2) Гидросфера (в основном - Мировой океан) - водная оболочка, частично покрывающая твердую Землю.

3) Земная кора (слой А) средней толщиной 33 км.

4) Мантия с нижней границей на глубине 2920 км, распадающаяся на верхнюю (слой В с нижней границей на глубине 410 км), среднюю (слой С с глубинами залегания 410-1000 км) и нижнюю (слой D с глубинами 1000-2920 км, распадающийся на собственно нижнюю мантию D' с глубинами 1000-2700 км и переходный слой между мантией и ядром D" на глубинах 2700-2920 км). В слое В на глубинах около 100-300 км выделяется слой с пониженными жесткостью, скоростями се и cs и вязкостью, называемый астеносферой; вышележащая часть слоя В вместе с земной корой называется литосферой.

5) Ядро, распадающееся на внешний жидкий слой Е на глубинах 2920-4980 км, переходный слой F между внешним и внутренним слоями (4980-5120 км) и внутренний твердый слой G (5120-6371 км).

Охарактеризуем каждый из этих слоев по отдельности.

Атмосфера.С точки зрения теории климата она характеризуется, главным образом, массой и химическим составом. В настоящее время земная атмосфера содержит 5.3·103 триллионов т воздуха - около одной миллионной доли массы всей Земли. Давление воздуха на уровне моря в среднем равно 1.013 кг/см2, а плотность - 1.3·10-3 г/см3. С высотой плотность воздуха быстро убывает, так что три четверти массы атмосферы находятся ниже 10 км, 90% - ниже 15 км, 99% - ниже 30 км, 99.9% - ниже 50 км.

Сухой воздух состоит из 78.08% азота, 20.95% кислорода, 0.93% аргона, около 0.03% углекислого газа и малых количеств благородных газов и водорода. Важную роль в формировании погоды и климата играют так называемые термодинамически активные примеси (ТАП) - переменные составные части атмосферы, способные влиять на термодинамическое состояние воздуха и на распределение по атмосфере притоков тепла.

Важнейшей ТАП в атмосфере Земли является вода, содержание которой, главным образом в виде водяного пара, в среднем равно 12.4 триллиона т (что эквивалентно слою осажденной воды в 24 мм, так что при среднем годовом количестве испарения и осадков в 780 мм водяной пар в атмосфере обновляется 32 раза в год, или каждые 11 дней). Водяной пар способен конденсироваться или сублимироваться на имеющихся в атмосфере частицах, образуя облака и туманы (с выделением больших количеств скрытого тепла). Насыщающая концентрация пара растет с температурой и обратно пропорциональна давлению; при нормальном давлении на уровне моря она меняется от 0.0236% при -30° С до 0.611% при 0°С и 4.24% при +30° С.

Водяной пар и особенно облачность резко влияют на потоки коротковолнового и длинноволнового излучения в атмосфере, внося, в частности, большой вклад в парниковый эффект, т. е. в способность атмосферы пропускать солнечную радиацию до подстилающей поверхности, но поглощать собственное тепловое излучение подстилающей поверхности и нижележащих атмосферных слоев (благодаря этому эффекту температура в атмосфере растет с глубиной, и ее нижние слои оказываются теплыми).

Наконец, облака способны к неустойчивости со слипанием облачных частиц и выпадением осадков (эти процессы происходят быстрее, чем испарение влаги с подстилающей поверхности, вследствие чего атмосфера в целом далека от насыщения водяным паром, несмотря на то, что две трети ее нижней границы образованы поверхностью воды). Водяные облака и осадки являются специфической особенностью погоды на Земле.

Другими ТАП в атмосфере являются углекислый газ (вносящий вклад в парниковый эффект), озон и взвешенные частицы (аэрозоль). Озон в атмосфере содержится в переменном количестве, порядка одной миллионной доли, в основном на высотах 10-30 км, где он образуется из молекулярного кислорода в результате фотохимических процессов под действием ультрафиолетовой радиации Солнца. Почти вся ультрафиолетовая радиация, губительная для живых организмов, при этом поглощается, так что озон обеспечивает существование жизни на суше. Аэрозоль может рассеивать солнечную радиацию, уменьшая прямую радиацию на подстилающей поверхности, но зато увеличивая рассеянную и, по-видимому, мало меняя их сумму. Однако он может и поглощать солнечную радиацию, и, переизлучая инфракрасную, увеличивать парниковый эффект. Эти процессы изучены еще недостаточно.

Средняя температура воздуха у земной поверхности в наше время равна 15° С. В нижних 10 км атмосферы она уменьшается с высотой на 6.5° С за каждый километр, выше (в стратосфере) остается приблизительно постоянной, около -50° С, а еще выше, где атмосфера становится чрезвычайно разреженной, температура растет. До 105-120 км благодаря перемешиванию атмосфера однородна по составу, а выше становится заметным разделение газов - тяжелые остаются внизу, а легкие поднимаются вверх. Выше 600 км возможна утечка газов в космическое пространство. Она возрастает с увеличением температуры и с уменьшением веса молекул. Согласно теоретическим оценкам, при температуре 2000° С время полной утечки водорода составляет 1800 лет, а гелия - 24 млн. лет. Температуры такого порядка на высотах в несколько сотен километров в атмосфере, по-видимому, возможны, и этим может объясняться почти полное отсутствие водорода и гелия в атмосфере Земли.

Гидросфера. Ее масса - 1.46·106 триллионов т жидкой воды и льда - в 275 раз больше массы атмосферы, но составляет лишь одну четырехтысячную долю массы всей Земли. Около 94°/0 массы гидросферы составляют соленые воды Мирового океана, из оставшихся 6% гидросферы три четверти приходятся на подземные воды и четверть - на ледники Антарктиды и Гренландии (их растепление повысило бы уровень Мирового океана на 80 м); на остальные ледники и озера приходится очень малая доля массы гидросферы.

Рассмотрим главную часть гидросферы - Мировой океан. Он покрывает 70.8% поверхности земного шара и имеет среднюю глубину 3795 м. Окаймляющая континенты мелководная зона океанов с глубинами до 200 м (материковая отмель, или шельф), как правило, узка - она занимает только 7.6% площади Мирового океана. Далее идет довольно крутой материковый склон с глубинами 200-3000 м - 15.2% площади океана. Ложе океана (абиссаль) с глубинами >3 км занимает 77.1% площади океана; половина ложа имеет глубины 4-5 км, а глубины >6 км (глубоководные желобы, так называемая ультраабиссаль) составляют менее одного процента площади океана. Доли площади, приходящиеся на разные глубины и высоты, даются гипсографической кривой поверхности твердой Земли (рис. 3). Наибольшая глубина Мирового океана обнаружена экспедицией Института океанологии АН СССР на знаменитом научно-исследовательском судне «Витязь». Она находится в Марианском желобе и равняется 11 034 м.

Мировой океан несколько условно делят на четыре части: Тихий океан (52.8% массы и 49.8% площади Мирового океана, средняя глубина 4028 м), Атлантический океан (24.7% массы и 25.9% площади, средняя глубина 3627 м), Индийский океан (21.3% массы и 20.7% площади, средняя глубина 3897 м) и Северный Ледовитый океан (1.2% массы и 3.6% площади, средняя глубина 1296 м). Здесь к океанам отнесены соответствующие секторы Антарктики, а также прибрежные моря, составляющие в сумме 3% массы и 10% площади Мирового океана; Средиземное, Черное и Каспийское моря условно отнесены к Атлантическому океану.

С гидродинамической точки зрения целесообразно дальнейшее деление океанов на котловины, разделяемые подводными хребтами, прежде всего так называемыми срединно-океаническими хребтами, показанными на рис. 4, которые образуют непрерывную глобальную цепь длиной около 60 тыс. км и занимают около трети площади океанов. Эти хребты возвышаются над дном котловин на 3-4 км и нарушают непрерывность глубинной циркуляции океанских вод.

В водах океана растворено в среднем 3.472% солей. Поскольку в растворе они распадаются на положительные и отрицательные ионы (называемые соответственно катионами и анионами, так как при опускании в воду электродов положительные ионы будут двигаться к катоду, а отрицательные к аноду), поэтому лучше указывать не солевой, а ионный состав морской воды. Главными катионами в ней являются Na+ (1.076%), Mg2+ (0.13%), Са2+ (0.041%), К+ (0.039%) и Sr2+ (0.001%), а главными анионами - Cl- (1.935%), SO2-4 (0.27%), НСОз- (0.014%), Вr- (0.007%) и СO2-3 (в среднем 0.007%); см. книгу А. П. Виноградова [7]. Катионов немного больше, так что морская вода имеет слабощелочную реакцию. Ее принято характеризовать водородным показателем рН-взятым с обратным знаком десятичным логарифмом концентрации ионов водорода (Н+) в грамм-ионах на литр; для кислого раствора рН менее 7, нейтрального рН=7 и щелочного рН > 7. В морской воде рН обычно изменяется в пределах 7.5-8.5 (Виноградов [7]).

В морской воде растворен также ряд газов, причем более пресные и более холодные воды поглощают больше газов. В верхнем слое океана при равновесии с атмосферой в 1 л воды содержится в среднем 50 мл СО2, 13 мл N2, 2-8 мл О2, 0.32 мл Аr и малые количества других благородных газов. Всего в океане при равновесии с атмосферой растворено 140 триллионов т СO2 - почти в 60 раз больше его содержания в атмосфере (равного 2.6 триллионов т), а растворенного кислорода - лишь 8 триллионов т - в 130 раз меньше его содержания в атмосфере.

Содержание растворенной углекислоты - это главный фактор, определяющий рН морской воды. В океане оно поддерживается около одного и того же уровня благодаря равновесию между нерастворимым карбонатом кальция, СаСО3, и растворимым бикарбонатом, Са(НСO3)2: при недостатке СО2 «лишний» бикарбонат превращается в карбонат и выпадает в осадок, а при избытке СO2 карбонат превращается в бикарбонат и растворяется. Второй из этих процессов всегда происходит в холодных водах океана на глубине в среднем > 4 км - на таких глубинах на дне не может образовываться карбонатных осадков. Первый же процесс, происходящий, например, в самых верхних слоях океана при поглощении СO2 фотосинтезирующими зелеными водорослями, приводит к образованию на глубинах меньше 4 км карбонатных осадков, т. е. к «захоронению» углерода, по А. П. Виноградову, происходящему в настоящее время со скоростью около 250 млн. т углерода в год; полное количество «захороненного» таким путем углерода оценивается в 5·104 триллионов т.