Науки о Земле или геонауки включают в себя все области естественных наук, связанные с планетой Земля. [1] Это отрасль науки, занимающаяся физическими, химическими и биологическими сложными конституциями и синергетическими связями четырех сфер Земли: биосферы , гидросферы / криосферы , атмосферы и геосферы (или литосферы ). Науки о Земле можно считать отраслью планетарной науки , но с гораздо более древней историей.
.jpg/1280px-Layers_of_sedimentary_rock_in_Makhtesh_Ramon_(50754).jpg)
Геология в широком смысле — это изучение структуры, вещества и процессов Земли. Геология в основном изучает литосферу или поверхность Земли, включая кору и горные породы . Она включает в себя физические характеристики и процессы, происходящие в литосфере, а также то, как на них влияет геотермальная энергия . Она включает в себя аспекты химии, физики и биологии, поскольку элементы геологии взаимодействуют. 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 окаменевший биологический материал в литосфере. Планетарная геология изучает геологию, поскольку она относится к внеземным телам. Геоморфология изучает происхождение ландшафтов. Структурная геология изучает деформацию горных пород, приводящую к образованию гор и низин. Геология ресурсов изучает, как энергетические ресурсы могут быть получены из минералов. Геология окружающей среды изучает, как загрязнение и загрязняющие вещества влияют на почву и горные породы. [2] Минералогия изучает минералы и включает изучение минералообразования, кристаллической структуры , опасностей, связанных с минералами, а также физических и химических свойств минералов. [3] Петрология изучает горные породы, включая образование и состав горных пород. Петрография — это раздел петрологии, который изучает 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 находится мантия , которая нагревается за счет радиоактивного распада тяжелых элементов . Мантия не совсем твердая и состоит из магмы , которая находится в состоянии полупостоянной конвекции. Этот процесс конвекции заставляет литосферные плиты двигаться, хотя и медленно. Результирующий процесс известен как тектоника плит. [7] [8] [9] [10] Области коры, где создается новая кора, называются дивергентными границами , те, где она возвращается обратно в Землю, — конвергентными границами , а те, где плиты скользят друг мимо друга, но новый литосферный материал не создается и не 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 вдавливаются в землю в результате субдукции. [12]
Тектонику плит можно рассматривать как процесс, посредством которого Земля обновляется на поверхности. В результате расширения морского дна , новая кора и литосфера создаются потоком магмы из мантии к близкой поверхности через трещины, где она охлаждается и затвердевает. В результате субдукции океаническая кора и литосфера стремительно возвращаются в конвектирующую мантию. [8] [10] [13] Вулканы возникают в основном из-за плавления субдуцированного материала коры. Материал коры, который вытесняется в астеносферу , плавится, и некоторая часть расплавленного материала становится достаточно легкой, чтобы подняться на поверхность, что приводит к образованию вулканов. [8] [12]
Атмосферная наука изначально развивалась в конце 19 века как средство прогнозирования погоды с помощью метеорологии , изучения погоды. Атмосферная химия была разработана в 20 веке для измерения загрязнения воздуха и расширена в 1970-х годах в ответ на кислотные дожди . Климатология изучает климат и изменение климата . [14]
Тропосфера , стратосфера , мезосфера , термосфера и экзосфера — это пять слоев , из которых состоит атмосфера 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 CO2 и водяной пар. [15] Водяной пар и CO2 заставляют атмосферу Земли улавливать и удерживать энергию Солнца через парниковый эффект . [16] Это делает поверхность Земли достаточно теплой для жидкой воды и жизни. Помимо удержания тепла, атмосфера также защищает живые организмы, экранируя поверхность Земли от космических лучей . [17] Магнитное поле , созданное внутренними движениями ядра, создает магнитосферу , которая защищает атмосферу Земли от солнечного ветра . [18] Поскольку возраст Земли составляет 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, представляет собой магнитное поле , которое простирается из недр Земли в космос, где оно взаимодействует с солнечным ветром , потоком заряженных частиц , исходящих от Солнца . Магнитное поле генерируется электрическими токами из-за движения конвекционных токов смеси расплавленного железа и никеля во внешнем ядре Земли : эти конвекционные токи вызваны теплом, выходящим из ядра, естественный процесс, называемый 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, в настоящее время наклоненного под углом около 11° по отношению к оси вращения Земли , как если бы был огромный стержневой магнит, размещенный под этим углом через центр Земли. Северный геомагнитный полюс на самом деле представляет собой Южный полюс магнитного поля Земли, и наоборот, Южный геомагнитный полюс соответствует северному полюсу магнитного поля Земли (потому что противоположные магнитные полюса притягиваются, а северный конец магнита, как стрелка компаса, указывает на 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 с нерегулярными интервалами, в среднем составляющими несколько сотен тысяч лет, поле Земли меняется на противоположное , и Северный и Южный магнитные полюса соответственно резко меняются местами. Эти смены геомагнитных полюсов оставляют запись в породах, которая представляет ценность для палеомагнитистов при расчете геомагнитных полей в прошлом. Такая информация, в свою очередь, полезна при изучении движений континентов и океанского дна. Магнитосфера простирается над ионосферой , которая определяется протяженностью магнитного поля Земли в космосе или геопространстве . Она простирается на несколько десятков тысяч километров в космос , защищая Землю от заряженных частиц солнечного ветра и космических лучей , которые в противном случае стерли бы верхние слои атмосферы, включая озоновый слой , который защищает Землю от вредного ультрафиолетового излучения .
Гидрология — это изучение гидросферы и движения воды на Земле . Она уделяет особое внимание изучению того, как люди используют и взаимодействуют с запасами пресной воды. Изучение движения воды тесно связано с геоморфологией и другими разделами наук о Земле. Прикладная гидрология включает в себя инженерию для поддержания водной среды и распределения запасов воды. Поддисциплины гидрологии включают океанографию , гидрогеологию , экогидрологию и гляциологию . Океанография — это изучение океанов. [24] Гидрогеология — это изучение подземных вод . Она включает в себя картирование запасов подземных вод и анализ загрязняющих веществ в подземных водах. 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 была разработана 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 воздействие организмов и водных экосистем друг на друга, а также то, как эти экосистемы подвергаются влиянию со стороны человека. [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, которые существуют под замерзшей землей, и устранение последствий изменения климата для криосферы. [27]
Экология — это изучение биосферы . Это включает в себя изучение природы и того, как живые существа взаимодействуют с Землей и друг с другом, а также последствий этого. Она рассматривает, как живые существа используют такие ресурсы, как кислород , вода и питательные вещества из Земли, чтобы поддерживать себя. Она 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 часть единой замкнутой системы. Она включает в себя астрономию, математическую географию, метеорологию, климатологию, геологию, геоморфологию, биологию, биогеографию, педологию и географию почв. Физическая география отличается от географии человека , которая изучает население Земли, хотя и включает в себя влияние человека на окружающую среду. [29]
Методологии различаются в зависимости от характера изучаемых субъектов. Исследования обычно попадают в одну из трех категорий: наблюдательные, экспериментальные или теоретические. Ученые, изучающие Землю, часто проводят сложный компьютерный анализ или посещают интересные места для изучения земных явлений (например, Антарктида или цепи островов с горячими точками ).
Основополагающей идеей в науке о Земле является понятие униформизма , которое гласит, что «древние геологические особенности интерпретируются путем понимания активных процессов, которые легко наблюдаются». Другими словами, любые геологические процессы, действующие в настоящее время, действовали тем же образом на протяжении всего геологического времени. Это позволяет тем, кто изучает историю Земли , применять знания о том, как земные процессы действуют в настоящее время, чтобы получить представление о том, как планета развивалась и изменялась на протяжении долгой истории.
В науках о Земле принято концептуализировать поверхность Земли как состоящую из нескольких отдельных слоев, часто называемых сферами: литосфера , гидросфера , атмосфера и биосфера . Эта концепция сфер является полезным инструментом для понимания поверхности Земли и ее различных процессов [30] они соответствуют горным породам , воде , воздуху и жизни . Некоторые также включают криосферу ( соответствующую льду ) как отдельную часть гидросферы и педосферу (соответствующую почве ) как активную и смешанную сферу. Следующие области науки обычно классифицируются в рамках наук о Земле:
