Автобиография Земли. 4,6 миллиарда лет захватывающей истории нашей планеты

Все оболочки Земли находятся в естественном взаимодействии и зависят друг от друга. Между ними осуществляется перенос массы и энергии. В области контакта, где геосферы соприкасаются и перекрываются, интенсивность динамических процессов возрастает. Примером материала, находящегося на пересечении геосфер, служит почва. Растение (биосфера) растет в почве, образовавшейся из горных пород (литосфера), которые подвергались выветриванию и эрозии, переносились с гор водными потоками (гидросфера) и отлагались по краям поймы; солнце (атмосфера) и дожди (гидросфера) питают растение, чтобы в конце концов питательные вещества из его клеток (биосфера) вернулись в почву (литосфера). Изменения в одной части системы будут влиять на зависимые геосферы, это принцип общей теории систем, который нигде не применим так, как по отношению к Земле.

Земля – по большей части закрытая система. Это означает, что планета получает извне энергию, но обычно не получает притока массы или вещества. Солнце испускает заряженные частицы, часть которых отклоняется магнитным полем Земли, а другие достигают поверхности как солнечное излучение. Энергия Солнца управляет круговоротом воды и фотосинтезом в биологическом мире, а также ветрами и погодой, которые влияют на состояние атмосферы. Циркуляция в мантии порождает процессы в литосфере за счет тектоники плит и магнитосферы. Иногда с нашей планетой сталкиваются астероиды и метеориты, и тогда Земля превращается в открытую систему, как в случае, когда астероид столкнулся с Землей в конце мелового периода, вызвав массовое вымирание живых организмов в конце мезозойской эры.

В геосферах происходит обмен веществом и энергией между различными системами; эти потоки оцениваются в единицах массы в год. Такой параметр, как время пребывания, показывает, как долго вещество в одной из форм остается в одной части системы; он может измеряться несколькими днями или годами и миллионами лет. Время пребывания веществ широко варьирует в зависимости от того, в какой части системы находится вещество. При испарении воды из океана время пребывания водяных паров (образующих облака) в атмосфере составляет 10 дней. Время пребывания воды в реке больше и составляет от пары недель до 6 месяцев. Когда вода просачивается в подземные воды, время ее пребывания может составлять сотни лет для неглубоких грунтовых вод и десятки тысяч лет для грунтовых вод на большой глубине. Величина этого параметра влияет на скорость очищения от загрязнителей. Если какое-то токсическое вещество попадет в речную систему, речная вода будет обновляться гораздо быстрее, чем подземные воды, в которых загрязняющее вещество может сохраняться тысячелетиями.

Иногда вещество задерживается в определенной части системы, где оно сохраняется очень долго, почти как в хранилище, – выпадает из круговорота веществ. Слои полосчатых железистых кварцитов, которые в наши дни часто разрабатываются как промышленные месторождения, являются примером выпадения из круговорота железа: они сформировались, когда свободный кислород вступал в реакции с растворенным железом в океанах на ранних этапах истории Земли (в докембрии). Другие примеры выпадения из круговорота веществ связаны с таким химическим элементом, как углерод, который на миллионы лет оказывается связан в известняке и угле. В этих отложениях диоксид углерода находится в ловушке до тех пор, пока не произойдут какие-нибудь изменения и вещество не высвободится опять в окружающую среду в результате разрушения исходного материала, например как в случае сжигания угля для получения тепла. Примером выпадения из круговорота железа, не имеющего экономического значения, служит глинистый красный песчаник пермского периода, столь распространенный по всему миру, особенно в Южной Африке и на западе Техаса. Кислород, все еще заключенный в этих горных породах, изменил уровень кислорода в атмосфере и повлиял на эволюцию дыхательной системы животных, особенно у динозавров и птиц.