Особенности формирования научного мировоззрения учащихся при изучении эволюции Земли в рамках дисциплин естественно-научного цикла

Тип работы:
Дипломная
Предмет:
Педагогика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Дипломная работа

Особенности формирования научного мировоззрения учащихся при изучении эволюции Земли в рамках дисциплин естественно-научного цикла

Содержание

  • Введение
    • Глава 1. Состояние вопроса в современной российской школе
    • Глава 2. Происхождение земли
    • 2.1 Ранние фазы эволюции Земли
    • 2.2 Основные этапы эволюции Земли
    • 2.3 Внутреннее строение Земли
    • 2.4 Внешние оболочки Земли
    • Глава 3. Методические разработки
    • Урок № 1. «Земля — наш общий дом. Строение и эволюция Земли»
    • Урок № 2. Обобщающий урок природоведения по теме «Земля»
    • Урок № 3. Обобщающий урок-игра по теме: «Вселенная»
    • Урок № 4. Географический КВН «Атмосфера и гидросфера»
    • Тесты
    • 3.1 Задания с кратким ответом
    • 3.2 Задания с развернутым ответом
    • Обсуждение результатов. Выводы
    • Литература

Введение

«Если бы на Земле было только

одно место, откуда видны звезды,

то к нему стекались бы люди

со всего света, чтобы насладиться

торжественной красотой ночного

небосвода. «

А. Сенека

Актуальность выбранной темы исследования обусловлена тем, что вопрос о жизни на других планетах в огромном пространстве Вселенной, о происхождении и эволюции Земли, о загадках космоса всегда вызывает интерес. А интерес учащихся к теме — это инструмент педагога, позволяющий намного облегчить усвоение материала и повысить качество знаний. К тому же теоретический анализ проблемы и разработка мероприятий по теме «Эволюция Земли и Вселенной» с использованием новых методических приемов позволит решать задачи естественнонаучного образования, в том числе формирование экологического и научного мировоззрения [1]. Кроме того, возрастание значимости экологических проблем требует постоянно изыскивать пути, дополнительные резервы повышения уровня преподавания естественнонаучных дисциплин, позволяющего формировать правильное отношение к окружающей среде и понимать закономерности развития природы.

Исходя из актуальности исследования, основной целью данной дипломной работы являлось:

Исследование возможности наполнения темы «Эволюция Земли и Вселенной» научным и экологическим содержанием.

В связи с этим в дипломной работе решались следующие конкретные задачи:

1) обзор и анализ существующих школьных программ по изучению темы «Эволюция Земли и Вселенной»;

2) разработка уроков с экологическим содержанием в рамках темы «Эволюция Земли и Вселенной»;

3) составление тестовых заданий по изучаемой теме;

4) апробация разработанных методик в школе-гимназии № 14 г. Нальчика;

оценка уровня сформированности знаний при изучении тем по разработанным методическим подходам.

Предмет исследования — возможности введения в практику обучения научных и экологических аспектов при изучении темы «Эволюция Земли и Вселенной» и выбор соответствующих форм организации занятий.

Объект исследования — познавательная деятельность учеников пятых классов средней школы МОУ № 14 г. Нальчика.

Гипотеза — разработка и реализация новых методических подходов к изучению темы «Эволюция Земли и Вселенной» с акцентированием на научные и экологические аспекты позволит сформировать положительную мотивацию к учению и сделать очередной шаг в процессе формирования научного и экологического мировоззрения учащихся [2, 3].

Глава 1. Состояние вопроса в современной российской школе

Естествознание — одно из звеньев в системе общего образования. Как многократно подчеркивал в своих трудах русский ученый, методист Н. М. Верзилин, курс естествознания имеет важное значение в развитии и воспитании подрастающего поколения, в совершенствовании общей культуры школьников, развитии творческой личности, осознающей свою ответственность перед обществом за сохранение жизни на нашей планете.

В настоящее время актуальность приобретают цели, связанные с формированием у школьников целостного научного мировоззрения, развитием экологической культуры, созданием предпосылок для вхождения в открытое информационно-образовательное пространство, а также разностороннее развитие детей, их познавательных интересов, творческих способностей, навыков самообразования, способствующих самореализации личности [4]; [5].

В условиях модернизации образования проблема школьного учебника является точкой пересечения таких важных направлений совершенствования процесса обучения, как отбор дидактически целесообразного и обязательного для усвоения всеми учащимися учебного материала, организация учебной деятельности, развитие познавательного интереса учащихся [6]; [7].

Все учебно-методические комплекты разработаны в соответствии с государственным образовательным стандартом и федеральным базисным учебным планом, утвержденным Министерством образования и науки РФ. Учебники для 5х классов включены в Федеральный перечень учебных изданий, рекомендованных (допущенных) к использованию в образовательном процессе в образовательных учреждениях, реализующих образовательные программы общего образования и имеющих государственную аккредитацию.

Представляемые учебно-методические комплекты по естествознанию позволяют решить задачу преемственности, как в изучении учебного материала, так и в формировании способов деятельности, расширения образовательного пространства учащихся. Все учебные пособия ориентированы на общий подход к определению целей изучения предмета [8].

Так, на ступени основного общего образования, содержание учебников [9] способствует достижению образовательных целей:

освоение знаний о живой природе и присущих ей закономерностях;

овладение умениями применять знания для объяснения процессов и явлений живой природы, жизнедеятельности организма;

развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей в процессе проведения наблюдений за живыми объектами, биологических экспериментов, работы с различными источниками информации;

воспитание позитивного ценностного отношения к живой природе, собственному здоровью и здоровью других людей; культуры поведения в природе;

использование приобретенных знаний и умений в повседневной жизни [10].

На ступени начального образования учебники ориентированы на достижение учащимися четырех видов компетентности:

мировоззренческой, предполагающей усвоение учащимися знаний мировоззренческого характера для формирования научного мировоззрения, развитие понимания ценности природы и жизни;

методологической, включающей ознакомление учащихся с методами научного познания;

теоретической, означающей усвоение учащимися фундаментальных и прикладных научных теорий, ознакомление с основными закономерностями развития живой природы;

практической, отражающей понимание учащимися науки как части культуры и производительной силы [11].

В учебниках реализованы одинаковые принципы отбора содержания учебного материала: соответствие требованиям развития общества, культуры и личности; единство содержательной и процессуальной сторон (что отвергает одностороннюю предметно-научную ориентацию); структурное единство компонентов содержания.

Доминирующий способ организации учебной деятельности ученика — проблемно-поисковый. В учебниках к каждому разделу параграфа предлагаются проблемные вопросы, активизирующие познавательную деятельность учащихся [12].

Композиция и методический аппарат учебников определяют его структуру. Учебный материал, изложенный в основном тексте, передает главное содержание издания и обеспечивает изложение обязательного минимума содержания. Он включает базовую, обязательную для овладения предметом информацию, отраженную в учебной программе. Дополнительный текст (в учебниках он выделен в рубрику «Для любознательных») сопровождает основной и способствует повышению познавательной мотивации учащихся. Он включает: документы, хрестоматийный аппарат, биографические и статистические сведения, справочные материалы, выходящие за рамки предмета. Пояснительный текст представлен в виде памяток, сносок, пояснений к иллюстрациям, таблицам, введений к учебникам, предметного указателя и т. д. Пояснительные тексты выполняют функции по организации и осуществлению самостоятельной учебной деятельности школьника.

Большое внимание в учебниках линии уделено разработке методического аппарата. Аппарат организации усвоения включает вопросы, задания на повторение изученного, упражнения на закрепления в виде схем, таблиц и направлен на:

организацию самостоятельной и групповой работы;

использование дополнительных источников информации;

закрепление и систематизацию знаний;

реализацию принципа индивидуализации обучения;

выявление творческого потенциала учащихся.

Элементы аппарата ориентировки представлены в тексте посредством выделения основных изучаемых понятий, терминов, правил, условных обозначений (например, восклицательного и вопросительного знаков, раскрытой книги), с помощью рубрикатора и использования цветовых выделений в тексте.

Иллюстративный материал в содержании учебников представлен красочными схемами, рисунками, фотографиями и микрофотографиями, картами, комплексными иллюстрациями.

Реализация дидактических задач иллюстративного ряда в учебниках и учебных пособиях обеспечивается определенной направленностью отбора иллюстраций и порядком их расположения, а также введением специальных вопросов, фиксирующих внимание на особенностях изображения. Авторы учебников совместно с художниками и методистами стремились учитывать возрастные особенности восприятия наглядной информации. Так, например, школьники младших классов относятся к визуальному ряду как к источнику предметной информации, обращаются к изображениям для более точного понимания смысла текста. Поэтому для данной группы обучаемых использовались иллюстрации, отражающие реально существующие объекты, процессы, явления в самой науке.

Все учебно-методические комплекты разработаны на основе программ, соответствующих государственным образовательным стандартам и федеральному базисному учебному плану, утвержденным Министерством образования и науки РФ [13].

Проведем анализ учебников по естествознанию, используемых в школах города Нальчика.

В ряде учебников по естествознанию (природоведению) для 5 класса сделана попытка изложения интегрированных знаний. Однако при этом сохраняются весьма четкие границы между разделами по физике, химии, биологии и географии. Нужно было найти идею, вокруг которой возможна более глубокая интеграция разных областей природоведческих знаний [8]; [9];. [10]; [12]; [13].

Такой объединяющей идеей стал учебник «Естествознание» 5 класс под редакцией Т. С. Сухова, В. Н. Строганов [12]. Концепция учебника:

Формирование у учащихся понятий и представлений о целостности и системности материального мира — одна из сложнейших задач естественно-научного образования. Главная проблема — как доступно для понимания детей раскрыть сложнейшие основы естествознания, имеющие мировоззренческое значение в дальнейшем изучении законов природы

Учебный материал методически выстроен так, чтобы учащиеся могли устанавливать аналоги между объектами живой и не живой природы, сравнивать и сопоставлять биологические, физические, химические и географические явления, обнаруживать их взаимосвязи и взаимозависимости.

Методический аппарат учебника органично вплетается в содержательную его часть: вопросы, поисковые задачи, домашние задания предлагаются не в конце изучения темы или параграфа, а по ходу обсуждения той или иной проблемы; учебный текст дается в минимальном объеме, зато увеличено количество фотографий и рисунков как наглядных поисковых задач.

Так же в учебнике представлены опыты, рисунки-задания, лабораторные работы для того, чтобы пробудить интерес к предмету, а главное — развить самостоятельное мышление, необходимое для общения с природой и ее познания.

Методический аппарат внутри текста учебника не ограничивает творчество учителя. Являясь ориентиром в педагогическом поиске, сценарии уроков помогут учителю сосредоточить внимание на системе знаний, углубленной работе над стержневыми понятиями естествознания.

Программа «Естествознание» для 5 класса, согласно базисного учебного плана, предлагается 68 часов в год (2 часа в неделю). Основная задача курса — формирование у учащихся понятий и представлений о целостности и системности материального мира (от макромира — Вселенной до микромира — молекул и атомов).

Курс 5 класса организуется в последовательности, позволяющей формировать представление о системности материального мира. Работа над ведущими понятиями строиться «по спирали»:

Тематический блок

Ведущая образовательная идея

(содержание)

Тела в природе

Многообразие и общая характеристика тел. Доказательства существования взаимосвязей между телами. Физические силы, обусловливающие взаимодействие тел.

Вещества. Молекулы и атомы

Многообразие и общая схема строения веществ. Доказательства взаимного влияния частиц вещества. Силы, вызывающие взаимодействие частиц вещества.

Энергия

Виды энергии. Доказательства существования разных видов энергии. Превращение одного вида энергии в другой.

Единство и взаимосвязи материального мира

Системная организация природы. Уровни организации живого. Доказательства взаимосвязи живого и неживого в биосфере.

Все блоки основываются на развитии общих для живой и неживой природы понятий, что позволяет логически завершить курс 5 класса блоком «Единство и взаимосвязи материального мира».

Значительно усилены экологические аспекты, отражающие взаимосвязи в природе, т. е. единство материального мира [13].

Планирование по данному курсу:

№ темы

Название темы

Количество часов

1

Природа как система

3

2

Как человек познает природу

4

3

Тела в природе

16

4

Взаимодействие тел. Силы в природе

8

5

Вещества

13

6

Молекулы и атомы

8

7

Энергия

3

8

Единство мира

4

9

Задания на лето

1

Вывод: проведя обзор школьных программ и всех учебных пособий по «Естествознанию» для 5 класса установлено, что многие современные учебники построены таким образом, что основную часть учебника занимают картинки и наглядно иллюстрированные опыты, для облегчения понимания данного курса для пятиклашек. Ключевые моменты во многих источниках выделены из общего текста для наилучшего запоминания учащихся. К сожалению, большой объем изучаемой на уроке информации практически не оставляет места для решения задач на закрепление пройденного материала. Остается задать на дом несколько заданий или сочинить подобные, на работу с рисунками из учебников [8]; [9]; [10]; [11]; [12]; [14] [15].

Глава 2. Происхождение земли

Современные гипотезы образования Земли и других планет солнечной системы основаны на выдвинутой в VIII в.И. Кантом (Германия) и независимо от него П. Лапласом (Франция) концепции образования планет из пылевого вещества и газовой туманности.

Кант и Лаплас обратили внимание на то, что Солнце горячее, а Земля холодная и по своему размеру много меньше, чем Солнце. В то же время Земля — лишь одна из планет. Все планеты обращаются по окружностям, в одну и ту же сторону и почти в одной и той же плоскости. Это составляет основные отличительные черты Солнечной системы, которые должны быть объяснены в первую очередь.

Кант и Лаплас утверждали, что в природе все непрерывно изменяется, развивается. И Земля и Солнце раньше не были такими, какие они сейчас, а составляющее их вещество существовало совсем в другом виде.

Лаплас обосновал свою гипотезу более убедительно. Он считал, что когда-то Солнечной системы не было, а была первичная разряженная и раскаленная газовая туманность с уплотнением в центре. Она медленно вращалась, и размеры ее были больше, чем теперь поперечник самой удаленной от Солнца планеты.

Гравитационной притяжение частичек туманности друг к другу приводило к сжатию туманности и уменьшению ее размеров. Согласно закону сохранения момента импульса при сжатии вращающегося тела скорость его вращения возрастает. Поэтому при вращении туманности большое количество частичек на ее экваторе (которые вращались быстрее, чем у полюсов) отрывались, или, точнее, отслаивались от нее. Вокруг туманности возникало вращающееся кольцо. Вместе с тем туманность, шарообразная вначале, вследствие центробежной силы сплющивалась у полюсов и становится похожей на линзу.

Все время сжимаясь и ускоряя свое вращение, туманность постепенно отслаивала от себя кольцо за кольцом, которые вращались в одну и ту же сторону и в одной и той же плоскости. Газовые кольца имели неоднородности плотности. Наибольшее сгущение в каждом из колец постепенно притягивало к себе остальное вещество кольца. Так каждое кольцо превращалось в один большой газовый клубок, вращающийся вокруг своей оси. После этого с ним повторялось то же, что с огромной первичной туманностью: он превращался в сравнительно небольшой шар, окруженный кольцами, опять сгущавшимися в небольшие тела. Последние, охладившись, становились спутниками больших газовых шаров, обращавшихся вокруг Солнца и после затвердевания превратившихся в планеты. Наибольшая часть туманностей сосредоточилась в центре; она не остыла до сих пор и стала Солнцем.

Гипотеза Лапласа была научной, поскольку основывалась на законах природы, известных из опыта. Однако после Лапласа были открыты новые явления в Солнечной системе, которые его теория не могла объяснить. Например, оказалось, что планета Уран вращается вокруг своей оси не в ту сторону, куда вращаются остальные планеты. Были лучше изучены свойства газов и особенности движения планет и их спутников. Эти явления также не согласовывались с гипотезой Лапласа и от нее пришлось отказаться [16].

Известный советский ученый академик О. Ю. Шмидт предложил гипотезу, согласно которой Земля и другие планеты никогда не были раскаленными газовыми телами, подобными Солнцу и звездам, а должны были образоваться из холодных частиц вещества. Эти частицы первоначально двигались беспорядочно. Затем их орбиты становились круговыми и располагались примерно в одной и той же плоскости. При этом направление вращения частиц в какую-либо определенную сторону со временем начинало преобладать, и в конце концов все частицы стали вращаться в одну и ту же сторону.

В результате столкновения частиц при первоначальном беспорядочном движении энергия их движения частично переходила в тепло и рассеивалась в пространство. Расчеты показали, что в результате этих процессов шарообразное облако постепенно сплющивалось и наконец стало по форме похожим на блин. Далее гравитационное взаимодействие привело к росту более крупных частиц путем захвата ими мелких частиц. Таким образом, большая часть пылинок собралась в несколько гигантских комков вещества, которые стали планетами.

Согласно оценкам, полученным Шмидтом, для образования Солнечной системы потребовалось 6−7 млрд. лет, что по порядку величины согласуется с данными, полученными в результате изотопического анализа.

По гипотезе Шмидта Земля никогда не была огненно-жидкой, а разогрев внутренней области Земли произошел в результате ядерных реакций распада тяжелых элементов, входящих в состав первоначального вещества [17]; [18]; [19].

2.1 Ранние фазы эволюции Земли

Земля, как и другие планеты, пережила ранние фазы эволюции — фазу аккреции («рождения») и фазу расплавления внешней сферы земного шара и фазу первичной коры («лунную фазу»).

Фаза аккреции — это образование ее из хаотического роя твердых, преимущественно каменных, некрупных тел и пылевых частиц. Ее надо представлять себе, как непрерывное выпадение на растущую Земли относительно все большего количества крупных тел, укрупняющихся в своем полете при соударениях между собой, и притяжением к себе более удаленных мелких частей материи. Вместе с крупными телами на Землю падали макрообъекты — планетезимали, неудавшиеся планеты. Они имели размеры астероидов или некрупных спутников больших планет.

В фазу аккреции Земля приобрела приблизительно 95% современной массы, на что потребовалось по разным оценкам от 17 млн. лет до 400 млн. лет, в период с 4,6 по 4,2 млрд. лет назад. Во время аккреции Земля долго оставалась холодным космическим телом, и только в конце этой фазы, когда началась предельно интенсивная бомбардировка ее крупными объектами, произошло сильное разогревание, а затем полное расплавление вещества внешней зоны планеты.

Фаза расплавления внешней сферы Земли устанавливается сообразно с ранней историей других планет, в первую очередь Луны, а также Меркурия, Марса. Лунная поверхность образована магматическими породами, которые отвердели 4,0 млрд. лет назад, т. е. до этого Луна была расплавленным шаром. К этому же времени относят образование у Земли ядра, мантии и коры. Образование ядра создало условия для образования у Земли диполярного магнитного поля. Установление на Земле самых древнейших палеомагнитных пород с возрастом 3,7 млрд. лет — свидетельство существования в то время ядра, и естественно, мантии Ландшафты того далекого времени были уникальны. Вся поверхность Земли представляла собой океан раскаленного тяжелого расплава с прорывающимися из него газами. В этот своеобразный океан продолжали стремительно врываться как малые, так и крупные космические тела, удары которых о жидкую поверхность вызывали образование всплесков, фонтанов и другие формы взлета и падения тяжелой жидкости. Над раскаленным океаном простиралось сплошь укутанное густыми тучами небо, с которого на поверхность не падало ни капли воды.

Лунная фаза. Остывание расплавленного вещества внешней сферы Земли вследствие излучения тепла в космос и ослабления метеоритной бомбардировки, не могущей компенсировать потерю тепла, привело к образованию тонкой первичной коры базальтового состава. В раннюю историю Земли происходило и формирование гранитного слоя материковой коры. Самые древние из выявленных гранитных интрузий имеют возраст не менее 3,5 млрд. лет, т. е. они, безусловно, доархейские. В течение всей фазы формирования коры, поверхность которой имела температуру выше 100° С, продолжалось выпадение преимущественно крупных тел. На всей поверхности нашей планеты создавался типичный для всех других планет земной группы рельеф ударных кратеров. Из-за широкого распространения метеоритных кратеров фаза существования ранней коры называется также «лунной фазой» назвал время первичной горячей коры, когда происходила ее бомбардировка крупными объектами, временем гигантской бомбардировки, датируя ее интервалом от 4,2 до 3,8 млрд. лет назад.

В лунную фазу существования Земля постепенно охлаждалась от температуры плавления базальтов (1000° - 800°) до 100° С. С преодолением температурного рубежа + 100° С связано все последующее преобразование природной среды и эволюция земной коры.

Геологическое время эволюции Земли это принципиально новый период развития нашей планеты в целом, особенно ее коры и природной среды.

Как только температура опустилась ниже 100° С, состояние воды, которая находилась в атмосфере в виде горячего пара, изменилось. Водяные пары атмосферы, а в них была сосредоточена практически вся гидросфера Земли, почти целиком превратились в жидкость, наиболее активное состояние воды по сравнению с ее газовой и твердой фазами. Сухая до того времени Земля стала необычайно обводненной. Сформировались поверхностный и грунтовый стоки, возникли водоемы, и, наконец, океаны.

Начался круговорот воды в природе [20].

Если помимо внешней сферы Земли расплавлялась и центральная область, то на планете могли образоваться океаны, близкие по объему современным. После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100° С на ней образовалась огромная масса жидкой воды, которая представляла собой не простое скопление неподвижных вод, а находящихся в активном глобальном круговороте. Несмотря на эволюцию этого круговорота в ходе времени, основные особенности его сохранились неизменными. В структурном отношении круговорот, как и в настоящее время, распадался на звенья: атмосферное (испарение, перенос влаги, осадки), литосферное (поверхностный и подземный стоки) и океаническое. В процессе функционирования круговорота воды в природе происходит поглощение солнечной энергии и распределение ее по земному шару. Вода благодаря своей необычайной подвижности и химической активности вступает во взаимодействие с природными компонентами, способствуя их взаимосвязям, чем и обеспечивает формирование того глобального природного комплекса, который в настоящее время называется географической оболочкой [21].

2.2 Основные этапы эволюции Земли

История Земли по современным представлениям насчитывает примерно 4,6 млрд. лет. Многочисленные результаты исследования земной коры (химический состав и структура горных пород, их распределение по глубине, содержание радиоактивных изотопов, остатков ископаемых живых организмов) позволили установить картину формирования и развития планеты, определить возраст биосферы. Вся история существования Земли подразделяется на временные отрезки, для каждого из которых характерны определенные физические, химические, климатические условия, а также этапы эволюции живой природы [22].

Возраст горных пород определяется по анализу изотопического состава и, в частности, по радиоуглеродному анализу. Суть его заключается в том, что в тканях живых организмов содержится небольшое и постоянное количество углерода С14, который распадается с периодом полураспада 5760 лет. В результате такого распада отношение масс С14 к С12 в остатках живых организмов уменьшается со временем, прошедшем после смерти организма. Определяя это отношение в породах, содержащих остатки живых организмов можно рассчитать возраст этих пород.

Временные отрезки геохронологической шкалы подразделяют на эры, периоды и т. д. Первый, самый ранний временной отрезок, называемый «катархей» или «лунный период», соответствует формированию Земли, ее атмосферы, водной среды, о которых подробнее указано выше. Жизни на протяжении первых 1 — 1,5 млрд. лет не существовало ни в какой форме, поскольку еще не возникли соответствующие физико-химические условия. На раннем этапе происходили интенсивные тектонические процессы, сопровождавшиеся перераспределением по глубине Земли химических элементов и соединений. Ядерные реакции распада, происходившие в центре и глубинных слоях планеты (они имеют место и сейчас) способствовали разогреву Земли. В атмосфере преобладали соединения серы, хлора, азота, содержание кислорода было в сотни раз меньше, чем сейчас. Более тяжелые элементы перемещались к центру Земли и затем сформировали ядро, более легкие — к поверхности. Интенсивные вулканические и грозовые процессы способствовали формированию водной среды — в ней и начали образовываться первые механические молекулы [22]; [23]; [24].

Архей и протерозой — две наиболее крупные эры, в течение которых начала формироваться жизнь на уровне микроорганизмов. Эти две эры объединяют в «надэру» — криптозой (время скрытой жизни).

Первые многоклеточные организмы появились в самом конце протерозоя около 600 млн. лет назад. Примерно 570 млн. лет назад, когда на Земле практически сформировались благоприятные условия для жизни, началось бурное развитие живых организмов. С этого момента наступило «время явной жизни» — фанерозой. Этот отрезок геологической истории подразделяют на 3 эры — палеозой, мезозой и кайнозой. Последняя эра с точки зрения геологии продолжается до сих пор. Следует отметить, что появление и развитие жизни на земле привело к значительному изменению твердой оболочки Земли (литосферы), гидросферы и атмосферы, а возникновение разумной жизни (человека) за короткий временной интервал вызвало глобальные изменения в эволюции планеты.

Различия в составе горных пород от одной эпохи (периода) к другой в свою очередь обусловлены резкими изменениями природно-климатических и физических условий на планете. Установлено, что климат на Земле многократно менялся; потепления сменялись резкими похолоданиями, происходили поднятия и опускания суши. Случались и крупные космические катастрофы: столкновения с метеоритами, кометами и астероидами. На Земле обнаружено большое число метеоритных кратеров крупных размеров. Самый крупный из них на полуострове Юкатан имеет диаметр более 100 км; его возраст — 65 млн. лет, практически совпадает с окончанием мелового и началом палеогенового периода. Многие палеонтологи именно с этой крупнейшей катастрофой связывают вымирание динозавров.

Изменения климата и температуры во многом обусловлены астрономическими факторами: наклоном земной оси (многократно менялся), возмущениями планет-гигантов, активностью Солнца, движением Солнечной системы вокруг Галактики. Согласно одной из гипотез резкие изменения климата происходят раз в 210 — 215 млн. лет (галактический год), когда Солнечная система, обращаясь вокруг центра Галактики, проходит через газопылевое облако. Это способствует ослаблению солнечного излучения и, как следствие, похолоданию на планете. В эти моменты на Земле наступают ледниковые эпохи — появляются и растут полярные шапки. Последняя ледниковая эпоха началась примерно 5 млн. лет назад и продолжается до сих пор. Ледниковая эпоха характеризуется периодическими колебаниями температуры (раз в 50 тыс. лет). При похолоданиях (ледниковый период) ледники могут распространяться от полюсов к экватору до 30 — 40 градусов. Сейчас мы живем в «межледниковый» период ледниковой эпохи. Наследство ледниковой эпохи — зона вечной мерзлоты (в России свыше половины ее территории) [25]; [26].

2.3 Внутреннее строение Земли

Материалы, слагающие твердую Землю непрозрачны и плотны. Прямые исследования их возможны лишь до глубин составляющих ничтожную часть радиуса Земли. Самые глубокие пробуренные скважины и имеющиеся в настоящее время проекты ограничены глубинами 10 — 15 км, что составляет немногим более 0,1% от радиуса. Возможно, что проникнуть на глубину более нескольких десятков километров не удастся. Поэтому сведения о глубоких недрах Земли получают, используя лишь косвенные методы. К ним относятся сейсмический, гравитационный, магнитный, электрический, электромагнитный, термический, ядерный и другие методы. Наиболее надежным из них является сейсмический. Он основан на наблюдении сейсмических волн, возникающих в твердой Земле при землетрясениях. Подобно тому как рентгеновские лучи позволяют исследовать состояние внутренних органов человека, сейсмические волны, проходя через земные недра, дают возможность составить представление о внутреннем строении Земли и об изменении физических свойств вещества земных недр с глубиной. Сейсмические волны подразделяются на продольные и поперечные в соответствии с тем, что смещение вещества при колебаниях направлено вдоль и поперек направления распространения волны. Продольные волны могут распространяться как в жидкости, так и в твердом веществе, а поперечные — только в твердых породах. Кроме того, скорость продольных волн в твердом веществе примерно в 1,7 раза превышает скорость поперечных волн. Располагая сетью сейсмических станций на поверхности Земли, записывая показания приборов, регистрирующих землетрясения — сейсмографов и сравнивая эти показания, можно определить эпицентр землетрясения, а также скорость распространения волн в различных внутренних областях планеты. Поскольку скорость распространения волн зависит от плотности и упругости вещества, можно получить данные об этих параметрах, а также об агрегатном состоянии вещества (жидкое или твердое) во всей внутренней области Земли.

Помимо пассивного исследования сейсмических волн в настоящее время применяют метод глубинного сейсмического зондирования. Этот метод заключается в использовании генерируемых с помощью взрыва сейсмических волн, которые регистрируются сейсмографами, установленными с интервалом всего 200 — 500 м друг от друга. Этот метод дает самые надежные результаты, однако практическое использование его требует больших денежных затрат. В результате сейсмических исследований было определено, что внутренняя область Земли неоднородна по своему составу и физическим свойствам, и образует слоистую структуру (рис. 1). Здесь мы лишь кратко перечислим размеры и основные физические параметры этих слоев:

Рис. 1. Внутренние оболочки Земли

1. Верхний слой Земли называется земной корой и подразделяется на несколько слоев. Самые верхние слои земной коры состоят преимущественно из пластов осадочных горных пород, образовавшихся путем осаждения различных мелких частиц, главным образом в морях и океанах. В этих пластах захоронены остатки животных и растений, населявших в прошлом земной шар. Общая мощность (толщина) осадочных пород не превышает 15 — 20 км.

Различие скорости распространения сейсмических волн на континентах и на дне океана позволило сделать вывод о том, что на Земле существуют два главных типа земной коры: континентальный и океанический. Мощность коры континентального типа в среднем 30 — 40 км, а под многими горами достигает местами 80 км. Континентальная часть земной коры распадается на ряд слоев, число и мощность которых изменяются от района к району. Обычно ниже осадочных пород выделяют два главных слоя: верхний — «гранитный», близкий по физическим свойствам и составу к граниту и нижний, состоящий из более тяжелых пород, — «базальтовый» (предполагается, что он состоит главным образом из базальта). Толщина каждого из этих слоев в среднем 15 — 20 км. Однако, во многих местах не удается установить резкую границу между гранитным и базальтовым слоями. Океаническая кора гораздо тоньше (5 — 8 км). По составу и свойствам она близка к веществу нижней части базальтового слоя континентов. Но этот тип коры свойствен только глубоким участкам дна океанов, не менее 4 тыс. м. На дне океанов есть области, где кора имеет строение континентального или промежуточного типа. Поверхность Мохоровичича (по имени открывшего ее югославского ученого), на границе которой резко изменяется скорость сейсмических волн, отделяет земную кору от мантии.

2. Мантия распространяется до глубины 2900 км. Она подразделяется на 3 слоя: верхний, промежуточный и нижний. В верхнем слое скорости сейсмических волн сразу за границей Мохоровичича растут, затем на глубине 100 — 120 км под континентами и 50 — 60 км под океанами этот рост сменяется слабым уменьшением скоростей, а далее на глубине 250 км под континентами и 400 км под океанами уменьшение вновь сменяется ростом. Таким образом, в этом слое имеется область пониженных скоростей — астеносфера, характеризуемая относительно малой вязкостью вещества. Некоторые ученые считают, что в астеносфере вещество находится в «каше подобном» состоянии, т. е. состоит из смеси твердых и частично расплавленных пород. В астеносфере находятся очаги вулканов. Они образуются, вероятно, там, где по каким-либо причинам понижается давление и, следовательно, температура плавления вещества астеносферы. Понижение температуры плавления приводит к расплавлению вещества и образованию магмы, которая затем по трещинам и каналам в земной коре может излиться на поверхность Земли. Промежуточный слой характеризуется сильным возрастанием скоростей сейсмических волн и увеличением электропроводности вещества Земли. Большинство ученых считают, что в промежуточном слое изменяется состав вещества или слагающие его минералы переходят в иное состояние, с более плотной «упаковкой» атомов. Нижний слой оболочки отличается однородностью по сравнению с верхним слоем. Вещество в этих двух слоях находится в твердом, по-видимому, кристаллическом состоянии.

3. Под мантией находится земное ядро с радиусом 3471 км. Оно подразделяется на жидкое внешнее ядро (слой между 2900 и 5100 км) и твердое ядрышко. При переходе от мантии к ядру резко изменяются физические свойства вещества, по-видимому, в результате высокого давления.

Температура внутри Земли с глубиной повышается до 2000 — 30 000С, при этом наиболее быстро она возрастает в земной коре, далее идет замедление, и на больших глубинах температура остается, вероятно постоянной. Плотность Земли возрастает с 2,6 г / см3 на поверхности до 6,8 г / см3 на границу ядра Земли, а в центральных областях составляет примерно 16 г / см3. Давление возрастает с глубиной и достигает на границе между мантией и ядром 1,3 млн. атмосфер, а в центре ядра — 3,5 млн. атм. [18]; [19]

2.4 Внешние оболочки Земли

Рассмотрим химию литосферы. Толщина литосферы колеблется в пределах 10−100 км; 10−20 км над океанами, 35−50 км над материками, 70−80 км над горными массивами; масса литосферы составляет 0,3−0,4% от массы Земли.

Верхние слои осадочного подслоя литосферы (до 2−3 км) называют литобиосферой. Толщина осадочного слоя может достигать 20 км, ниже расположены гранитный (до 40 км) и базальтовый (ниже 40 км) подслой (рис. 2).

Рисунок 2. Строение и элементный состав Земли

В земной коре преобладают восемь элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний. На долю кислорода приходится почти половина массы земной коры. Распространенность химического элемента с ростом его порядкового номера заметно убывает. Наиболее распространенными являются элементы с порядковыми номерами до 28. Самые распространенные изотопы относятся к типу 4n: 16O, 24Mg, 40Ca, 56Fe, 88Sr, 92Zr, 120Sn, 208Pb. Они составляют 86,3% массы земной коры, изотопы 4n + 3 — 12,7%, а 4n + 1 и 4n + 2 — менее 1%.

Все элементы земной коры согласно геохимической классификации делятся на пять групп: литофильные, халькофильные, сидерофильные, атмофильные и биофильные (табл. 1).

Таблица 1. Геохимическая классификация элементов

Литофильные

Халькофильные

Сидерофильные

Атмофильные

Биофильные

Li, Be, B, O, F, Na, Mg, Al, Si, Cl, K, Ca, Sc, Mn, V, Ge, Br, Rb, Sr, Y, Mo, I, Cs, Ba, La, Ln, Ac, Th, U.

S, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, As, Se, Mo, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sb, Te, Hg, Tl, Pb, Bi.

C, P, Fe, Co, Ni, Ge, Mo, Ru, Rh, Pb, Sn, Ta, Re, Os, Ir, Pt, Au.

H, C, N, O, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn.

H, C, N, O, P, S, Na, Mg, K, Ca, V, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, Cl, Br, I, F, Si.

Литофильные элементы входят в состав силикатных, алюмосиликатных горных пород, образуют сульфатные, карбонатные, фосфатные, боратные и галогенидные минералы.

Халькофильные элементы образуют многочисленную группу сульфидных и теллуридных минералов. Они могут встречаться в самородном состоянии.

Сидерофильные элементы составляют большую часть полиметаллических руд, образуемых многими d — и f-элементами. Они тесно перемежаются с элементами, обнаруживая повышенное сродство к сере, мышьяку, а также фосфору, углероду и азоту.

Атмофильные элементы составляют основу земной атмосферы. За исключением водорода и углерода в атмосфере они находятся в виде простых соединений.

Биофильные элементы — это так называемые элементы жизни. Они делятся на макробиогенные (H, C, N, O, Cl, Br, S, P, Na, K, Mg, Ca) и микробиогенные (V, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, B, Si, Mo, F).

Антропогенная деятельность приводит к заметному воздействию на некоторые участки литосферы, включая высочайшие горные вершины. Это приводит к эрозии и засорению почв, перераспределению минерального сырья при горнопромышленной деятельности. Особую опасность представляют добыча, производство и переработка радиоактивных материалов. Под воздействием сельскохозяйственной и промышленной деятельности эрозия почвы происходит в 100−1000 раз быстрее, чем в природных условиях. За последние годы потеряно 2 млрд. га плодородных земель, что составляет более четверти сельскохозяйственных угодий. Города, дороги, промышленные сооружения уже вывели из землепользования 50 млн. га (площадь Франции).

Природопреобразующая деятельность оказывает экологически опасное перераспределение вещества Земли — извлечение из недр и переработку огромного количества минерального сырья и углеводородного (твердого, жидкого и газообразного) топлива. При транспортировке, эксплуатации и переработке теряется значительная часть добытого.

Так, при добыче каменного угля извлекается на поверхность огромное количество пустой породы, складируемой в терриконы. Большинство терриконов, содержащих и каменноугольные включения, тлеющие. На одну тонну калийного и фосфатного удобрения приходится соответственно 4 и 4,25 т отходов.

Модель 1. Круговорот воды и загрязнение окружающей среды

Промышленные и бытовые отходы являются глобальными проблемами современного состояния взаимоотношений человек-природа. Техногенная цивилизация находится у опасной черты, переход через которую грозит самому существованию на Земле человека как части природы. Поэтому перед человечеством стоит задача оптимизации техногенного преобразования природных систем. И на начальном этапе создания природосберегающих технологий, в частности малоотходных производств, в которых отходы одного производства служат сырьем для другого. Основными принципами таких технологий должны быть комплексная переработка сырья и энергосбережение, замкнутые водо- и газооборотные системы, рациональное кооперирование, минимизация отходов и исключение неконтролируемых выбросов. Все это требует больших затрат и пока доступно только немногим промышленно развитым странам [27].

Помимо твердой внешней оболочки — литосферы выделяют также водную оболочку — гидросферу и воздушную оболочку — атмосферу. Более точно, под гидросферой понимают совокупность всех вод Земли, находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях. Больше всего на Земле жидкой воды — объем около 1,370. 1024 см³. Она образует на поверхности Земли Мировой океан, общая площадь которого равна 3,61. 1018 см², т. е. 70,8% площади всей земной поверхности. Вода благодаря своим уникальным свойствам имеет исключительно важное значение для создания на Земле оптимального теплового режима. Именно в ней зародилась и без нее была бы невозможна органическая жизнь. Основная масса льда располагается на суше — главным образом в Антарктиде и Гренландии. Если бы этот лед растаял, то уровень Мирового океана повысился бы примерно на 60 м. При этом 10% суши оказалось бы затопленной морем. Вода постепенно испаряется с поверхности Мирового океана. Она подхватывается воздушными течениями и переносится на громадные расстояния. После ряда превращений (конденсации, сублимации, коагуляции и т. п.) испарившаяся влага выпадает из атмосферы в виде осадков. Не вся влага при этом возвращается прямо в Мировой океан. Часть осадков выпадает на сушу, откуда они выносятся реками в моря и океаны. Во время своего пути по суше вода растворяет различные соли, захватывает мелкие, а иногда и крупные частички и выносит все это в море. Круговорот воды на Земле существует миллионы лет. Возможно поэтому вода морей и океанов соленая, хотя на этот счет нет единого мнения.

Химия гидросферы. Особенности гидросферы определяются особенностями воды: ее физические свойства обусловлены химическим строением.

Вода H2O на 99,73% состоит из 1H216O, но в природе встречается еще дейтерий (стабилен) 2D и тритий (3T, -в), а если принять во внимание, что кроме 16O есть еще 17O и 18O, то в природе встречается девять разновидностей воды.

Жидкая вода имеет максимальную плотность при 4 °C (принята за единицу), а переход в твердое состояние, сопровождающийся изменением упаковки молекул, понижает плотность до 0,9. Это обстоятельство (лед плавает) и малая теплопроводность льда во многом способствуют стабилизации процессов в гидросфере.

Все свойства воды обусловлены наличием двух не поделенных электронных пар у атома кислорода, атомные орбитали, которого гибридизированы по sp3-типу, и способностью атомов водорода соседних молекул образовывать с этими не поделенными электронными парами достаточно прочные водородные связи. В результате как жидкая, так и кристаллическая вода (лед) оказываются хорошо структурированными, хотя число локальных нарушений дальнего порядка при плавлении возрастает.

Экспериментально установлено, что протон в воде может быть только гидратированным. Гидратация не исчерпывается реакцией H+ + H2O = H3O+. Последовательно может присоединиться несколько молекул воды:

Исходя из постоянства произведения ионов H+ и OH-, образующихся при диссоциации H2O = H+ + OH-, важнейшим критерием поддержания жизнеспособности условий в воде и почве является узкий интервал изменений водородного показателя (pH) в пределах 6−9. В природной воде прежде всего растворяются газы атмосферы: O2, N2 (рис. 2) и CO2.

Рис. 3 Растворимость

Хотя растворимость кислорода в два раза больше растворимости азота, но из-за большего парциального давления (78%) в природной (дождевой) воде азота растворено в два раза больше, чем кислорода. Минерализация воды приводит к уменьшению растворимости воздуха. Так, при 0 °C растворимость кислорода (чистого) составляет 49 мл/л, а морской воде только 15 мл/л. Необходимое для окисления растворимых в воде веществ количество кислорода называется биохимической потребностью в кислороде (БПК).

Так, чистая вода, вытекающая из-под ледников, имеет БПК < 1 млн-1, пригодная для питья — < 5 млн-1, а канализационная — 100−500 млн-1.

Большую проблему создают попадающие в водоемы нитраты и фосфаты, поскольку они при неумелом использовании вызывают заболевание малопроточных водоемов и прудов.

Растворение CO2 в воде сопровождается химическим взаимодействием с установлением равновесия:

K1 = 4,5 · 10-7, K2 = 5,6 · 10-11.

Обычные методы измерения констант диссоциации не позволяют отличить растворенный CO2 от H2CO3 в растворе. Так как равновесие устанавливается быстро, то за контанту равновесия этой реакции Kравн = [H2CO3] / [CO2] • [H2O] обычно принимают первую константу диссоциации угольной кислоты (K1 = 4,5 · 10-7). Вместе с тем найдено, что H2CO3/CO2 = 0,0037; это означает, что только 0,37% растворенного CO2 находится в виде H2CO3. Если бы весь растворенный CO2 находился в виде H2CO3, то K1 = 1,8 · 10-4, что позволяет отнести H2CO3 к умеренно сильным кислотам. Практически из-за быстрого установления равновесия гидратации CO2 приходится пользоваться не действительной константой диссоциации K1 = 1,8 · 10-4, а кажущейся K1 = [H+] • [H2CO3] / CO2 = 4,5 • 10-7, относящейся к реакции CO2 • H2O = H+ + HCO3-.

Другим источником поступления карбонат — и бикарбонат-ионов являются карбонаты:

Равновесие, устанавливающееся между H2CO3 и бикарбонат-ионом, определяет буферную емкость природных вод, что очень важно для поддержания постоянства в них pH.

PH почвенных вод может колебаться от 3 до 10. Однако кислотность почв, благоприятных для произрастания растений, мало отличаются от pH = 6. Морские организмы еще более чувствительны к pH среды обитания. Океаническая вода имеет pH = 8, а pH прибрежных вод? 9. При pH < 7,5 многие морские организмы погибают. При pH < 7,0 морские организмы уже не в состоянии образовывать карбонатные скелеты.

С глубиной концентрация Ca2+ снижается, что способствует растворению CaCO3, составляющего основу раковин и скелетных тканей отмерших организмов.

Кроме Ca 2+и HCO3 - морская вода содержит катионы: Na+, K+, Mg2+, Fe3+,

Mn2+ и анионы Cl-, Br-, I-, SO4 2 - определяющие ее соленость (S). За величину солености принят вес сухого остатка после упаривания 1 кг морской воды и перевода карбонатов в оксиды, бромидов, иодидов в хлориды, а органические вещества сожжены при 480 °C. Соленость измеряется в г/кг или промилле (‰).

Мировой океан содержит до 1017 тонн минерального сырья, включая серебро (5•1010 т), золото (1,1•107т).

Фитопланктон мирового океана продуцирует почти столько же кислорода, что и все зеленые растения суши.

Промышленные выбросы, попадая в воду, влияют не только на pH, но и на содержание анионов и растворимость газов, приводя иногда к гибели основных видов флоры и фауны в нем. Наиболее опасными загрязнителями являются стронций, кадмий, свинец и особенно ртуть. Последняя может переходить в диметилртуть, которая, попадая с пищей (рыбой), воздействует на центральную нервную систему, вызывая психические и другие расстройства (болезнь Миномата).

Наилучшим решением промышленного водоснабжения является организация замкнутых водооборотных систем, полностью исключающих сброс в водоемы сточных вод [27]; [28]; [29].

Атмосфера — газовая оболочка, окружающая Землю и вращающаяся с ней как единое целое. Атмосфера образовалась главным образом из газов, выделенных литосферой после формирования планеты. На протяжении миллиардов лет атмосфера Земли претерпела значительную эволюцию под влиянием многочисленных физико-химических и биологических процессов: диссипация газов в космическое пространство, вулканическая деятельность, диссоциация (расщепление) молекул в результате солнечного ультрафиолетового излучения, химические реакции между компонентами атмосферы и горными породами, дыхание и обмен веществ живых организмов.

Атмосфера Земли имеет слоистое строение. Выделяют тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу.

Тропосфера — это прилегающая к земной поверхности область, в которой температура более или менее равномерно убывает с высотой до — 500С и ниже. Верхняя граница тропосферы понижается при движении от экватора к полюсам от 17 до 9 км. В тропосфере заключено свыше 80% массы атмосферы и практически весь водяной пар. В ней протекают физические процессы, которые обусловливают ту или иную погоду. В тропосфере осуществляются все превращения водяного пара. В ней образуются облака и формируются осадки, очень сильно развито турбулентное и конвективное перемешивание.

Стратосфера характеризуется постоянством или ростом температуры с высотой и исключительной сухостью воздуха. Верхняя граница стратосферы расположена в среднем на высотах 50 — 55 км. Температура стратосферы растет с высотой, достигая на верхней границе 0−100ъ°С. Процессы в стратосфере практически не влияют на погоду.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой