Учебно-методический комплекс по дисциплине «концепции современного естествознания» для всех специальностей

Вид материала

Учебно-методический комплекс

Содержание История развития Земли Климат Земли Современная химия

Подобный материал:

• Учебно-методический комплекс Для студентов всех специальностей, кроме специальности, 519.51kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине Концепции современного естествознания Направления, 781.33kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
• Гончарова Оксана Владимировна Кандидат биологических наук, доцент Концепции современного, 1123.43kb.
• Программа, методические указания и контрольные задания по дисциплине концепции современного, 717.75kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания для студентов, 331.69kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине «концепции современного естествознания», 613.37kb.
• В. А. Кныр концепции современного естествознания для студентов гуманитарных и экономических, 351.67kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине ен. Ф. 04 Концепции современного естествознания, 726.55kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине ен. Ф. 04 Концепции современного естествознания, 708.53kb.

История развития Земли

Историческая геология является частью геологии - науки о Земле, но сама геология не охватывает все проблемы, касающиеся нашей планеты, и часть из них рассматривается также географией, метеорологией, океанологией, геодезией, гидрогеологией, почвоведением и другими науками. Геолог имеет дело с природными документами - горными породами, остатками фауны и флоры, которые, образовавшись сотни миллионов лет назад, сохраняют свои особенности, позволяющие восстановить условия накопления вещества в далекие времена. Важным обстоятельством является последовательность формирования толщ пород с заключенными в них органическими остатками, что дает нам возможность прослеживать эволюцию органического мира и осадконакопление с древнейших времен до наших дней.

В процессе образования горные породы подвергались мощным деформациям; в них внедрялись разнообразные интрузивные тела: погружаясь на большую глубину и прогреваясь, горные породы испытывали метоморфизм; наконец, как выяснилось в последние десятилетия материки, литосферные плиты не оставались на одном месте, а перемещались на большие расстояния, как по широте, так и по долготе и притом вращались; океанические пространства то расширялись, то сужались, континенты смыкались. Историческая геология как раз и выясняет закономерности развития земной коры, знание которых позволяет правильно прогнозировать поиски месторождений полезных ископаемых. Историческая геология занимается самыми различными аспектами геологии и оперирует рядом историко-геологических методов, в то же время, оставаясь тесно связанной с другими геологическими науками: палеонтологией, геотектоникой, петрографией, седиментологией, региональной геологией и др.

При анализе горных пород, а чаще всего толщ горных пород особое внимание обращается на взаимоотношения пластов и их пачек внутри толщ, потому что характер залегания молодых пластов на более древних может многое рассказать о тектонических движениях, их типе, знаке и других факторах. Выяснение роли тектонических движений в истории геологического развития любого региона чрезвычайно велико. Различные осадочные горные породы формируются в разных физико-географических обстановках: на суше, в море, в океанах, в прибрежной или, наоборот, глубоководной зоне, в жарком или холодном климате, в условиях покровных оледенений, при мощных извержениях вулканов и т.д. Все подобные обстановки характеризуются только им присущим растительностью и фауной. С точки зрения восстановления палеогеографических условий эти и многие другие сведения представляют большую ценность.

Историческая геология и призвана раскрыть условия осадконакопления в прошлом, реконструировать палеоклимат, расшифровать тектонические движения и установить, каким был рельеф на суше в это время, показать эволюцию морских и озерных водоемов и речных систем. На этом фоне появляется еще одна важная задача исторической геологии: установление закономерностей развития органического мира, которое зависит от состава атмосферы и от характера гидросферы, а также от взаимоотношений между представителями различных групп фауны и флоры. Следовательно, историческая геология занимается широким кругом вопросов и в ее непосредственную задачу входит обобщение разнообразных геологических материалов.

Историческая геология как научное направление возникла в конце XVIII в., когда английский ученый Вильям Смит разработал палеонтологический метод, с помощью которого стало возможным выявлять последовательность геологических событий во времени. Палеонтологический метод распространился очень быстро, и результатом этого стали первые геологические разрезы - стратиграфические колонки, были выделены геологические системы и т.д. Историческая геология, будучи вначале описательной впоследствии все больше брала на себя функции установления общих закономерностей геологического развития регионов. В 30-е годы XIX в. появилась выдающаяся работа английского ученого Ч. Лайеля "Основы геологии", в которой с актуалистических позиций рассматривались геологические процессы прошлого и, в противоположность французскому ученому Ж. Кювье, изменения на Земле объяснялись не катастрофическими событиями, а медленными, весьма длительными процессами эволюции, в частности органического мира.

В конце XIX в. накопленный материал достиг такого уровня, когда появилась возможность крупных обобщений, что и было сделано Неймайром для юрского периода и австрийским геологом Э. Зюссом для всего земного шара в его знаменитом труде "Лик Земли". Другой выдающийся геолог А. П. Карпинский в конце XIX в. обобщил имевшиеся данные по геологии Европейской России и выявил характер колебательных тектонических движений. Впервые в его работе были представлены палеогеографические карты.

В начале XX в. появляются обобщающие работы по истории развития геосинклинальных поясов, принадлежащие французскому геологу Э. Огу, немецким ученым Г. Штилле, С. Бубнову, советским геологам А.Д. Архангельскому, Н.С. Шатскому, Д.В. Наливкину, Н.М. Страхову, П.И. Степанову, И.М. Губкину и многим другим. Историческая геология лежит в основе всех крупных сводных работ по региональной геологии и сегодня она крайне необходима для постановки геологоразведочных и съемочных работ, так как достоверно расшифрованная история геологического развития района - это основа для всех последующих изысканий.

В геологии как в никакой другой науке важна последовательность установления событий, их хронологии, основанной на естественной периодизации геологической истории. Геологическая хронология, или геохронология, основана на выяснении геологической истории наиболее хорошо изученных регионов, например, в Центральной и Восточной Европе. На основе широких обобщений, сопоставления геологической истории различных регионов Земли, закономерностей эволюции органического мира в конце прошлого века на первых Международных геологических конгрессах была выработана и принята Международная геохронологическая шкала, отражающая последовательность подразделений времени, в течение которых формировались определенные комплексы отложений, и эволюцию органического мира. Таким образом, международная геохронологическая шкала - это естественная периодизация истории Земли.

Среди геохронологических подразделений выделяются: эон, эра, период, эпоха, век, время. Каждому геохронологическому подразделению отвечает комплекс отложений, выделенный в соответствии с изменением органического мира и называемый стратиграфическим: эонотема, группа, система, отдел, ярус, зона. Следовательно, группа является стратиграфическим подразделением, а соответствующее ей временное геохронологическое подразделение представляет эра. Поэтому существуют две шкалы: геохронологическая и стратиграфическая. Первую мы используем, когда говорим об относительном времени в истории Земли, а вторую, когда имеем дело с отложениями, так как в каждом месте земного шара в любой промежуток времени происходили какие-то геологические события. Другое дело, что накопление осадков было неповсеместным.

Содержание геохронологической шкалы с момента принятия менялось и уточнялось. В настоящее время выделяются три наиболее крупных стратиграфических подразделения - эонотемы: архейская, протерозойская и фанерозойская, которым в геохронологической шкале отвечают зоны различной длительности. Архейская и протерозойская эонотемы, охватывающие почти 80% времени существования Земли, выделяются в криптозой, так как в докембрийских образованиях полностью отсутствует скелетная фауна и палеонтологический метод к их расчленению неприменим. Поэтому разделение докембрийских образований базируется в первую очередь на общегеологических и радиометрических данных. Фанерозойский эон охватывает всего 570 млн. лет и расчленение соответствующей эонотемы отложений базируется на большом разнообразии многочисленной скелетной фауны. Фанерозойская эонотема подразделяется на три группы: палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую, отвечающие крупным этапам естественной геологической истории Земли, рубежи которых отмечены достаточно резкими изменениями органического мира.

Названия эонотем и групп происходят от греческих слов: "археос" - самый древний, древнейший; "протерос" - первичный; "палеос" - древний; "мезос" - средний; "кайнос" - новый. Слово "криптос" означает скрытый, а "фанерозой" - явный, прозрачный, так как появилась скелетная фауна. Слово "зой" происходит от "зоикос" - жизненный. Следовательно, "кайнозойская эра" означает эру новой жизни и т.д. Группы подразделяются на системы, отложения которых сформировались в течение одного периода и характеризуются только им свойственными семействами или родами организмов, а если это растения, то родами и видами. Системы были выделены в различных регионах и в разное время, начиная с 1822 г. В настоящее время выделяются 12 систем, названия большей части которых происходят от тех мест, где они впервые были описаны. Например, юрская система- от Юрских гор в Швейцарии, пермская - от Пермской губернии в России, меловая - по наиболее характерным породам - белому писчему мелу и т.д. Четвертичную систему нередко именуют антропогеновой, так как именно в этом возрастном интервале появляется человек. Системы подразделяются на два или три отдела, которым соответствуют ранняя, средняя, поздняя эпохи. Отделы, в свою очередь, разделяются на ярусы, которые характеризуются присутствием определенных родов и видов ископаемой фауны. И, наконец, ярусы подразделяются на зоны, являющиеся наиболее дробной частью международной стратиграфической шкалы, которой в геохронологической шкале соответствует время. Названия ярусов даются обычно по географическим названиям районов, где этот ярус был выделен; например, алданский, башкирский, маастрихтский ярусы и т.д. В то же время зона обозначается по наиболее характерному виду ископаемой фауны. Зона охватывает, как правило, только определенную часть региона и развита на меньшей площади, нежели отложения яруса.

Всем подразделениям стратиграфической шкалы соответствуют геологические разрезы, в которых эти подразделения были впервые выделены. Поэтому такие разрезы являются эталонными, типичными и называются стратотипами, в которых содержится только им свойственный комплекс органических остатков, определяющий стратиграфический объем данного стратотипа.

Определение относительного возраста каких-либо слоев и заключается в том, что мы сравниваем обнаруженный нами комплекс органических остатков в изучаемых слоях с комплексом ископаемых в стратотипе соответствующего подразделения международной геохронологической шкалы, т.е. мы, определяем возраст отложений относительно стратотипа. Именно поэтому палеонтологический метод, несмотря на присущие ему недостатки остается наиболее важным методом определения геологического возраста горных пород. Определение относительного возраста, например, девонских отложений свидетельствует лишь о том, что эти отложения моложе силурийских, но древнее каменноугольных. Однако мы не можем установить длительность формирования девонских отложений и дать заключение о том, когда (в абсолютном летоисчислении) произошло накопление этих отложений. Только методы абсолютной геохронологии способны ответить на этот вопрос.

Рассматривать геологическую историю нашей планеты можно только с того времени, с которого сохранились наиболее древние свидетели этой истории - горные породы и минералы. Однако первым древнейшим этапом образования Земли следует считать интервал времени, в течение которого она сформировалась как одна из планет Солнечной системы, т.е. это время аккреции вещества газопылевой туманности, которое, по мнению исследователей, не было продолжительным и, по-видимому, составляло не более 100 млн. лет.

Второй древнейший этап часто именуют догеологическим, так как горных пород этого времени практически не сохранилось, а процессы, протекавшие на данном этапе, приводили к дифференциации вещества внутри планеты, образованию какой-то первичной земной коры основного состава, выделению внешнего, жидкого ядра Земли и, соответственно, появлению магнитного поля. Вероятнее всего, что в это время энергично проявлялась метеоритная бомбардировка Земли, а ее поверхность напоминала современную Луну или скорее Венеру, учитывая, что существовала бескислородная атмосфера, облака которой плотной пеленой закрывали Землю.

Начиная с рубежа примерно в 4,0-3,5 млрд. лет назад начинается третий этап, который в целом может быть назван докембрийским, а его верхний рубеж был приурочен к границе среднего позднего рифея, т.е. примерно 1 млрд. лет назад. Дело в том, что в позднем рифее начался распад гигантского материка Пангея-1 и заложились все основные подвижные пояса, в дальнейшем развивавшиеся в фанерозое. Длительность докембрийского этапа очень велика - около 3 млрд. лет, и в самом общем виде в нем выделяется ряд крупных стадий: 1) древнеархейская, или катархейская (4,0-3,5 млрд. лет); 2) архейская (3,5-2,6 млрд. лет); 3) раннепротерозойская (2,6-1,65 млрд. лет) и 4) позднепротерозойская (1,65-1,0 млрд. лет) вплоть до позднего рифея. Все эти стадии различались структурным планом земной поверхности, палеогеографической и палеогеодинамической обстановками, палеоклиматическими условиями. Переход от криптозоя к фанерозою ознаменовался бурным расцветом органической жизни, но уже в венде, т.е. в конце позднего протерозоя, в изобилии появляется бесскелетная фауна.

В позднем рифее произошел распад Пангеи-1 на Гондвану и Лавразию - два гигантских материка, а в венде начала распадаться и Лавразия и именно в это время заложились главные подвижные пояса.

Рассмотрение геологической истории Земли в фанерозойском зоне можно вести по эрам: палеозойской, мезозойской и кайнозойской. Однако естественные историко-геологические этапы несколько отличаются от рубежей указанных эр и будет логичнее проанализировать историю именно по этапам, а не по эрам. В фанерозойской истории выделяется целый ряд гораздо менее продолжительных этапов, чем в докембрийской истории. Каждый из них начинался с раскрытия океанов, а заканчивался сближением литосферных плит, закрытием океанов и складчатостью накопившихся осадочных и магматических пород. Выделяются: 1) раннепалеозойский (каледонский) этап, начавшийся в позднем рифее или венде и закончившийся складчатостью в силурийский период; 2) позднепалеозойский (герцинский) этап - девон-пермь, иногда захватывающий и ранний триас; 3) мезозойский (киммерийский) этап - триас (местами захватывает и конец позднего палеозоя) - юра со складчатостью в середине юры; 4) мезозойско-кайнозойский (альпийский) этап, начавшийся в ранней юре и закончившийся складчатостью в неогене. Не во всех районах Земли эти этапы начинались и заканчивались одновременно, но в целом последовательность примерно такая, как показано выше.


Климат Земли

В климатическую систему, определяющую облик ландшатов Земли, входят атмосфера, гидросфера, литосфера, криосфера и биосфера. Глобальный климат - статистическая совокупность состояний, проходимых климатической системой за пери­оды времени в несколько десятилетий. Физические процессы, определяющие внешние воздействия на климатическую систему, а также основные взаимодействия между звенья­ми климатической системы называют климатообразующими факто­рами.

Компоненты климатической системы и различные процессы, влияющие на формирование и изменения климата, делят на внешние и внутренние.

К внешним процессам относят: приток солнечной радиации, измене­ния состава атмосферы, вызванные процессами в литосфере и прито­ком аэрозолей и газов из космоса; изменения очертаний океанов, суши, орографии, растительности.

К внутренним процессам относят: взаимодействия атмосферы с оке­аном, с поверхностью суши и льдом (теплообмен, испарение, осадки), взаимодействие лед-океан, изменение газового и аэрозольного соста­ва атмосферы, облачность, снежный и растительный покров, рельеф и очертания материков.

Сопоставление внешних и внутренних процессов показывает, что часть из них присутствует в обоих факторах. Это объяс­няется тем, что разделение на внешние и внутренние процессы зависит от периода времени, за который рассматривается состояние климати­ческой системы. При совокупности состояний климатической системы за 1000 лет влияние очертания материков и крупномасштабной орогра­фии на атмосферу можно рассматривать как внешний процесс, а при масштабе времени 100 млн. лет это влияние необходимо отнести к внут­реннему процессу.

В конечном итоге глобальный климат формируется процессами, происходящими в климатической системе. В современной теории климата в качестве внутренней климатичес­кой системы рассматривается совокупность двух ее подсистем - ат­мосферы и океана. Другие составляющие климатической системы счи­таются внешними.

Наконец, в качестве внутренней климатической сис­темы можно рассматривать только атмосферу. Тогда внешними климатообразующими факторами следует считать характеристики, определя­ющие особенности энергетического взаимодействия между атмосфе­рой и другими компонентами климатической системы, распределение на поверхности Земли океанов и материков, особенности рельефа зем­ной поверхности, а внутренними климатообразующими факторами - об­щую циркуляцию атмосферы и влагооборот.

Состоянию глобального климата соответствуют свои закономернос­ти в теплообороте, влагообороте и атмосферной циркуляции. Эти климатообразующие факторы определяют многолетний режим метеорологи­ческих величин и явлений погоды.

Распределение метеорологических величин в пространстве и во вре­мени определяет распределение локальных климатов на земном шаре. Локальный климат - совокупность атмосферных условий за много­летний период, характерный для данной местности в зависимости от ее географического положения.

На протяжении геологической истории Земли (4,65 млрд. лет) вместе с земной природой менялись состав атмосферы, ее масса и климат. За этот период времени многократно изменялись очертания материков, конфигурация и высота горных систем, площадь суши и океана, проис­ходили изменения светимости Солнца, колебания эксцентриситета зем­ной орбиты и наклона оси вращения Земли к плоскости эклиптики, а также замедление скорости вращения Земли. Следовательно, происхо­дили изменения теплооборота, влагооборота и атмосферной циркуляции.

Временные масштабы возможных причин климатических измене­ний необычайно широки. Так, изменение светимости Солнца за преде­лами 1 % солнечной постоянной может происходить за 109 лет. Вариа­ции орбитальных параметров, прецессии равноденствия и изменения наклона оси вращения Земли к плоскости орбиты составляют соответ­ственно 92, 21 и 40 тыс. лет. Временные масштабы движений земной коры равны 10⁵-10⁹ лет. Образование стратосферного аэрозоля вслед­ствие вулканических извержений может приводить к климатическим из­менениям в самых широких пределах - от 10 до 10⁸ лет. С другой сторо­ны, внутренняя изменчивость климатической системы определяется различными механизмами прямых и обратных связей между составля­ющими системы: атмосферой, океаном, криосферой, поверхностью суши и биосферой, которые могут действовать во временных масштабах от 10 до 10² лет. Таким образом, изменения климата могли происходить в любых геологических эпохах.

Воздействие человека на климат проявляется в процессе динамич­ного развития производственной деятельности. Изменения в природной среде (вырубка лесов, распашка земель, мелиорация) приводят к умень­шениям радиационного, влажностного, ветрового режима. В конечном итоге атмосферная циркуляция распространяет эти изменения и за пре­делы района, где производится воздействие.

Преобразования в окружающей природе (насаждение и вырубка ле­сов, осушение болот, создание водоемов, городская застройка) обус­ловливают изменения микроклимата и климата. Леса существенно ме­няют ветровой режим, распределение снежного покрова и промерзание почвы, увеличивают количество осадков, радиационный баланс и испа­рение. Внутри древесных насаждений складывается режим, улучшаю­щий климатические условия произрастания растительности в засушли­вых областях.

В городах зеленые насаждения уменьшают интенсивность солнеч­ной радиации у Земли, повышают влажность, сокращают дневные и вечерние температуры и запыленность воздуха. Вырубка лесов на скло­нах возвышенностей приводит к смыву почвы. При вырубке лесов ме­няется альбедо системы Земля-атмосфера на 1 %, глобальная темпера­тура понизится на 2⁰C. В настоящее время температура у Земли за счет вырубленных лесов понизилась на 0,6⁰C.

Известно, что удвоение концентрации CO₂ в атмосфере повышает температуру воздуха на 3⁰C. Количество CO₂, которое может выделить­ся при разложении древесины, повысит температуру на 0,7⁰C, что компенсирует понижение температуры, обусловленное ростом альбедо.

Антропогенное увеличение углекислого газа, метана, закиси азота, тропосферного озона, хлорфторуглеводородов приводит к изменению климата. Величина выброса CO₂ в атмосферу зависит от сжигания иско­паемого топлива, которое удовлетворяет 80% мировой потребности и, следовательно, зависит от технологии получения энергии. Концентра­ция двуокиси углерода в атмосфере изменилась от 315 млн^-1 в 1958 г. до 343 млн^-1 в 1984 г.

Содержание озона в атмосфере уменьшилось примерно на 1%, но в тропосфере наблюдается увеличение в среднем на 10% вследствие деятельности человека. Увеличение концентрации тропосферного озона к 2050 г. ожидается еще на 10%. Средние годовые значения находятся в пределах 25-35 млрд^-1. Опасной для здоровья человека и растений яв­ляется концентрация 60 млрд^-1 и более. Содержание метана составляет 1,7 млн^-1 и растет со скоростью около 1% в год. По предварительным оценкам к 2050 г содержание метана увеличится на 20-50%. Метан в химических реакциях в атмосфере ведет к образованию окиси углерода и озона в тропосфере.

Современная концентрация N₂O составляет 310 млрд^-1, тренд око­ло 0,3% в год. Суммарная концентрация хлорфторуглеродов поряд­ка 2 млрд^-1. Вклад этих веществ в величину парникового эффекта около 24%. Изменение климата в XXI в. в значительной степени будет определяться темпами роста парниковых газов.

В настоящее время создано много моделей климата. Все модели прогнозируют рост средней глобальной температуры (1,5- 5,5°C) при удвоении современной концентрации CO₂. Наибольшее повышение тем­пературы должно произойти в тропосфере высоких широт в осенне-зимний сезон, а в стратосфере произойдет похолодание.

Потепление должно сказаться на состоянии ледников и уровне Ми­рового океана. Если наблюдаемые сейчас связи между уровнем океа­на и температурой воздуха сохранятся в будущем, то при глобальном потеплении от 1,5 до 5,5° C уровень Мирового океана повысится от 25 до 165 см. К этому следует добавить возможное уменьшение площадей малых ледников, что приведет к дополнительному повышению уровня.

9. Современная химия
   

Химия - наука о веществах, закономерностях их превращений (физических и химических свойствах) и применении. Современная химия – обширная область знания, с хорошо развитым теоретическим аппаратом и богатым эмпирическим материалом. В настоящее время известно более 100 тыс. неорганических и более 4 млн. органических соединений. Химия изучает не только строение и свойства этих веществ, но и протекающие с их участием явления. Следует различать химические и физические явления. Химические явления отличаются тем, что при них одни вещества превращаются в другие, отличающиеся от исходных составом и свойствами, при этом состав ядер атомов не изменяется. В ходе физических явлений меняется физическое состояние веществ (парообразование, плавление, электропроводность, выделение тепла и света, ковкость и др.) или образуются новые вещества с изменением состава ядер атомов. Химия сосредотачивает свое внимание главным образом на химических явлениях, но она непосредственно связана и с такими разделами физической науки, как молекулярная физика и термодинамика. В системе химических наук главными концепциями являются учения о составе и строении вещества, химической связи и химическом прцессе. Протекание химических реакций определяется, с одной стороны, свойствами вещества, с другой – физическими условиями, в которых находится химическая система. Свойства веществ зависят от их химического состава и строения.