Представления о геосферах в классической науке

      В классическом естествознании представления о геосферах получают астрономическое, физическое, химическое, геолого-географическое обоснование. Существенно, что гравитационное и магнитное поля Земли рассматриваются обычно не в качестве геосфер, а как свойства вещественных сфер. Вместе с тем открытие такого природного объекта, как электромагнитное поле, а также установление связи земного магнетизма с атмосферным электричеством наводят на предположение о существовании самого внешнего по отношению к вещественным геосферам электропроводящего слоя (К- Гаусс, 1839 г.; У. Томсон, 1860 г.; Б. Стюарт, 1878 г.).

      Геосферная  проблематика географии, берущая начало в понятии «земноводного шара»  Б. Варениуса (XVII в.), оформляется на стыке комплексного космосоведения (Гумбольдт с 1808 г.) и регионального землеведения (К. Риттер с 1804 г.). В первом направлении развертывались идеи о географической зональности и поясности, об «органически живой» оболочке, о почвенном слое (с 70-х гг. школа В. В. Докучаева), или «педиосфере» (педосфере). Вторым направлением развивались представления о географической сфере деятельности человечества (А. Гюйо, 1861 г.; Г. Марш, 1864 г.; Э. Реклю с 1868 г.; Ф. Ратцель с 1882 г.; А. И. Воейков, 1894 г.); в 1902 г. Д. И. Анучин предложил термин «антропосфера». Альтернативными оказались, с одной стороны, мнения о гармонии человека и среды и, с другой — взгляд на разрушающее воздействие общества на природу (Марш, 1866 и др.).

      Э. Зюсс (1875, 1909 гг.) противопоставил усиливающейся  дифференциации геолого-географических и смежных наук синтетическую концепцию геосфер. Основой концепции были небулярная «горячая» космогония, метеоритная модель химического и минералого-петрографического состава вещества Земли, первые сейсмометрические данные о внутренней ее структуре, а также  региональные и исторические  геологические обобщения. Твердая Земля, к которой в те времена обычно прилагали термин «геосфера», подразделялась в концепции Зюсса на тяжелую внутреннюю «барисферу» и вышележащую каменную оболочку — «литосферу». Литосфера облекается другими вещественными агрегатными геооболочками — «гидросферой» и атмосферой. Понятие живой оболочки как совокупности всех организмов фиксируется термином «биосфера». Барисфера представляет собой железо-никелевое по составу земное ядро (так называемая нифе), агрегатное состояние которого может быть полностью или частично жидким. В литосфере выделяется два слоя: во-первых, промежуточный между барисферой и корой кремниево-магниевый по химическому составу слой (сима) и, во-вторых, прерывистая и неоднородная легкая земная кора (саль, впоследствии переименованная в сиаль). В верхней части коры выделяется геосфера более высокого порядка — осадочная оболочка коры, или стратисфера. Зюссовская таксономия геосфер явилась итогом и основой дальнейшего развития наук о Земле.

      Термин  «геосфера» в родовом смысле ввел в 1910 г. Дж. Меррей, который выделил  подлитосферный неоднородный пластичный слой — тектосферу. Она лежит  на однородной щелочной и металлической  твердой центросфере. Меррей писал: «В пределах биосферы, у человека, родилась сфера разума и понимания, и он пытается истолковать и объяснить Космос; мы можем дать этому наименование психосферы».

      В итоге классической науки для  Земли в целом выделяются вещественные агрегатные геосферы первого порядка: террасфера, гидросфера, атмосфера, а также внешний электрический слой. В качестве геосфер второго порядка в террасфере рассматриваются предполагаемое жидким или твердым земное ядро, промежуточная пластичная оболочка, твердая кора. С агрегатными вещественными геосферами в основном совпадает химическая дифференциация — нифе, сима, сиаль, воды и воздух (смесь газов). Геологическое содержание вкладывается в понятие о литосфере и ее подсистемах, в частности стратисфере. Для приповерхностных геооболочек характерна горизонтальная неоднородность. На стыке литосферы, гидросферы и атмосферы выделяется область географических явлений, в которой выявляются педосфера, биосфера, антропосфера и даже психосфера. Геосферы сложно взаимодействуют и частично взаимопревращаются, а также дифференцируются и интегрируются; но расшифровка этих процессов становится делом последующей геофизики, геохимии, геологии, географии, планетологии, автономизация которых как наук привела к отраслевому расчленению оболочечной проблематики.

Становление «неклассического» учения о геосферах 

      Развитие  учения о геосферах в XX в. связано  с успехами геофизики и геохимии, которые в эпоху новой научной  революции продолжили традиции классической физики и химии, используя также  «неклассические» данные о корпускулярно-волновых свойствах полей и частиц, радиоактивности, изотопах и др. Геофизические и геохимические модели Земли стали интерпретироваться в рамках отдельных отраслей геологии и географии, а комплексное обобщение получили в трудах В. И. Вернадского, которыми был подготовлен новый теоретический синтез в учении о геосферах и неклассический подход, проявившийся в более полной мере лишь в эпоху научно-технической революции второй половины нашего века.

      В первой половине XX в. основой представлений  о геосферах остается преимущественно «горячая» космогония в варианте Д. Джинса (1916 г.); появляется также «планетизимальная» гипотеза, согласно которой разогрев Земли был вторичным процессом (Ф. Мультон, Т. Чемберлин, 1901 г.). Геофизическое исследование геосфер дифференцируется по агрегатным оболочкам: физика земли, физика моря, физика атмосферы. Для расшифровки внутреннего строения Земли главным инструментом становится сейсмометрия. Э. Вихерту (1897 г.) принадлежала первая сейсмическая модель с выделением в подкоровой структуре земного ядра и оболочки (мантии). Эта «двухслойная модель» сменяется «трехслойной», с подразделением мантии на нижнюю и верхнюю (В. Клуссман, 1915 г.). В 1909 г. А. Мохоровичич устанавливает нижнюю сейсмическую границу земной коры — так называемая поверхность Мохо. В 1925 г. «сейсмологическая кора»   (по выражению  Дж. Гарленда)   расчленяется В. Конрадом на «гранитный» и подлежащий «базальтовый» слои (по терминологии Г. Джеффриса, 1926 г.), разделяемые так называемой поверхностью Конрада. Вместе с тем обосновывается представление о наличии в верхней мантии сейсмического волновода («астеносферы», по Дж. Баррелу, 1914 г.), который трактуется как пластичная оболочка, что детально обосновывается Б. Гутенбергом с 1926 г. В сейсмических моделях Г. Джеффриса (с 1924 г.) волновод отсутствует. В 1936 г. И. Леман открыла второе, «внутреннее» ядро Земли, которое, согласно почти общепринятой сейсмической модели К- Бул-лена (40—50 гг.), является твердым, тогда как «внешнее» ядро — жидкое.

      Дальнейшее  развитие сейсмической картины геосфер связано с детализацией и уточнением этих открытий отчасти путем увязки сейсмических данных с термическими, электромагнитными, гравитационными, радиологическими. В отличие от фундаментальных физических полей сейсмическое поле представляет собой область изменения упругих характеристик вещества, распределения его механических свойств — иными словами, оно является «квазисферой». Данные по квазисферам — сейсмической, термической, барической — в сочетании с характеристиками сфер фундаментальных полей — гравитационного, электромагнитного, радиоактивного — становятся источником сведений об агрегатных и фазовых состояниях глубинных вещественных геосфер. Так, например, А. Ф. Капустинским (1956 г.) обосновывалась гипотеза наличия в земном ядре ядерной плазмы; предшественниками Капустинского в этом были Н. А. Морозов, В. Н. Лодочников, отчасти В. Рамзей.

      Геохимическая интерпретация состава геосфер, проводившаяся параллельно с  построением геофизических схем, связывалась либо с признанием метеоритной  аналогии (Ф. Кларк, 1908 г.; Г. Вашингтон, 1925 г.), либо с отрицанием таковой (Вернадский, 1909 г.; Г. Линк, 1924 г.). Стали разрабатываться физико-химические модели процессов дифференциации оболочек (В. Гольдшмидт, 1922 г.; Г. Тамман, 1928 г.; П. Ниггли, 1928 г.). Согласно Гольдшмидту, Земля расслоилась по атомным объемам на сидерофильное ядро, халькофильную и литофильную оболочки, атмосферу; Ниггли отрицал концентрацию сульфидов в виде промежуточного слоя. Проявляется тенденция взаимоувязки геохимии геосфер с космохимическими процессами (П. Н. Чирвинский, 1919 г.; А. Е. Ферсман, 1923 г.). Возникает проблема послойного распределения радиоактивных элементов, от чего зависит термическая история Земли (Д. Джоли, 1929 г.; А. Холмс, 1931 г.; В. И. Вернадский, 1934 г.; В. В. Белоусов, 1943 г.). Геохимические модели получают минералогические и петрографические интерпретации состава геосфер, особенно для коры и верхней мантии (Р. Дели, 1914 г.; Н. Боуэн, 1928 г.; В. Н. Лодочников, 1939 г.; П. Эскола, 1946 г.).

      Геотектонические  концепции основывались на геологических  обобщениях и моделях физических геосфер, менее учитывая геохимические  их трактовки. Поэтому и контракционная гипотеза долго оставалась наиболее распространенной. В связи с гипотезой изостазии возник тектонический мобилизм: представление о дрейфе материков, плавающих в вязком подкоровом слое (Ф. Тейлор, 1910 г.; А. Вегенер, 1915 г.; А. Дю-Тойт, 1937 г.). Потребность объяснения тектонических процессов вызвала предположения о горизонтальной неоднородности глубинных геосфер и о конвекционных течениях в них (О. Апмферер, 1906 г.; К. Андре, 1914 г.; Р. Швиннер, 1920 г.; Э. Хаарман, 1930 г.; А. Холмс, 1931 г.; Б. и С. Виллисы, 1941 г.). Эмпирическое геоформационное, петрографическое и минералогическое исследование стратисферы и подстилающей ее кристаллической «гранитно-метаморфической» оболочки проводилось в связи с прогнозами, поисками и разведками полезных ископаемых. Практическими потребностями обусловливались исследования почвенной оболочки.

      Гидросфера, целостное понимание которой  обосновывалось лишь некоторыми учеными (Дж. Меррей, 1910 г.; Вернадский, 1933—1936 гг.), становится объектом раздельно развивающихся  наук: океанологии, гидрологии суши, гидрогеологии; обособляются также геокриология — наука о слое мерзлых грунтов, или так называемой вечной мерзлоте, а также гляциология и снеговедение — науки о ледовом и снежном покровах. Комплексный характер приобрели исследования атмосферы метеорологией и климатологией. Высотным зондированием было установлено термобарическое разделение атмосферы на тропосферу и стратосферу (Л. Тейсеран де Бор, 1906 г.), а с 20-х гг. выделена вышележащая мезосфера (В. И. Виткевич, Г. Добсон). Открытие радио привело в 1902 г. к установлению ионосферы (А. Кеннели, О. Хевисайд), сложная структура и состав которой стали расшифровываться с 20-х гг. (М. В. Шулейкин, С. Чепмен).

      В 1910 г. П. И. Броунов обосновывает представление  о комплексной земной оболочке —  объекте общей физической географии. Эта геооболочка получила название географической оболочки (А. А. Григорьев, 1932 г.; С. В. Калесник, 1940 г.). В концепции географической оболочки, развивавшейся Григорьевым, главное значение придавалось климатическому фактору, тогда как при изучении примерно того же объекта Вернадский делал акцент на биогенные факторы. По пути обоснования ландшафтной геооболочки шли исследования 3. Пассарге (с 1908 г.) и Л. С. Берга (с 1913 г.). Существовавший разрыв между целостным геосферным подходом и регионально-ландшафтным изучением географической оболочки стал «заполняться» разработкой таксономической иерархии подсистем этой геооболочки (Пассарге, 1933 г.; Л. Г. Раменский, 1938 г.; Калесник); трудности при этом возникали в установлении соотношений зональных и азональных геосистем. Развивается также более широкая концепция географической сферы, объединяющей в одной системе природные и общественные явления («земная оболочка» А. Геттнера и Р. Хартшорна; «геосфера» Г. Кароля).

      Новый синтез оболочечной концепции Земли  принадлежал В. И. Вернадскому (1924, 1926, 1944 гг.). Он писал: «Некоторые формы нахождения элементов — магмы, рассеяния, молекулы и кристаллы (минералы), живые вещества — не могут быть сведены ни к фазам, ни к химическому элементарному составу вещества, а между тем они характеризуют особые геосферы. Такие геосферы, или оболочки (как, например, биосфера), научно установлены как особые системы динамических равновесий таким огромным количеством эмпирических фактов, что они ни в коем случае не могут быть оставлены без внимания». Вернадским различаются геосферы, выделяемые по одному особому параметру (термодинамические, фазовые, энергетические и др.), а также земные оболочки второго рода, которые являются многокомпонентными системами, охватывающими несколько геосфер первого рода. К оболочкам второго рода относятся «земная кора» (геологическая оболочка) и биосфера, понимаемая (в отличие от Зюсса) как система косного и «живого» вещества. Оболочки второго рода являются «парагенетическими» геосферами; для них характерны не физико-механические свойства, а организованность и саморазвитие. Так, биосфера как целостная совокупность автономных гео и биосистем обладает полем внутреннего динамического равновесия, тогда как термодинамическое поле определяет лишь область существования биосферы и ее подсистем. Земная кора, включающая гранитную, метаморфическую, осадочную оболочки, а также ландшафтную оболочку («геохору» — термин Л. С. Берга), гидросферу и тропосферу, рассматривается не традиционно — как кора застывания, а в качестве сложноорганизованной геологической системы.

      Развернуто  излагает Вернадский теорию биосферы, гидросферы и геохимических оболочек. Земная кора рассматривается в качестве «былых биосфер». Особенное значение придается связи геосфер с  Космосом, их симметрии и диссимметрии, а также пространственно-временным последовательностям и пересечениям. Концепция геосфер включает неклассические представления о различных состояниях пространства и времени. В. И. Вернадский обосновывает понятие о новом специфическом состоянии (стадии) биосферы — о сфере разума, или «ноосфере» (термин введен в 1927 г. Е. Ле Руа и Тейяр де Шарденом в связи с парижскими лекциями Вернадского о биосфере). Вернадский подчеркивал научное своеобразие понятия ноосферы: «В нашем построении окружающей природы у нас нет, казалось бы, места для человеческого разума как геологической силы, так как он не является формой энергии». Синтез Вернадского на долгие годы остается единственным в учении о геосферах.

Современная концепция геосфер 

      С середины нашего века, несмотря на дальнейшую дифференциацию естествознания, взаимодействие наук при изучении геосфер усилилось, при этом активнее стали пересматриваться классические представления. «Горячие» космогонии, подвергнутые радикальной критике (В. И, Вернадский; Г. Рессел, 1935 г.; Н. Н. Парийский, 1946 г.), уступают место «холодным» космогониям в планетизимальном и небулярном вариантах (О. Ю. Шмидт, 1943 г.; Дж. Коппер, 1949 г.; В. Г. Фесенков, 1960 г.) с учетом также космохимических и электромагнитных процессов (Г. Юри, 1952 г.; X. Альвен, 1958 г.; Ф. Хойл, 1960 г.); тем самым проблема происхождения и развития геосфер получает более разнообразные пути решения.

      Согласно  господствующим ныне представлениям, Земля возникла из рассеянного околосолнечного  газово-пылевого вещества, состоящего из всех химических элементов, и претерпела постепенный разогрев за счет радиоактивности, в процессе чего дифференцировались геосферы. По распространенной гипотезе А. П. Виноградова (с 1959 г.), основывающейся на хондритовой модели Земли, в результате «зонной плавки» из мантии образовалась легкая земная кора, а также в процессе дегазации — гидросфера и атмосфера. Представления о горизонтальной неоднородности всех геосфер, а также об их динамичности и эволюции стали господствующими. Вместе с тем метеоритная модель по-прежнему подвергается критике; защищаются также представления о контракционном сжатии и о невозможности конвективных перемещений (Г. Джеффрис, 1970 г. и др.).

      Геофизическое, геохимическое и геологическое  «открытие» Луны и зондирование других планетных тел позволили приступить к построению моделей их геосфер, но не дали пока однозначных ответов на коренные вопросы структуры и состава внутренних оболочек планет земного типа.