Геосфери

Схема зрізу внутрішньої структури Землі

Геосфе́ри (від гео… і сфера) — концентричні природні оболонки Землі, що сформувалися внаслідок її планетарної диференціації та подальшої геологічної еволюції й мають відносну однорідність фізичного стану, речовинного складу, фізико-хімічних процесів і функціонального призначення у розвитку планети.

Загальні відомості

Сукупність геосфер утворює складну багаторівневу систему, компоненти якої перебувають у безперервній взаємодії через обмін речовиною, енергією та інформацією. Взаємодія геосфер визначає сучасний вигляд Землі, її геодинаміку, кліматичну систему, колообіг речовин, формування природних ресурсів і можливість існування життя.

У широкому розумінні геосфера — будь-яка відносно самостійна оболонка планети, якій притаманні специфічні фізичні, хімічні або біологічні властивості. У геофізиці геосфери розглядають як оболонки, які відрізняються агрегатним станом, густиною, швидкістю поширення сейсмічних хвиль, температурою та механічними властивостями. Геохімія трактує їх як області концентрації певних типів речовини та перебігу характерних геохімічних процесів. У фізичній географії геосфери розглядають як компоненти географічної оболонки, що взаємодіють і забезпечують функціонування природних комплексів.

У ширшому, планетологічному значенні термін «геосфера» застосовують також до концентричних оболонок інших планет земної групи та деяких супутників, однак у геології та географії він традиційно стосується передусім оболонок Землі.

Історична довідка

Перші спроби пояснити будову навколишнього світу простежуються в античній натурфілософії. У вченнях Арістотеля та його послідовників природа розглядалася через взаємодію 4-х стихій — землі, води, повітря й вогню. Хоча ці уявлення не мали сучасного фізичного змісту, вони започаткували ідею неоднорідності та диференціації природного середовища.

У 17‒18 ст. розвиток механіки, астрономії, геології та природознавства сприяв формуванню наукового погляду на Землю як на складне динамічне тіло, що змінюється під дією внутрішніх і зовнішніх процесів. Важливу роль у цьому відіграли праці Р. Декарта, Г. В. Лейбніца , Ж-Л. Л. де Бюффона, Дж. Гаттона та Ч. Лаєлла, які заклали основи історичного підходу до вивчення Землі та уявлень про її тривалу еволюцію. У 19 ст. розвиток фізичної географії сприяв формуванню уявлення про взаємозв'язок природних оболонок планети. Значний внесок зробив А. фон Гумбольдт, який розглядав природу як цілісну систему взаємопов'язаних компонентів і заклав основи комплексного вивчення Землі.

Наприкінці 19 ст. Е. Зюсс сформулював ідею взаємодії основних оболонок Землі — літосфери, гідросфери й атмосфери — та у 1875 запровадив термін «біосфера». Подальший розвиток цього напряму пов'язаний із працями В. Вернадського, який створив учення про біосферу та довів, що жива речовина є потужним геологічним чинником, здатним змінювати склад і функціонування зовнішніх геосфер. Ідеї Вернадського стали основою біогеохімії та системного підходу до вивчення Землі.

Вирішальне значення для формування уявлень про внутрішні геосфери мав розвиток сейсмології на початку 20 ст. Дослідження поширення сейсмічних хвиль дозволили встановити неоднорідність внутрішньої будови Землі. У 1909 А. Мохоровичич відкрив межу між земною корою і мантією, у 1914 Б. Гутенберг визначив межу між мантією та ядром Землі, а в 1936 І. Леман (1888–1993; Данія) довела існування внутрішнього твердого ядра. Ці відкриття сформували основу сучасної геофізичної моделі Землі.

Подальший розвиток уявлень про геосфери пов'язаний із формуванням теорії тектоніки літосферних плит. Гіпотеза дрейфу материків А. Л. Вегенера, дослідження океанічного спредингу Г. Гесса (1906–1969; США), праці Дж. Т. Вілсона (1908–1993; Канада), Д. Меттьюза (1931–1997; Велика Британія), Ф. Вайна (1939–2024; Велика Британія) та інших учених у 1960-х привели до створення концепції динамічної літосфери.

У 2-й половині 20 ст. розвиток космічної геофізики істотно розширив знання про атмосферу, магнітосферу, радіаційні пояси Землі та взаємодію планети із сонячним вітром. Одночасно розвиток глибинної сейсмотомографії, супутникової геодезії, дистанційного зондування Землі, високобаричної мінералогії, геодинамічного моделювання та комп'ютерних методів дослідження привів до формування міждисциплінарного напряму наук про Землю. У межах цього напряму Землю розглядають як єдину динамічну систему, в якій літосфера, мантія, ядро, атмосфера, гідросфера та біосфера постійно взаємодіють через потоки речовини, енергії та фізичних полів.

Походження та еволюція геосфер

Сучасні геосфери сформувалися внаслідок тривалої еволюції Землі, що розпочалася близько 4,54 млрд років тому після акреції протопланетної речовини Сонячної системи. Первинна Земля була високоенергетичним тілом із майже однорідною внутрішньою будовою. Джерелами тепла слугували енергія акреції, гравітаційне стискання, розпад короткоживучих радіоактивних ізотопів та інтенсивне метеоритне бомбардування. Це спричинило значне або майже повне плавлення надр Землі і створило умови для планетарної диференціації речовини.

Під дією сили тяжіння найгустіші компоненти (насамперед залізо та нікель) перемістилися до центру планети, де сформували металеве ядро. Легші силікатні матеріали утворили мантію, а внаслідок її подальшої кристалізації виникла первинна земна кора. Цей процес визначив концентричну будову Землі та заклав основу поділу її речовини на внутрішні геосфери.

Наступним етапом стала дегазація мантії, яка супроводжувалася виділенням водяної пари, вуглекислого газу, азоту, сірководню та інших летких компонентів. Із цих газів сформувалася первинна атмосфера, істотно відмінна від сучасної через майже повну відсутність вільного кисню. У міру охолодження поверхні водяна пара конденсувалася, утворивши первинний Світовий океан і започаткувавши формування гідросфери. Основним джерелом води вважають дегазацію мантії під час ранньої вулканічної активності, коли водяна пара та інші леткі компоненти надходили з надр Землі. Додатковий внесок у формування гідросфери могли зробити позаземні джерела — насамперед багаті на воду астероїди ранньої Сонячної системи та, ймовірно, комети. Ізотопні дослідження співвідношення дейтерію та водню показують, що комети, хоча й могли постачати частину води, навряд чи були її головним джерелом.

Виникнення життя на Землі близько 3,8–3,5 млрд років тому стало якісно новим етапом еволюції геосфер. Не виключають також можливість надходження окремих органічних сполук або передбіологічних компонентів із космосу (гіпотеза панспермії), однак основні механізми походження земного життя залишаються предметом наукових досліджень. Особливо важливою подією була поява кисневого фотосинтезу, який у ранньому протерозої спричинив так звану Велику кисневу подію. Накопичення кисню в атмосфері привело до формування озонового шару (див. Озоносфера), змінило характер геохімічних процесів і створило умови для еволюції складних багатоклітинних організмів.

Подальший розвиток геосфер визначався взаємодією ендогенних і екзогенних процесів. Конвекція мантії забезпечила виникнення тектоніки літосферних плит, формування океанів і континентів, циклічне утворення та руйнування суперконтинентів. Одночасно атмосфера, гідросфера й біосфера розвивалися як взаємопов'язана система, у якій фізичні, хімічні та біологічні процеси дедалі сильніше впливали один на одного.

У сучасну геологічну епоху важливим чинником еволюції геосфер стала антропогенна діяльність. Масштаби техногенного перетворення літосфери, атмосфери, гідросфери й біосфери набули глобального характеру, що стало підставою для дискусій щодо початку нової геологічної епохи — антропоцену.

Класифікація

Єдиної загальноприйнятої класифікації геосфер не існує, оскільки їх виділення залежить від предмета дослідження відповідної науки. Найпоширенішими є геофізичний, геохімічний, географічний та геоекологічний підходи.

Геофізична класифікація ґрунтується на відмінностях фізичного стану, густини, температури, пружних властивостей речовини та характеру поширення сейсмічних хвиль. Відповідно виокремлюють ядро, мантію, літосферу, астеносферу, атмосферу, гідросферу та магнітосферу.

Геохімічна класифікація враховує склад речовини, міграцію хімічних елементів і геохімічні цикли. У цьому разі особливу увагу приділяють взаємозв'язку літосфери, гідросфери, атмосфери та біосфери як основних резервуарів хімічних елементів.

Фізико-географічна класифікація розглядає геосфери як компоненти географічної оболонки, що взаємодіють у процесах формування ландшафтів. До її складу належать атмосфера, гідросфера, верхня частина літосфери та біосфера.

За просторовим положенням геосфери умовно поділяють на внутрішні й зовнішні. До внутрішніх геосфер належать ядро Землі, мантія та літосфера, до зовнішніх — атмосфера, гідросфера й магнітосфера; біосфера займає особливе положення, охоплюючи частини кількох інших оболонок.

Поряд із класичними геосферами в літературі використовують також поняття педосфери, кріосфери, астеносфери, йоносфери, техносфери та ноосфери. Однак їхній статус є різним. Якщо педосфера і кріосфера є природними оболонками, що сформувалися в зоні взаємодії основних геосфер, то астеносфера являє собою фізичну зону верхньої мантії, а техносфера й ноосфера характеризують нові функціональні стани природного середовища, пов'язані з діяльністю людини.

Взаємодія геосфер

Джерелами енергії функціонування геосфер є внутрішнє тепло Землі, що підтримує ендогенні процеси, та сонячне випромінювання, яке визначає перебіг більшості процесів у зовнішніх оболонках. Взаємодія геосфер здійснюється через глобальні колообіги води, вуглецю, кисню, азоту, сірки та інших хімічних елементів, а також через тепломасообмін, тектонічні рухи, вулканізм, ерозію, осадонакопичення, вивітрювання та біогеохімічні процеси. У результаті взаємодії літосфери, атмосфери, гідросфери і біосфери формуються ґрунти, сучасні ландшафти, осадові басейни, кора вивітрювання, значна частина родовищ корисних копалин.

Особливе місце займають процеси на межах геосфер. Саме контактним зонам атмосфера — гідросфера, атмосфера — літосфера, літосфера — гідросфера, літосфера — біосфера притаманна найбільша інтенсивність фізичних, хімічних і біологічних процесів. Вони визначають сучасний стан географічної оболонки та природного середовища.

Геосфери та науки про Землю

Геосфери є основним об'єктом дослідження комплексу наук про Землю. Будову й еволюцію літосфери, мантії та ядра вивчають геологія, геофізика, геохімія, мінералогія, петрологія, тектоніка та сейсмологія. Атмосферу досліджують метеорологія, кліматологія й аерономія, гідросферу — гідрологія, океанологія та гідрогеологія, біосферу — біогеохімія, екологія та біологія. Комплексне вивчення взаємодії геосфер є предметом землезнавства, наук про систему Землі та глобальної геоекології. Для цього використовують геофізичний моніторинг, супутникові спостереження, сейсмотомографію, геохімічне моделювання, дистанційне зондування Землі та чисельне моделювання планетарних процесів.

Значення

Дослідження геосфер лежить в основі пошуків і розвідки родовищ корисних копалин, прогнозування землетрусів, вулканічної діяльності, зсувів, повеней та інших природних небезпек. Знання закономірностей взаємодії геосфер використовують під час освоєння підземного простору, будівництва великих інженерних споруд, оцінювання геологічних ризиків, розвитку геотермальної енергетики, охорони довкілля та прогнозування глобальних змін клімату.

Особливого значення набувають комплексні дослідження геосфер у зв'язку з антропогенними змінами природного середовища, необхідністю раціонального використання природних ресурсів та забезпечення сталого розвитку. Актуальним є вивчення геосфер в системі взаємодії природи і суспільства. Одним із прикладів розвитку геохімічних понять, пов'язаних із ноосферною проблематикою, є термін «ноокларки» (В. Білецький, 2001), утворений за аналогією з поняттям кларків хімічних елементів. Термін використовують для позначення середнього вмісту хімічних елементів у межах геологічного середовища, доступного для господарського освоєння людиною.

Українські дослідження геосфер

Українська наукова школа зробила вагомий внесок у розвиток уявлень про геосфери та їхню еволюцію. Світове визнання здобули праці академіка В. Вернадського, який створив учення про біосферу, заклав основи біогеохімії та сформулював концепцію геологічної ролі живої речовини.

Важливе місце посідають дослідження П. Тутковського, який одним із перших в Україні застосував комплексний фізико-географічний підхід до вивчення взаємодії літосфери, атмосфери та гідросфери, а також зробив значний внесок у розвиток геоморфології, палеогеографії та гідрогеології.

Подальший розвиток геофізичного напряму пов'язаний із працями С. Субботіна , який заклав наукові основи дослідження глибинної будови літосфери України, природи гравітаційних аномалій та еволюції континентальної кори. Створена ним школа глибинної геофізики відіграла важливу роль у дослідженні Українського кристалічного щита (УКЩ), Дніпровсько-Донецької западини та інших великих тектонічних структур.

Праці Є. Лазаренка стали основою сучасної української мінералогічної школи. Відомими є також дослідження В. Бондарчука у галузі регіональної геології, тектоніки, геоморфології та еволюції земної кори.

Дослідження геосфер виконують установи НАН України, насамперед Інститут геофізики імені С. І. Субботіна НАН України, Інститут геологічних наук НАН України, Морський гідрофізичний інститут НАН України, а також університетські наукові центри. Основними напрямами є вивчення глибинної будови УКЩ, геодинаміки Східноєвропейської платформи, сучасних геофізичних полів, атмосфери й клімату, геології та екологічного стану Чорного й Азовського морів, а також моніторинг природних небезпек і глобальних змін довкілля.

Додатково

Див. також:

Література

Бондарчук В. Г. Геологія України / В. Г. Бондарчук ; Акад. наук УРСР, Ін-т геол. наук. Київ : Академія наук Української РСР, 1959. 832 с.
Лазаренко Є. К. Курс мінералогії. Київ : Вища школа, 1970. 599 с.
Лазаренко Є. К., Винар О. М. Мінералогічний словник. Київ : Наукова думка, 1975. 774 с.
Білецький В. С. Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. Донецьк : Донбас, 2004. Т. 1 640 с.
Fowler C. M. R. The Solid Earth: An Introduction to Global Geophysics. 2nd ed. Cambridge : Cambridge University Press, 2005. 685 p Turcotte D. L., Schubert G. Geodynamics. 3rd ed. Cambridge : Cambridge University Press, 2014. 636 p.
Schubert G. (ed.). Treatise on Geophysics. 2nd ed. Vol. 1–11. Amsterdam : Elsevier, 2015.
Старостенко В. І., Гінтов О. Б. Глубинная структура и геодинамика Украины и прилегающих территорий. Київ : [б. в.], 2018. 465 с.
Tarbuck E. J., Lutgens F. K., Tasa D. Earth Science. 15th ed. Boston : Pearson, 2018. 912 p.
Grotzinger J., Jordan T. H. Understanding Earth. 8th ed. New York : W. H. Freeman, 2020. 752 p.
Condie K. C. Earth as an Evolving Planetary System. 4th ed. Amsterdam : Elsevier, 2020. 576 p.
Alderton D., Elias S. A. (eds.). Encyclopedia of Geology. 2nd ed. Vol. 1–6. Amsterdam : Elsevier, 2021.

Автор ВУЕ

В. С. Білецький

Покликання на цю статтю: Білецький В. С. Геосфери // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Геосфери (дата звернення: 11.10.2026).

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 27.07.2026