера охватывает земную кору, нижнюю атмосферу с озонным слоем, гидросферу и биосферу, проникающие друг в друга и тесно взаимосвязанные обменом вещества и энергии [2].

Через границы в геосферу в определенных количествах поступают вещество и энергия из недр Земли (магма и тепло) и из космоса (солнечная энергия и метеориты). В геосфере лучистая энергия солнца трансформируется в тепловую и взаимодействует с внутренней энергией Земли. Высвобождающееся внутриземное тепло почти полностью расходуется на эндогенные процессы. Солнечная энергия является главным источником жизни и многих других природных процессов на Земле.

Верхняя граница геосферы четко фиксируется тропопаузой (на высоте 9-10 км в приполярных широтах, 12-13 км в умеренных, 16-17 км в тропических). Над тропопаузой распологается озоновый слой стратосферы с максимальной концентрацией озона, который поглощает практически полностью ультрафиолетовые лучи и защищает все живое в биосфере от их губительного воздействия.

Нижнюю границу геосферы С.В. Калесник предложил проводить по глубине современного гипергенеза - от нескольких десятков до 200-300 м, где под влиянием солнечной энергии, воды, воздуха и организмов происходит преобразование первичных минералов, возникших в нижних слоях земной коры, во вторичные, более устойчивые в условиях температуры и давления у земной поверхности.

2. Представление о развитии земной поверхности

Существует несколько гипотез происхождения Земли. По современным представлениям около 5 млрд. лет назад сгущения газово-пылевого облака, попавшего в гравитационное поле Солнца, послужили центрами образования планет "путем вычерпывания роя частиц" [2]. В процессе превращения в планету метеоритного вещества в планету выплавлялась рудная масса, формировались ядро и силикатная кора.

Происхождение материков и океанов объясняется теорией тектоники литосферных плит, механизма конвекционных "течений" подкоркового вещества. Схематически она представляется в следующем виде: вследствие продолжающейся гравитационной дифференциации магмы тяжелые фракции наращивают металлизированное ядро, а наиболее легкие поднимаются к поверхности. Лава легко прорывает тонкий осадочный слой в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов и раздвигает плиты в стороны со скоростью 2-6 см/год. Часть аномально легкой магмы "течет" под океанической литосферой в сторону континентов и тоже содействует дрейфу плит, обновлению океанической коры.

Края океанических плит, наталкиваясь на более "плавучие", но более толстые континентальные плиты, заглубляются под них под углом около 45°. Сжатие сопровождается нередко складкообразованием по кроям континентальных плит. Опускание океанической коры и подстилающей нижней литосферы в менее вязкую астеносферу с ее более высокой температурой и давлением приводит к вулканизму и землетрясениям.

Рифтовая зона Срединно-Атлантического хребта является наиболее активной. Она расширяется примерно на 6 см/год, отодвигая американские плиты на запад, а Евразию на восток. Аравия, Индостан и Австралия "дрейфуют" на северо-восток за счет раздвигания коры в рифтовой зоне Индийского океана, вытянутой с юго-востока на северо-запад, к грабену Красного моря.

3. Распределение солнечной энергии и климатические пояса

Наша планета получает 5628 · 10²¹Дж/год энергии Солнца. Из общей величины солнечной радиации, поступающей на внешнюю поверхность атмосферы, около 22% отражается от слоя облаков и 8% - остальной атмосферой; 13% энергии поглощается озоновым слоем и 7% поглощается остальной атмосферой, которая при этом несколько нагревается. И только половина прямой и рассеянной радиации достигает земной поверхности; 7% от общего поступления солнечной радиации отражается обратно в мировое пространство, а оставшиеся 43% от общей величины поглощаются земной поверхностью, трансформируются в тепло и являются энергетической базой развития ландшафтов в геосфере. Из 43% лучистой энергии Солнца, трансформированной земной поверхностью в тепло, 15% в виде тепловых волн излучаются в тропосферу и прогревают её, в значительной мере определяя температуру воздуха. Остальные 28% составляют тепловой баланс земной поверхности. Это тепло главным образом расходуется на физическое испарение, отчасти на транспирацию и фотосинтез, а также на молекулярно-турбулентный теплообмен между земной поверхностью и атмосферой (5%). Радиационный и тепловой балансы существенно изменяются в зависимости от широты местности. Солнечная радиация над океаном меньше, а радиационный баланс больше, чем над сушей. Это связано с меньшей облачностью над сушей. Для суши характерны более высокие показания альбедо и эффективного излучения. Суша получает солнечного тепла больше, чем океан, и больше его отдаёт в мировое пространство. Радиационный баланс поверхности океана значительно больше, чем над сушей, поскольку океан почти в три раза больше расходует тепла на испарение, нежели суша.

Поясное распределение солнечного тепла на земной поверхности определяет неравномерный нагрев атмосферного воздуха. Тропосфера Земли, содержащая более 4/5 массы атмосферы, в тропиках прогревается от подстилающей поверхности сильно, в приполярных широтах очень слабо. Поэтому над полюсами располагаются холодные области с повышенным давлением, а у экватора - теплое кольцо с пониженным давлением. За исключением приполярных и экваториальных широт, на всём остальном пространстве преобладает западный перенос воздуха. Этому есть две причины:

1. В верхней половине тропосферы градиент давления направлен от тропиков, с одной стороны, к полюсам, а с другой - к экватору. В верхней части тропосферы повсюду, кроме экваториального и субэкваториальных поясов, господствует западный перенос воздуха, который частично увлекает за собой и нижележащие приземные слоя.

2. При своём движении в господствующем западном переносе на вращающейся Земле циклоны отклоняются к высоким широтам, а антициклоны - к низким, создавая динамическую ложбину на севере умеренных широт и усиливая пояс высокого давления под тридцатыми широтами. Вследствие этого у земной поверхности наблюдается чередование атмосферного давления: экваториальный пояс пониженного давления с восточным переносом воздуха; два тропических пояса повышенного давления с нисходящими токами воздуха под тридцатыми широтами и пассатами по приэкваториальной периферии барических гребней; два умеренных пояса пониженного давления с западным переносом воздуха под шестидесятыми градусами; две области повышенного давления над полюсами с преобладанием восточных ветров по их периферии. Этим термобарическим поясам соответствуют воздушные массы - экваториальный, тропический, умеренный и арктический.

В одних и тех же климатических поясах различаются морские и континентальные воздушные массы, что усиливает фронтальную деятельность. При проникновении одними фестонами одной воздушной массы в другую возникают области высокого и низкого давления. Там, где фронты воздушных масс пересекаются с направлением морских течений, образуются довольно устойчивые круглогодичные центры действия атмосфер в которых возникают циклона или антициклоны.

Помимо круглогодичных центров действия атмосферы активно действуют сезонные центры. Они возникают как результат термических контрастов суши и моря.

Стационарные и подвижные барические образования содействуют меридиональному обмену воздушных масс, переносу тепла и влаги из одних широт в другие [2].

 

4. Гидротермические условия и продуктивность биомассы

Продуктивность фитомассы в естественных условиях тесно связана с сочетанием тепла и влаги. Сумма осадков, взятая вне режима тепла, определяет лишь влажность воздуха и сток. Эмпирически замечено, что отношение продуктивного увлажнения (осадки минус поверхностный сток) к радиационному балансу хорошо коррелируют с приростом биомассы.

Доля осадков, выпадающих на суше за счёт внутриконтинентального влагооборота, составляет примерно 25%. Остальные 75% осадков выпадают над сушей за счёт привноса влаги с океана. Примерно половина всех осадков выпадает в экваториальном и субэкваториальном поясах, 1/3 - в умеренных широтах, 1/10 - в субтропических и тропических поясах, 1/20 - в полярных областях.

В целом из выпавших на сушу атмосферных осадков 24% стекает в реки, 64% просачивается в почву, 12% задерживается на поверхности почвы, растений, строений, а затем испаряются. В итоге физическое испарение составляет около 38% от суммы осадков. В течение года наземная растительность транспирирует около 30 тыс. км³ воды. Поверхностный сток в биологических процессах практически не участвует.

Общая биомасса Земли без учёта массы микробов оценивается различными авторами в пределах от 2·10¹² до 2,7·10¹² т сухой массы.

Самая высокая продуктивность фитомассы в естественных фитоценозах приурочена к дельтам субэкваториального пояса - местами до 3 тыс. ц/га сухого вещества в год. Дельты жаркого пояса, расположенные на стыке суши и моря, более всего обеспечены теплом (до 504·10³ Дж/ (см²·год), грунтовым увлажнением и необходимыми питательными элементами в почве. Вегетация продолжается круглый год. Высока продуктивность и на наветренных побережьях жаркого пояса.

В тесной связи с гидротермическими условиями проявляется географическая зональность геохимических процессов в коре выветривания и в распространении основных типов почв. В каждом типе коры выветривания на суше выделяют автоморфные и гидроморфные почвогрунты, отличающиеся по режиму валового увлажнения. Автоморфные ландшафты обычно приурочены к водоразделам, гидроморфные - к увлажнённым понижениям [2].

 

5. Географические пояса

Шарообразность вращающейся планеты вызывает поясное распространение на её поверхности солнечной энергии, что в свою очередь обусловливает формирование основных воздушных масс, общую циркуляцию атмосферы, зональность гидротермического режима, экзогенных и геохимических, в том числе почвенных процессов и зональность в развитии и распределении биогеоценозов. Поскольку для каждого пояса характерны свои направленность и ритмика природных процессов, своя структура ландшафтных зон, эти пояса называются географическими.

Таким образом, широтно-вытянутые географические пояса, выделенные по режиму тепла, основным воздушным массам и общему характеру их циркуляции являются столь важными и наиболее крупными таксономическими единицами природного районирования земной поверхности, как и её подразделение на материки и океаны.

Географические пояса не являются однородными внутри себя по режиму увлажнения и континентальности. Преобладание в одних частях пояса морского, в других - континентального воздуха способствует секторной дифференциации пояса и в пределах суши и в океанической части пояса. Сектора различаются по количественной и сезонной ритмике, по интенсивности биогеохимических процессов, а следовательно и по структуре зональности ландшафтов.

Термические различия между поясами, а также между сушей и океаном приводят к формированию постоянных и сезонных центров действия атмосферы и морских течений. Воздействие океанов на сушу проявляются в секторности географических поясов.

Многие авторы при зонально-типологической характеристике геосферы пользуются обобщённым понятием "зональный тип ландшафта". Под этим названием подразумевают наиболее типичные и распространённые ландшафты конкретного пояса, обусловленные определёнными параметрами тепла и влаги на разных морфоструктурах [2].

 

6. Географические пояса в океане

Положение географических поясов поверхностного слоя в океане определяется:

теплом, испарением, солёностью и плотностью воды, которые являются функцией радиационного баланса;

господствующими ветрами (циклоническими штормами, устойчивым переносом воздуха, штилями) и морскими течениями; поскольку инерция движения воды во много раз больше, чем воздуха, морские течения в соответствии с силой Кориолиса и очертаниями берегов далеко выходят за пределы поясов господствующих ветров и оказывают существенное влияние на другие пояса;

вертикальной циркуляцией воды, содержанием в ней кислорода, планктона и высокоорганизованной фауны. Все эти факторы изменяются с широтой постепенно. Для определения географических поясов в океане важны линии конвергенции (сходимости) основных водных масс, кромки многолетних (летом) и сезонных (зимой) льдов в приполярных областях; широтные оси центров высокого и низкого давлений. По ту и другую стороны от этих осей ветры в господствующем переносе имеют противоположное направление. Однако эти рубежи не всегда совпадают, что даёт основание помимо поясов выделять переходные зоны.

Географические пояса в океане [2]:

Арктический пояс. Включает Арктический бассейн Северного Ледовитого океана. Температура воздуха и поверхностного слоя океана отрицательная. Океан покрыт многолетним льдом. Органическая жизнь сравнительно бедна.

Субарктический пояс. Он включает некоторые районы океанов и открытых морей. Южная граница находится в пределах распространения сезонных льдов и айсбергов. Зимой в субарктическом поясе господствует арктический воздух, летом - умеренный. В летнее время много света и достаточно тепла для обильного развития фито - и зоопланктона (около 200 мг/м³), который привлекает сюда косяки рыб, стаи птиц и даже китов.

Северный умеренный пояс. Господствует умеренный воздух, имеющий западный перенос. Средняя годовая температура умеренной водной массы около 10°. Это пояс активной циклонической деятельности, штормов, густой облачности и осадков. Вода обогащена кислородом и питательными солями. Обилие фитопланктона придаёт воде зеленоватый цвет. Богатые рыбные промыслы в этом поясе дают около половины мирового улова рыбы.

Северный субтропический пояс. Средняя температура воды в южном полушарии 15°, в северном-16°. Зимой господствуют умеренный воздух, западный перенос и циклоническая деятельность; летом - тропический воздух, высокое давление, неустойчивые ветры. Бездождевое тёплое лето обусловливает высокое испарение и повышенную соленость (в среднем 38 ‰). Ослабление вертикального перемешивания океанических вод уменьшает содержание в них кислорода и планктона, в частности зоопланктона, до 50-100 мг/м³, что определяет небольшие рыбные запасы.

Северный тропический пояс. Круглый год господствуют тропический воздух высокое атмосферное давление. В северной части пояса ветры неустойчивые, в южной части по перифериям динамических антициклонов формируется северо-восточный пассат. Для пояса в целом характерны малая облачность и ничтожное количество осадков. Средняя температура воды составляет 20°, что приводит к сильному испарению. В воде очень мало кислорода и планктона. Вода прозрачная, синяя, морские организмы в ней разнообразны, но малочисленны. Содержание зоопланктона 25 мг/м³.

Субэкваториальный пояс. Типична сезонная смена тропического экваториального пояса. Большую часть года господствует устойчивый северо-восточный и восточный пассат, летом - юго-западный муссон. Средняя температура воды 25°. Недостаток кислорода и низкое содержание планктона (зоопланктона 50-70 мг/м³). По направлению к экватору облачность и количество осадков сильно возрастают, а солёность воды уменьшается до 34 ‰.

Экваториальный пояс. Господствует тёплый и влажный экваториальный воздух, густая облачность и фронтальные дожди, слабые ветры и штили. Воздух насыщен влагой, морская вода прогревается до 28°С. Солёность ниже нормали. Фауна исключительно разнообразна и довольно обильна (зоопланктона более 100 мг/м³).

7. Планетарная модель географической зональности

Для того чтобы лучше уяснить проявление географической зональности - расположение поясов, основных секторов и зональных типов ландшафтов на реальных материках, нужно представить себе гипотетически однородный материк, размеры которого в мелком масштабе соответствовали бы ½ площади суши Земли, конфигурация - её расположению по широтам, а поверхность представляет невысокую равнину, омываемую океаном.

Планетарный закон горизонтальной зональности ландшафтов суши проявляется на обширных евроазиатско-африканских равнинах. Поэтому можно показать наиболее полный план горизонтальной географической зональности на схеме гипотетического материка, дополнив его недостающими фрагментами зональности других материков.

Из такой схемы видно, что, во-первых, большее распространение суши в северном полушарии, чем в южном, вызывает сильное растягивание зон в континентальных секторах северных умеренного и субтропического поясов. В южном полушарии эти сектора выклиниваются, но в общем зональность южного полушария сходна с зональностью северного. Во-вторых, большинство географических зон располагаются не широтно.

Экваториальный пояс на суше занят постоянно влажными вечнозелёными лесами (таблица 1). Здесь тепло и влажно. Средние месячные температуры колеблются от 24° до 27°С. Валовое увлажнение (осадки минус поверхностный сток) около 144 мм/год. Сезонная ритмика тепла и влаги не выражена. Биогеохимические и геоморфологические процессы интенсивны в течение года.

В экваториальном поясе материков создаётся огромная масса органического вещества. Годовая продукция фитомассы превышает 40 т/га.

В листопадно-вечнозелёных лесах природные условия почти те же.

Таблица 1 - Географические пояса и зоны [2]

Пояса		Зоны
Полярные		Пустынь Арктотундр
Субполярные		Тундр Лесотундр и предтундровых редколесий
Умеренные	Бореальные подпояса	Приокеанических лугов и редколесий Тайги
	Суббореальные подпояса	Смешанных лесов Широколиственных лесов Лесостепей и прерий Степей Полупустынь Полупустынь и пустынь
Субтропические		Хвойных лесов Вечнозелёных и полувечнозелёных смешанных лесов Полувечнозелёных смешанных лесов Лесов, редколесий и кустарников средиземноморского типа Полупустынь Пустынь Летневлажных редколесий и кустарников Степей Прерий и луговых степей
Тропические		Пустынь Полупустынь Редколесий и кустарников, саванн и высокогорных степей Полувечнозелёных сезонновлажных лесов Вечнозелёных постоянно влажных лесов
Субэкваториальные		Вечнозелёных влажных и умеренно влажных лесов Полувечнозелёных влажных и умеренно влажных лесов Вечнозелёных полусухих лесов и кустарников Листопадных умеренно влажных и сухих лесов Влажных и умеренно влажных саванн и редколесий Сухих и опустыненных саванн, редколесий и кустарников
Экваториальные		Вечнозелёных избыточно влажных и влажных лесов Листопадно-вечнозелёных лесов

В субэкваториальных поясах на суше расположены две зоны: муссонных лесов и саванн. Летом данного полушария здесь господствует экваториальный влажный воздух, зимой - сухой тропический воздух. Различия в сезонной ритмике биогеохимических процессов, связанные с продолжительностью и интенсивностью увлажнения, обусловливают развитие в этих поясах полного ряда латеритных почв. Годовая продукция растительности в муссонных лесах колеблется от 20-35 т/га, в типичных саваннах - 12. Поскольку термические показатели этого пояса самые высокие, природный потенциал земледелия при наличии искусственного орошения является наиболее высоким.

В сухой сезон листопад в муссонных лесах заметно усиливается.

Для тропических географических поясов характерны пустынные и полупустынные ландшафты, которые занимают 24,5% территории суши. Только восточные секторы материков заняты муссонными лесами и редколесьями. Здесь весь год тепло и сухо. Зимой температура не опускается ниже 10°С, летом 30-35°С. Осадки колеблются от 50-200 мм/год, а гидротермический коэффициент не превышает 2. Продукция фитомассы ничтожна (4т/га за год). Растительный покров разрежен и приурочен к местам сравнительно неглубокого залегания грунтовых вод.

К восточной, муссонной периферии материка пустыни через полупустыни, кустарники и редколесья сменяются сезонно влажными лесами, которые по режиму тепла и увлажнения мало отличаются от субэкваториальных муссонных лесов.

Субтропические пояса характеризуются сезонной циркуляцией воздушных масс (континентальных и морских умеренных и тропических) и очень сложной сменой природных зон, связанной с различной степенью увлажнения. Годовой гидротермический коэффициент колеблется от 2 в пустынях до 12 в муссонных лесах.

Вследствие господства летом соответствующего полушария сухого тропического воздуха и зимнего, а не летнего максимума осадков для западного приокеанического и континентального секторов характерны средиземноморские жестколистные леса и кустарники для первого сектора, полупустыни и пустыни, занимающие огромные площади, - для второго. Максимум осадков приходится там на летнее время.

Пустыни и полупустыни сменяются степями и прериями, которые через редколесья переходят в муссонные леса. Происходит смена почв.

В субтропиках южного полушария размеры суши малы. Западный сектор представлен семиаридными жестколистными лесами и кустарниками, центральный - степями, восточный - прериями и смешанными муссонными лесами.

В умеренном поясе северного полушария суша достигает по широте максимальных размеров, а в южном она сильно сужается. Термические условия северного умеренного пояса с широтой варьируют по радиационному балансу от 84·10³ до 210·10³ Дж/ (см² ·год), а по суммам активных температур - от 800 до 4000°. Учитывая эти различия, некоторые географы предлагают разделить умеренный пояс на два: бореальный и суббореальный.

На большей части северного умеренного пояса весь год господствуют западный перенос умеренного воздуха и циклоническая деятельность, обусловливающие много осадков.

В субарктическом переходном поясе сказывается недостаток тепла. Растительность угнетена. Осадки избыточные, преобладают тундровые глеевые почвы. Растения имеют стелющиеся формы, которые способствуют сохранению тепла в деятельном слое почвы. У них мелкие и жёсткие листья.

Из-за недостатка тепла биохимические процессы протекают медленно и ограниченны коротким летним сезоном. Вечная мерзлота препятствует просачиванию почвенной влаги, ограничивает миграцию элементов, способствует заболачиванию.

Арктический пояс характеризуется очень низкими значениями радиационного баланса. Недостаток тепла сильно замедляет биогеохимические процессы и исключает развитие высших растений. Доминируют мхи и лишайники.

Природные условия антарктического пояса ещё более суровы. Почти вся Антарктида покрыта мощным покровным ледником. Менее 1% площади материка свободно ото льда и покрыто мхами, лишайниками и цветковыми растениями.

Аналогичные зоны и подзоны на материках проявляются с неодинаковой полнотой и дифференцируются по-разному. Каждому материку свойствен свой план географической зональности. Он зависит от площади материка, его конфигурации, распределения суши по географическим поясам, геологического фундамента и орографии, направления господствующих ветров и от удалённости материков друг от друга [2].

 

8. Вертикальная зональность

Проявление вертикальной зональности в горах и её сходство с зональными типами ландшафтов на равнинах земного шара позволяют говорить о трёхмерности географических зон (четвёртое измерение - продолжительность развития зон и изменения их ландшафтов человеком). Вертикальная зональность может проявляться при подъёме суши к хионосфере. Таким образом, в основе географической зональности на шарообразной поверхности вращающейся Земли лежит уменьшение солнечного тепла от жаркого пояса к полюсам и от уровня океана в тропиках к хионосфере.

С подъёмом в горы уменьшаются плотность воздуха, содержание в нём пыли, диоксида углерода и даже водяных паров, а интенсивность солнечной радиации возрастает примерно на 10% на 1 км высоты. Ещё больше усиливается эффективное излучение, особенно длинноволновое (тепловое). Это вызывает падение температуры воздуха с высотой и резкие её амплитуды при переходе из света в тень и ото дня к ночи. Количество ультрафиолетовых лучей возрастает, поэтому активизируется фотосинтез, в воздухе уменьшается количество бактерий.

Важный факт: граница лесов - полярная на равнинах и верхняя в горах - проходит примерно там, где сумма активных температур за период вегетации составляет 600-900⁰. Различное её положение в этих пределах связано с местными причинами - влажностью воздуха, продолжительностью светового дня и составом лесообразующих пород.

Количество атмосферных осадков возрастает в горах до определённой высоты: в умеренных широтах и во влажных тропиках до 2000-3000 м, в сухих тропиках до 4000 м, в приполярных широтах до 1000 м. С высотой в 3-4 раза увеличивается поверхностный сток, улучшается дренаж. Болота в верхних частях практически отсутствуют, тундры сменяются криволесьем и лугами. С высотой в горах усиливается эрозия и в 5-10 раз возрастает твёрдый сток.

В горах флора и фауна в 2-5 раз богаче видами, чем на равнинах.

Структура вертикальной зональности в горах зависит в первую очередь от положения гор в том или ином географическом поясе и секторе, и, конечно, от их высоты и древности флоры [2].

9. Полярная асимметрия и ритмика в развитии геосферы

В зональности северного и южного полушарий не наблюдается строгой симметрии. Об этом свидетельствуют следующие факты.

1. Самые высокие показатели поглощаемой земной поверхностью солнечной радиации приурочены к десятым северным широтам. На соответствующих южных широтах они на 336·10² - 420·10² Дж/ (см² · год) ниже.