Науки о Земле или геонауки включают в себя все области естествознания , связанные с планетой Земля . [1] Это отрасль науки , занимающаяся физическим, химическим и биологическим сложным составом и синергетическими связями четырех сфер Земли: биосферы , гидросферы / криосферы , атмосферы и геосферы ( или литосферы ). Науку о Земле можно считать отраслью планетологии , но с гораздо более древней историей.
Существуют редукционистский и целостный подходы к наукам о Земле. Это также исследование Земли и ее соседей в космосе. Некоторые ученые Земли используют свои знания о планете для поиска и разработки энергетических и минеральных ресурсов. Другие изучают влияние человеческой деятельности на окружающую среду Земли и разрабатывают методы защиты планеты. Некоторые используют свои знания о земных процессах, таких как извержения вулканов , землетрясения и ураганы , чтобы защитить людей от этих опасных явлений.
Обычно учёные-землеведы используют инструменты геологии , хронологии , физики , химии , географии , биологии и математики , чтобы получить количественное представление о том, как работает и развивается Земля. Например, метеорологи изучают погоду и отслеживают опасные штормы. Гидрологи исследуют воду и предупреждают о наводнениях. Сейсмологи изучают землетрясения и пытаются понять, где они произойдут. Геологи изучают горные породы и помогают найти полезные ископаемые. Ученые-землеведы часто работают в полевых условиях — возможно, взбираются на горы, исследуют морское дно, ползают по пещерам или бродят по болотам. Они измеряют и собирают образцы (например, камни или речную воду), а затем записывают свои результаты на диаграммах и картах.
.jpg/1280px-Layers_of_sedimentary_rock_in_Makhtesh_Ramon_(50754).jpg)
Геология в широком смысле — это изучение структуры, вещества и процессов Земли. Геология – это в основном изучение литосферы или поверхности Земли, включая кору и горные породы . Он включает в себя физические характеристики и процессы, происходящие в литосфере, а также то, как на них влияет геотермальная энергия . Он включает в себя аспекты химии, физики и биологии при взаимодействии элементов геологии. Историческая геология — это применение геологии для интерпретации истории Земли и того, как она менялась с течением времени.
Геохимия изучает химические компоненты и процессы Земли. Геофизика изучает физические свойства Земли. Палеонтология изучает окаменелый биологический материал в литосфере. Планетарная геология изучает геологические науки применительно к внеземным телам. Геоморфология изучает происхождение ландшафтов. Структурная геология изучает деформацию горных пород с образованием гор и низменностей. Ресурсная геология изучает способы получения энергетических ресурсов из полезных ископаемых. Экологическая геология изучает, как загрязнение и загрязняющие вещества влияют на почву и горные породы. [2] Минералогия — это изучение минералов, включающее изучение образования минералов, кристаллической структуры , опасностей, связанных с минералами, а также физических и химических свойств минералов. [3] Петрология — это изучение горных пород, включая образование и состав горных пород. Петрография — раздел петрологии, изучающий типологию и классификацию горных пород. [4]
Тектоника плит , горные хребты , вулканы и землетрясения — это геологические явления, которые можно объяснить с точки зрения физических и химических процессов в земной коре. [6] Под земной корой лежит мантия , которая нагревается в результате радиоактивного распада тяжелых элементов . Мантия не совсем твердая и состоит из магмы , находящейся в состоянии полувечной конвекции. Этот процесс конвекции заставляет литосферные плиты двигаться, хотя и медленно. Возникающий в результате процесс известен как тектоника плит. [7] [8] [9] [10] Области земной коры, где образуется новая кора, называются расходящимися границами , те, где она возвращается в Землю, являются сходящимися границами , а те, где плиты скользят мимо друг друга, но не создают новых литосферный материал создается или разрушается, называются трансформными (или консервативными) границами [8] [10] [11] Землетрясения возникают в результате движения литосферных плит и часто происходят вблизи конвергентных границ, где части земной коры вытесняются. в землю в рамках субдукции. [12]
Тектонику плит можно рассматривать как процесс обновления поверхности Земли. В результате расширения морского дна новая кора и литосфера создаются потоком магмы из мантии к ближней поверхности через трещины, где она охлаждается и затвердевает. В результате субдукции океаническая кора и литосфера резко возвращаются в конвектирующую мантию. [8] [10] [13] Вулканы возникают в основном в результате плавления субдуцированного материала коры. Материал коры, попавший в астеносферу, плавится, и некоторая часть расплавленного материала становится достаточно легкой, чтобы подняться на поверхность, порождая вулканы. [8] [12]
Наука об атмосфере первоначально развивалась в конце 19 века как средство прогнозирования погоды с помощью метеорологии , изучения погоды. Химия атмосферы была разработана в 20 веке для измерения загрязнения воздуха и получила распространение в 1970-х годах в ответ на кислотные дожди . Климатология изучает климат и его изменение . [14]
Тропосфера , стратосфера , мезосфера , термосфера и экзосфера — это пять слоев, составляющих атмосферу Земли. 75% массы атмосферы находится в тропосфере, самом нижнем слое. В целом атмосфера состоит примерно из 78,0% азота , 20,9% кислорода и 0,92% аргона , а также небольшого количества других газов, включая CO 2 и водяной пар. [15] Водяной пар и CO 2 заставляют атмосферу Земли улавливать и удерживать энергию Солнца посредством парникового эффекта . [16] Это делает поверхность Земли достаточно теплой для существования жидкой воды и жизни. Помимо улавливания тепла, атмосфера также защищает живые организмы, защищая поверхность Земли от космических лучей . [17] Магнитное поле , создаваемое внутренними движениями ядра, создает магнитосферу , которая защищает атмосферу Земли от солнечного ветра . [18] Поскольку Земле 4,5 миллиарда лет, [19] [20] она бы уже потеряла свою атмосферу, если бы не было защитной магнитосферы.
Магнитное поле Земли , также известное как геомагнитное поле, — это магнитное поле , которое простирается из недр Земли в космос, где оно взаимодействует с солнечным ветром — потоком заряженных частиц , исходящих от Солнца . Магнитное поле создается электрическими токами из-за движения конвекционных токов смеси расплавленного железа и никеля во внешнем ядре Земли : эти конвекционные токи вызваны теплом, уходящим из ядра, естественным процессом, называемым геодинамо .
Величина магнитного поля Земли на ее поверхности колеблется от 25 до 65 мкТл (от 0,25 до 0,65 Гс). [23] В качестве приближения оно представлено полем магнитного диполя, наклоненного в настоящее время под углом около 11° по отношению к оси вращения Земли , как если бы под этим углом через центр Земли находился огромный стержневой магнит. . Северный геомагнитный полюс на самом деле представляет собой южный полюс магнитного поля Земли, и, наоборот, южный геомагнитный полюс соответствует северному полюсу магнитного поля Земли (поскольку противоположные магнитные полюса притягиваются, а северный конец магнита, как стрелка компаса, указывает в сторону Южное магнитное поле Земли, остров Элсмир , Нунавут , Канада.
Хотя Северный и Южный магнитные полюса обычно расположены вблизи географических полюсов, они медленно и непрерывно перемещаются в геологических масштабах времени, но достаточно медленно, чтобы обычные компасы оставались полезными для навигации. Однако через нерегулярные промежутки времени, составляющие в среднем несколько сотен тысяч лет, поле Земли меняется на противоположное , а Северный и Южный магнитные полюса соответственно резко меняются местами. Эти перемены геомагнитных полюсов оставляют в горных породах следы, которые в прошлом представляли ценность для палеомагнетиков при расчете геомагнитных полей. Такая информация, в свою очередь, полезна при изучении движения континентов и океанского дна над ионосферой, которая определяется протяженностью магнитного поля Земли в космосе. Он простирается на несколько десятков тысяч километров в космос , защищая Землю от заряженных частиц солнечного ветра и космических лучей , которые в противном случае разрушили бы верхние слои атмосферы, включая озоновый слой , защищающий Землю от вредного ультрафиолетового излучения .
Гидрология – это изучение гидросферы и движения воды на Земле . В нем особое внимание уделяется изучению того, как люди используют запасы пресной воды и взаимодействуют с ними. Изучение движения воды тесно связано с геоморфологией и другими разделами наук о Земле. Прикладная гидрология включает в себя инженерные разработки для поддержания водной среды и распределения запасов воды. К разделам гидрологии относятся океанография , гидрогеология , экогидрология и гляциология . Океанография – это изучение океанов. [24] Гидрогеология – это изучение подземных вод . Он включает в себя картографирование запасов подземных вод и анализ загрязнителей подземных вод. Прикладная гидрогеология стремится предотвратить загрязнение подземных вод и минеральных источников и сделать их доступными в качестве питьевой воды . Самая ранняя эксплуатация ресурсов подземных вод датируется 3000 годом до нашей эры, а гидрогеология как наука развивалась гидрологами начиная с 17 века. [25] Экогидрология – это изучение экологических систем в гидросфере . Его можно разделить на физическое изучение водных экосистем и биологическое изучение водных организмов. Экогидрология включает в себя влияние, которое организмы и водные экосистемы оказывают друг на друга, а также то, как на эти экосистемы влияет человек. [26] Гляциология – это изучение криосферы, включая ледники и покрытие Земли льдом и снегом. Проблемы гляциологии включают доступ к ледниковой пресной воде, смягчение ледниковых опасностей, получение ресурсов, существующих под замерзшей землей, и устранение последствий изменения климата для криосферы. [27]
Экология – это наука о биосфере . Это включает в себя изучение природы и того, как живые существа взаимодействуют с Землей и друг с другом, а также последствий этого. Он рассматривает, как живые существа используют такие ресурсы, как кислород , вода и питательные вещества Земли, для поддержания себя. Он также рассматривает, как люди и другие живые существа вызывают изменения в природе. [28]
Физическая география — это изучение систем Земли и того, как они взаимодействуют друг с другом как части единой автономной системы. Он включает в себя астрономию, математическую географию, метеорологию, климатологию, геологию, геоморфологию, биологию, биогеографию, почвоведение и географию почв. Физическая география отличается от географии человека , которая изучает человеческое население на Земле, хотя и включает в себя воздействие человека на окружающую среду. [29]
Методики различаются в зависимости от характера изучаемых предметов. Исследования обычно относятся к одной из трех категорий: наблюдательные, экспериментальные или теоретические. Ученые-землеведы часто проводят сложный компьютерный анализ или посещают интересные места для изучения земных явлений (например, Антарктиду или цепи островов с горячими точками ).
Основополагающей идеей науки о Земле является понятие униформизма , которое гласит, что «древние геологические особенности интерпретируются путем понимания активных процессов, которые легко наблюдать». Другими словами, любые геологические процессы, происходящие в настоящее время, протекали одним и тем же образом на протяжении всего геологического времени. Это позволяет тем, кто изучает историю Земли , применять знания о том, как процессы на Земле происходят в настоящее время, чтобы получить представление о том, как планета развивалась и менялась на протяжении долгой истории.
В науках о Земле принято представлять поверхность Земли как состоящую из нескольких отдельных слоев, часто называемых сферами: литосферы , гидросферы , атмосферы и биосферы . Эта концепция сфер является полезным инструментом для понимания строения Земли. поверхность и ее различные процессы [30] соответствуют камням , воде , воздуху и жизни . Некоторые также включают криосферу (соответствующую льду ) как отдельную часть гидросферы и педосферу (соответствующую почве ) как активную и смешанную сферу. К наукам о Земле обычно относятся следующие области науки :
