Чего меньше в атмосфере земли кислорода или азота

Атмосфера Земли медленно теряет кислород

Тропосфера — нижний очень тонкий слой атмосферы высотой 8-18 км, в котором сосредоточено 80% массы атмосферы Земли

Важность атмосферного O₂ для биологических и геохимических процессов на Земле чрезвычайно высока. Поэтому учёные давно изучают, как изменялось содержание кислорода в истории нашей планеты. Это можно понять из расчёта парциального давления O₂ и N₂ в общем атмосферном давлении.

Несмотря на долгую историю вопроса, у специалистов до сих пор нет единого мнения об изменении атмосферного давления на протяжении последних 500 млн лет. Расчёты отличаются до 0,2 атм (см. диаграмму внизу). Даже за последние несколько миллионов лет нет ясной картины, как именно менялось атмосферное давление, парциальное давление и, следовательно, концентрация O₂.

Вопрос непростой, ведь кислород из атмосферы постоянно потребляют животные, растения и даже камни. Группа учёных из Принстонского университета прояснила этот вопрос, изучив концентрацию воздушных пузырьков в ледяных кернах Гренландии и Антарктиды.

Ледяной керн с глубины 1837 м с видимыми годовыми слоями

На сегодняшний день ледяные керны — самый надёжный и точный источник данных об атмосферном давлении. Максимальный возраст льда в кернах — 800 тыс. лет, поэтому исследования ограничены этим временным интервалом.

Добыча ледяных кернов на научной станции «Восток» в Антарктиде

Оказалось, что в течение этого времени с Земли происходит довольно стабильная утечка кислорода со скоростью примерно 8,4 промилле за миллион лет. В частности, за последние 800 000 лет в атмосфере стало примерно на 0,7% меньше кислорода.

На диаграмме слева показано, как отличаются результаты научного моделирования соотношения O₂/N₂ в атмосфере и парциального давления. На диаграмме справа — изменение парциального давления по результатам измерения воздушных пузырьков в ледяных кернах за 800 тыс. лет

«Мы проделали эти измерения больше из интереса, чем для подтверждения теории, — сказал один из авторов научной работы Дэниель Столпер (Daniel Stolper). — Мы не знали, что получится: будет кислород увеличиваться с годами, уменьшаться или оставаться на постоянном уровне».

Уменьшение количества кислорода в атмосфере происходит довольно медленно. Вероятно, в ближайшие миллионы лет оно не угрожает человеческой жизни. Но информация о природе таких циклов очень важна для науки. Нам нужно знать, под влиянием каких факторов происходят изменения. Эту информацию можно использовать, в том числе, при терраформировании Марса, когда люди начнут заселение Красной планеты. Вероятно, нам придётся повышать количество кислорода в марсианской атмосфере.

На Земле тоже не было кислорода в первые пару миллиардов лет. Согласно наиболее вероятной теории, примерно 2,4 млрд лет назад уровень кислорода резко подскочил благодаря активности цианобактерий, известных также как сине-зелёные водоросли. Этот период резкого изменения состава атмосферы с последующей перестройкой биосферы и глобальным гуронским оледенением в истории Земли известен как кислородная катастрофа.

Сине-зелёные водоросли — причина, по которой 2,4 млрд лет назад на Земле появился кислород в большом количестве и возникла более продвинутая жизнь

Такую же кислородную катастрофу можно устроить на Марсе.

Учёные ещё не пришли к единому мнению, почему атмосфера Земли медленно теряет кислород. Есть две гипотезы. Одна из них — это происходит из-за увеличения скорости эрозии, в результате которой из почвы извлекается больше горных пород, которые окисляются и связывают больше кислорода. Другая теория связана с изменением климата: за последние несколько миллионов лет температура немного снизилась, несмотря на резкий рост в последние десятилетия. Из-за снижения температуры могла инициироваться цепочка экологических реакций, в результате которой больше кислорода стало растворяться и связываться в Мировом океане.

Пока что всё это лишь гипотезы, которые следует проверить.

В данный момент атмосфера Земли содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,039% углекислого газа и небольшие примеси других газов. В ней также постоянно изменяется концентрация водяного пара, который считается одним из основных парниковых газов. На уровне океана концентрация H₂O в атмосфере составляет около 1%, а в среднем — около 0,4%. Общая масса атмосферы — 5,5×10 18 кг, то есть 5,5 зеттаграммов или 5,5 петатонн.

Накопление кислорода в атмосфере Земли. Зелёный график — нижняя оценка уровня кислорода, красный — верхняя оценка. 1. 3,85-2,45 млрд лет назад. 2. 2,45-1,85 млрд лет назад: начало производства кислорода и поглощение его океаном и породами морского дна. 3. 1,85-0,85 млрд лет назад: окисление горных пород на суше. 4. 0,85-0,54 млрд лет назад: все горные породы на суше окислены, начинается накопление кислорода в атмосфере. 5. 0,54 млрд лет назад — настоящее время

Утечка кислорода из земной атмосферы происходит медленно. Но учёные подчёркивают, что в их исследовании нет данных по изменению уровня кислорода за последние 200 лет, после начала Индустриальной революции, когда люди начали активно окислять углеводороды из земных недр, получая энергию от этой химической реакции и связывая большое количество кислорода из атмосферы. «Мы потребляем кислород в тысячу раз активнее, чем раньше, — говорит Дэниель Столпер. — Человечество полностью замкнуло [кислородный] цикл, сжигая тысячи тонн углерода… Это ещё одно свидетельство, что совместными усилиями люди способны значительно ускорить естественные процессы на Земле».

Источник

Атмосфера Земли теряет кислород, и ученые не знают почему

Атмосфера нашей планеты теряет кислород. К счастью, речь пока не идет об объемах, которые заставляли бы серьезно волноваться: за последние 800 000 лет уровень кислорода снизился на 0,7 процента. Тем не менее ученые озадачены, так как не могут понять, почему это происходит.

«Мы провели анализ больше из-за интереса, нежели из-за каких-то ожиданий», — говорит геолог Дэниель Столпер из Принстонского университета.

«Мы не знали, будет ли уровень кислорода больше, меньше или останется на прежней отметке. Но, как выяснилось, существует весьма четкая тенденция».

Атмосферный уровень кислорода серьезно изменялся на протяжении всей истории Земли, однако получить какие-то конкретные цифры оказалось весьма сложной задачей даже для ученых. Нам известно, что в течение нескольких первых миллиардов лет в атмосфере нашей планеты вообще не было никакого кислорода. Затем, благодаря развитию крошечных водорослей – цианобактерий, — в небе постепенно стал скапливаться кислород, что впоследствии вызвало настоящий апокалипсис для бескислородных форм жизни.

С развитием и распространением жизни кислород продолжал накапливаться в нашей атмосфере до тех пор, пока его объем не стал достаточным для поддержания сложных форм жизни. За последние несколько сотен миллионов лет существенных изменений в кислородном уровне не было, поэтому жизнь в буквальном смысле процветала.

Если отброс ить исторический аспект, то единственное, что известно ученым, так это то, что уровень кислорода очень динамический. Животные, например, и мы потребляем кислород каждую секунду. Поддерживать его уровень в атмосфере помогают растения, которые его производят в результате процесса, известного как фотосинтез. В это сложно поверить, но даже силикатные породы (если рассматривать вопрос в более длительном временном аспекте) «потребляют» кислород.

«Каждую тысячу лет или около того весь запас кислорода в нашей атмосфере превращается в воду, а затем опять в кислород. Но при этом каждый раз часть кислорода утрачивается», — говорит Столпер.

Проблема в том, что при достаточном количестве времени небольшая утечка может превратиться в очень серьезную катастрофу. Катастрофу мирового масштаба, способную изменить уровень обитаемости планеты. Поэтому Столпер, а также Джон Хиггинс и несколько их коллег из Принстонского университета решили выяснить, можно ли измерить этот уровень утечки.

Цианобактерии являются по сути первыми терраформерами Земли

Для решения этого вопроса ученые обратились к информации о самых крупных местах содержания огромных запасов кислорода на нашей планете. Речь идет о ледяных шапках Гренландии и Антарктиды, в которых содержатся заточенные пузырьки кислорода, представляющие собой своеобразные снимки нашей атмосферы за последние несколько миллионов лет. Изучив соотношение изотопов кислорода и азота в этих пузырьках, ученые смогли высчитать следующее: уровень кислорода за последние 800 000 лет снизился на 0,7 процента.

В опубликованной на днях в научном журнале Science статье ученые предложили несколько возможных объяснений. Геологическая история показывает, что скорость эрозийных процессов несколько увеличилась. В свою очередь, более резкие окислительные процессы свежих отложений атмосферой потребовали повышенного потребления кислорода. Долгоиграющие климатические изменения тоже могли сыграть свою роль. Если не брать в расчет вызванное деятельностью человека недавнее глобальное потепление, средняя температура нашей планеты за последние несколько миллионов лет постоянно снижалась.

«С понижением температуры в океанах растворимость кислорода повышается, потому что в этом случае для окисления органического углерода [в океане] требуется потребление большего объема кислорода, что в конечном итоге снижает отдаваемый объем кислорода в атмосферу», — говорит ученый.

Столпер добавляет, что могут быть и другие объяснения наблюдаемого спада, и выяснение истинной причины может оказаться довольно сложной задачей. Однако знание того, что именно регулирует кислородный цикл, действительно стоит тех усилий, что потребуются. В конце концов это знание может помочь нам понять то, что именно делает обитаемую планету обитаемой. На фоне поиска новых экзопланет эта информация может оказаться бесценной для науки.

Следует отметить, что анализ Столпера исключает один весьма важный аспект: последние 200 лет развития человеческой промышленности.

«Мы потребляем кислород в тысячу раз больше, чем раньше. Человечество серьезно сократило цикличность кислорода путем сжигания миллионов и миллиардов тонн углеродов», — комментирует ученый.

И хотя Столпер успокаивает, что в ближайшем будущем наша планета не утратит критический запас чистого воздуха для дыхания, «все это является очередным индикатором и доказательством нашей коллективной способности влиять на многие естественные процессы, происходящие на Земле, заметно их ускоряя во вред самим себе».

Источник

Эта статья перенесена сюда!

Атмосфера состоит из воздуха – механической смеси нескольких газов.

Азот (78 %) в атмосфере играет роль разбавителя кислорода, регулируя темп окисления, а, следовательно, скорость и напряженность биологических процессов. Азот – главный элемент земной атмосферы, который непрерывно обменивается с живым веществом биосферы, причем составными частями последнего служат соединения азота (аминокислоты, пурины и др.). Извлечение азота из атмосферы происходит неорганическим и биохимическим путями, хотя они тесно взаимосвязаны. Неорганическое извлечение связано с образованием его соединений N₂O, N₂O₅, NO₂, NH₃. Они находятся в атмосферных осадках и образуются в атмосфере под действием электрических разрядов во время гроз или фотохимических реакций под влиянием солнечной радиации.

Биологическое связывание азота осуществляется некоторыми бактериями в симбиозе с высшими растениями в почвах. Азот также фиксируется некоторыми микроорганизмами планктона и водорослями в морской среде. В количественном отношении биологическое связывание азота превышает его неорганическую фиксацию. Обмен всего азота атмосферы происходит примерно в течение 10 млн. лет. Азот содержится в газах вулканического происхождения и в изверженных горных породах. При нагревании различных образцов кристаллических пород и метеоритов азот освобождается в виде молекул N₂ и NH₃. Однако главной формой присутствия азота, как на Земле, так и на планетах земной группы, является молекулярная. Аммиак, попадая в верхние слои атмосферы, быстро окисляется, высвобождая азот. В осадочных горных породах он захороняется совместно с органическим веществом и находится в повышенном количестве в битуминозных отложениях. В процессе регионального метаморфизма этих пород азот в различной форме выделяется в атмосферу Земли.

Геохимический круговорот азота ( В.А. Вронский, Г.В. Войткевич)

Кислород (21 %) используется живыми организмами для дыхания, входит в состав органического вещества (белки, жиры, углеводы). Озон О₃. задерживает губительную для жизни ультрафиолетовую радиацию Солнца.

Кислород – второй по распространению газ атмосферы, играющий исключительно важную роль во многих процессах биосферы. Господствующей формой его существования является О₂. В верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовой радиации происходит диссоциация молекул кислорода, а на высоте примерно 200 км отношение атомарного кислорода к молекулярному (О : О₂) становится равным 10. При взаимодействии этих форм кислорода в атмосфере (на высоте 20- 30 км ) возникает озоновый пояс (озоновый экран). Озон (О₃) необходим живым организмам, задерживая губительную для них большую часть ультрафиолетовой радиации Солнца.

Содержание свободного кислорода в земной атмосфере отражает баланс между его фотосинтезирующей продукцией и процессами поглощения (окисление органики, деструкция вещества мертвых организмов). Расчеты показывают, что кислород в атмосфере Земли обновляется в течение 3-4 тыс. лет, т.е. относится к весьма мобильным компонентам газовой оболочки.

На ранних этапах развития Земли свободный кислород возникал в очень малых количествах в результате фотодиссоциации молекул углекислого газа и воды в верхних слоях атмосферы. Однако эти малые количества быстро расходовались на окисление других газов. С появлением в океане автотрофных фотосинтезирующих организмов положение существенно изменилось. Количество свободного кислорода в атмосфере стало прогрессивно возрастать, активно окисляя многие компоненты биосферы. Так, первые порции свободного кислорода способствовали прежде всего переходу закисных форм железа в окисные, а сульфидов в сульфаты.

В конце концов количество свободного кислорода в атмосфере Земли достигло определенной массы и оказалось сбалансированным таким образом, что количество производимого стало равно количеству поглощаемого. В атмосфере установилось относительное постоянство содержания свободного кислорода.

Геохимический круговорот кислорода ( В.А. Вронский, Г.В. Войткевич)

Углекислый газ, идет на образование живого вещества, а вместе с водяным паром создает так называемый «оранжерейный (парниковый) эффект».

Углерод (углекислота) – его большая часть в атмосфере находится в виде СО₂ и значительно меньшая в форме СН₄. Значение геохимической истории углерода в биосфере исключительно велико, поскольку он входит в состав всех живых организмов. В пределах живых организмов преобладают восстановленные формы нахождения углерода, а в окружающей среде биосферы – окисленные. Таким образом, устанавливается химический обмен жизненного цикла: СО₂ ↔ живое вещество.

Источником первичной углекислоты в биосфере является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры. Часть этой углекислоты возникает при термическом разложении древних известняков в различных зонах метаморфизма. Миграция СО₂ в биосфере протекает двумя способами.

Наряду с глобальным круговоротом углерода существует еще ряд его малых круговоротов. Так, на суше зеленые растения поглощают СО₂ для процесса фотосинтеза в дневное время, а в ночное – выделяют его в атмосферу. С гибелью живых организмов на земной поверхности происходит окисление органических веществ (с участием микроорганизмов) с выделением СО₂ в атмосферу. В последние десятилетия особое место в круговороте углерода занимает массовое сжигание ископаемого топлива и возрастание его содержания в современной атмосфере.

Круговорот углерода в географической оболочке (по Ф. Рамаду, 1981)

Аргон – третий по распространению атмосферный газ, что резко отличает его от крайне скудно распространенных других инертных газов. Однако аргон в своей геологической истории разделяет судьбу этих газов, для которых характерны две особенности:

Инертные газы находятся вне круговорота большинства циклических элементов в биосфере Земли.

Все инертные газы можно подразделить на первичные и радиогенные. К первичным относятся те, которые были захвачены Землей в период ее образования. Они распространены крайне редко. Первичная часть аргона представлена преимущественно изотопами 36 Аr и 38 Аr, в то время как атмосферный аргон состоит полностью из изотопа 40 Аr (99,6%), который, несомненно, является радиогенным. В калийсодержащих породах происходило и происходит накопление радиогенного аргона за счет распада калия-40 путем электронного захвата: 40 К + е → 40 Аr.

Поэтому содержание аргона в горных породах определяется их возрастом и количеством калия. В такой мере концентрация гелия в породах служит функцией их возраста и содержания тория и урана. Аргон и гелий выделяются в атмосферу из земных недр во время вулканических извержений, по трещинам в земной коре в виде газовых струй, а также при выветривании горных пород. Согласно расчетам, выполненным П. Даймоном и Дж. Калпом, гелий и аргон в современную эпоху накапливаются в земной коре и в сравнительно малых количествах поступают в атмосферу. Скорость поступления этих радиогенных газов настолько мала, что не могла в течение геологической истории Земли обеспечить наблюдаемое содержание их в современной атмосфере. Поэтому остается предположить, что большая часть аргона атмосферы поступила из недр Земли на самых ранних этапах ее развития и значительно меньшая добавилась впоследствии в процессе вулканизма и при выветривании калийсодержащих горных пород.

В атмосфере содержится и водяной пар и вода в жидком и твердом состоянии. Вода в атмосфере является важным аккумулятором тепла.

В нижних слоях атмосферы содержится большое количество минеральной и техногенной пыли и аэрозолей, продуктов горения, солей, спор и пыльцы растений и т.д.

Первичная атмосфера Земли состояла главным образом из водяных паров, водорода и аммиака. Под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца водяные пары разлагались на водород и кислород. Водород уходил в космическое пространство, кислород вступал в реакцию с аммиаком и образовывались азот и вода. В начале геологической истории Земля благодаря магнитосфере, изолировавшей её от солнечного ветра, создала вторичную собственную углекислую атмосферу. Углекислый газ поступал из недр при интенсивных вулканических извержениях. С появлением в конце палеозоя зеленых растений кислород стал поступать в атмосферу в результате разложения углекислого газа при фотосинтезе, и состав атмосферы принял современный вид. Современная атмосфера в значительной степени продукт живого вещества биосферы. Полное обновление кислорода планеты живым веществом происходит за 5200-5800 лет. Вся его масса усваивается живыми организмами приблизительно за 2 тыс. лет, вся углекислота – за 300-395 лет.

Состав первичной и современной атмосферы Земли

Источник

Атмосфера Земли: общая характеристика, состав и строение. Урок 11

Атмосфера (от греч. ἀτμός – пар и σφαῖρα – шар) – это газовая оболочка крупного небесного тела, которое может удержать её силой своей гравитации. В Солнечной системе она есть у всех основных планет, кроме Меркурия. Учёные договорились считать атмосферой только тот слой газов, который вращается вместе с небесным телом, но не всегда с одинаковой с ним скоростью.

Атмосфера Земли вместе с планетой вращается против часовой стрелки – с запада на восток. Из-за вращения она, как и Земля, приобретает форму эллипсоида, то есть у экватора её толщина больше, чем у полюсов. Масса атмосферы (сухого воздуха) равна (5,1352 ± 0,0003)⋅10 18 кг.

Источником энергии для процессов, происходящих в воздушной оболочке является электромагнитное излучение Солнца. Особенности атмосферы Земли в её уникальном газовом составе, сформированном в коэволюции с жизнью.

Атмосфера Земли имеет условные границы

Границы воздушной оболочки разными науками и службами определяются по-своему.

Вещества атмосферы Земли: химический состав

Атмосфера – это смесь газов, в которых во взвешенном состоянии (аэрозоли) находится пыль, микроорганизмы, пыльца растений и вода. И только водяной пар при разных условиях может испытывать фазовые переходы, т. е. находиться в воздухе в газообразном, твёрдом или жидком состоянии.

Газовый состав атмосферы

Та часть атмосферы, где мы живём состоит главным образом из двух газов: азота и кислорода, причём первого в 3 раза больше, чем второго и это очень удачное, вернее устойчивое в химическом смысле сочетание. Кислород – активный окислитель, он ионизирует большую часть веществ, не будь в воздухе такого количества нейтрального азота, кислород бы разрушал всё намного быстрее, в том числе и нашу жизнь.

Если судить более строго, то большую часть атмосферы составляют 3 газа: азот N₂, кислород О₂ и аргон Аг, относительная объёмная концентрация которых в сухом воздухе составляет соответственно 78,08%, 20,95%, 0,93%. И лишь остальные 0,04% приходятся на другие газы атмосферы, среди которых по объёму выделяется углекислый газ, или диоксид углерода СО₂ (в среднем его содержится 0,03%).

Процентное соотношение трёх основных газов атмосферы сохраняется в неизменном виде до высоты в 100 км. Этот участок называют гомосферой – это место, где гравитация влияет на газы атмосферы. Выше происходит расщепление (диссоциация) молекул на атомы под действием корпускулярной и ионизирующей радиации Солнца – эта часть атмосферы называется гетеросферой. Из-за постоянства соотношений до высоты в 100 км азот, кислород и аргон называют постоянными газами.

Содержание оксида углерода в разных точках планеты сильно меняется, оно зависит от времени года (жизнедеятельности растений), геологических процессов (извержение вулканов) и хозяйственной деятельности человека (в меньшей степени). Поэтому углекислый газ относят к категории переменных газов атмосферы.

Другие постоянные газы в атмосфере содержатся в незначительной объёмной концентрации:

Атмосфера Земли содержит следующие переменные газы:

Все приведенные количественные данные относятся к сухому воздуху, т. е. к гипотетическому воздуху, в котором полностью отсутствует водяной пар (нет молекул Н₂О).

Атмосфера Земли: состав сухого воздуха.
Автор: Kopiersperre

Каждый газ воздуха выполняет свою функцию.

Роль кислорода в атмосфере Земли

Земная атмосфера содержит большое количество свободного кислорода и его модификаций. Если химический элемент образует несколько простых веществ, то такие вещества называют аллотропными модификациями данного элемента, а само явление – аллотропией. Земная атмосфера включает три аллотропные модификации кислорода: молекулярный кислород О₂, атомарный кислород О и озон О₃.

Максимальная концентрация молекулярного кислорода наблюдается в приповерхностных слоях атмосферы. Максимальная концентрация атомарного кислорода существует на высотах около 150 км. Максимальная концентрация озона реализуется на высотах 15-25 км.

Атомарный кислород образуется в атмосфере в результате фотодиссоциации молекул О₂ под действием ультрафиолетового солнечного излучения с длиной волны не более 240 нм. Находясь в атмосфере в больших количествах, молекулярный кислород полностью поглощает падающее на Землю ультрафиолетовое излучение с длинами волн до 240 нм.

Основная роль свободного кислорода в дыхании организмов (биологическом окислении), участии в горении и окислении. Под его действием происходят процессы гниения, разложения, ржавеет железо. Кислород входит в состав органических веществ живых клеток. 70% всего кислорода атмосферы приходится на тяжёлый (изотоп с атомарной массой 18), 30% — на долю лёгкого (изотоп-16). По мнению В. Бгатова ( 1928-2005, известный советский и российский аэролог, доктор наук) именно лёгкий кислород участвует в фотосинтезе и имеет биогенное происхождение, тяжёлый кислород появляется в результате дегазации мантии.

Азот в атмосфере

Азот («безжизненный») – входит в состав белков и нуклеиновых кислот наших клеток, необходим всему живому. Он определяет скорость биохимических реакций, выполняя роль «разбавителя» кислорода. Если бы атмосфера содержала меньше азота и больше кислорода, то живая материя окислялась бы энергичнее. Он поступает в воздух при извержении вулканов и в результате деятельности денитрифицирующих бактерий.

Атмосфера Земли содержит гелий

В атмосфере Земли содержатся инертные газы: аргон, гелий, неон, криптон, ксенон. Гелий – один из наиболее лёгких газов атмосферы. Он выделяется из почвы, горных пород, морской воды при распаде содержащихся в них радиоактивных веществ. В приземном слое воздуха содержание гелия практически постоянно. С высотой его количество возрастает. Из-за малой массы гелий постоянно покидает атмосферу и уходит в космос.

Углекислый газ

Содержание диоксида углерода в воздухе сильно меняется. В промышленных центрах, где сжигается много нефтепродуктов содержание СО₂ в атмосфере возрастает. Увеличивается его количество и при вырубке лесов, осушении болот, а также во время активной вулканической деятельности. Он образуется и как результат дыхания всех живых организмов.

Отмечено изменение содержания углекислого газа по сезонам года, зимой оно возрастает, а летом уменьшается. Это объясняется активной жизнедеятельностью растений и цианобактерий в летний период года. Углекислый газ как источник углерода необходим для фотосинтеза растениям, цианобактериям и другим живым организмам в качестве материала для построения органических веществ.

Углекислый газ вместе с водяным паром и метаном вызывает парниковый эффект атмосферы. Парниковый эффект – нагрев внутренних слоёв атмосферы из-за способности парниковых газов пропускать коротковолновое излучение Солнца и не выпускать длинноволновое излучение Земли. Если бы углекислого газа в атмосфере было в 2 раза больше, то средняя температура земли достигла бы 18°С, сейчас она равна 14-15°С.

Оксид водорода в атмосфере Земли

До сих пор мы говорили о сухом атмосферном воздухе. В действительности же атмосфера включает значительное количество вещества с химической формулой Н₂О. По имеющимся оценкам, общая масса оксида водорода в земной атмосфере постоянна и составляет 1,4 • 10 16 кг, т.е. 0,27% общей массы атмосферы.

Оксид водорода присутствует в атмосфере частично в трех агрегатных состояниях – газообразном (в виде водяного пара), жидком (в виде воды), твердом (в виде льда и снега). Туманы и облака – это огромные скопления мелких водяных капель и ледяных кристаллов.

Атмосфера: аэрозоль в виде тумана

Термин «оксид водорода», как правило, на практике не применяется. Обычно предпочитают говорить о «воде» — газообразной воде (водяном паре), жидкой воде (собственно воде), твердой воде (льде или снеге). Таким образом, три состояния вещества, молекулы которого состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода, рассматривают как три состояния воды.

Если придерживаться такой терминологии, то следовало бы говорить, что, например, бассейн наполнен не водой, а водой в жидком состоянии (или жидкой водой), а о «круговороте воды в природе» говорить как о «замкнутом цикле с перемещениями в пространстве и переходами воды из одного состояния в другие». Но сочетание «вода в атмосфере» встречается намного чаще, чем «оксид водорода в атмосфере».

В земной атмосфере постоянно присутствуют более десяти триллионов тонн оксида водорода. В ней все время совершаются процессы перехода оксида водорода их одного состояния в другое: водяной пар конденсируется в капельки воды и кристаллы льда, кристаллы льда тают, превращаясь в водяные капли, или сублимируют, превращаясь в водяной пар, капли воды испаряются, превращаясь в водяной пар, или замерзают, становясь кристаллами льда. Поэтическая фраза «в небе тают облака» не имеет отношения к физическому процессу таяния льда или снега; она переводится на язык физики так: «в небе происходят процессы испарения и сублимации».

Атмосфера (вернее тропосфера) — фабрика погоды

Десять триллионов тонн воды (правильнее сказать, оксида водорода) в атмосфере! Много это или мало? По сравнению с массой всего Мирового океана эти десять триллионов тонн, конечно, очень малы. Они составляют лишь стотысячную долю всей гидросферы Земли. Однако масса этой стотысячной доли всего в два раза меньше массы воды в Байкале, или в Балтийском море, или во всех пяти Великих североамериканских озерах. Масса оксида водорода в атмосфере в два раза больше массы воды, которая ежегодно изливается в океан самой полноводной рекой Земли Амазонкой. Она в 20 раз больше годового стока Лены и в 60 раз больше годового стока Волги.

Озон в атмосфере

Озон в атмосфере появляется в результате взаимодействия атомарного и молекулярного кислорода. Молекула озона О₃ образуется при соединении молекулы О₂ и атома О в присутствии третьей частицы М (например молекулы N₂), которая берет на себя энергию, выделяющуюся в данном рекомбинационном процессе.

Роль озонового слоя для жизни

Процессы образования и уничтожения молекул озона, обеспечивают существование в атмосфере озонового слоя. Он охватывает весь земной шар и геометрически похож на сферическую оболочку (полый шар) с внутренним радиусом, соответствующим высоте над земной поверхностью около 10 км, и внешним, соответствующим высоте около 30 км. Иными словами, озоновый слой находится в интервале высот от 10 км до 30 км, т.е. в пределах стратосферы.

Строго говоря, молекулы озона рассеяны в относительно малых количествах во всем слое атмосферы от поверхности Земли примерно до высот 80 км, так что наряду со стратосферным озоном существуют также мезосферный озон и тропосферный озон.

Озоновый слой в стратосфере

Большая толщина озонового слоя (все 80 км или, по крайней мере, стратосферные 20 км) не должна вводить в заблуждение. В сущности озоновый слой весьма тонок. Если привести его к нормальным условиям, т. е. мысленно собрать молекулы озона таким образом, чтобы парциальное давление озонового газа стало равно 760 мм рт.ст., то получится слой толщиной всего лишь

3 мм. Такова приведенная толщина всего озонового слоя.

Основная масса озона – это, конечно, стратосферный озон. В тропосфере и, в частности, в приповерхностном слое совсем немного озона. Но именно здесь мы встречаемся с ним непосредственно и можем ощутить на себе его свойства. Всем известен характерный запах озона при его образовании во время грозовых разрядов. Озонированный воздух весьма свеж и не содержит микроорганизмов: озон их убивает.

Существуют специальные технические устройства – озонаторы, в которых образуется озон при тихом (без искр) электрическом разряде в стеклянной трубке, сквозь которую пропускается поток молекулярного кислорода. Озонирование питьевой воды с целью ее обеззараживания широко применяется на практике. Озонированная вода чище и вкуснее хлорированной.

Озонатор

Две глобальные роли стратосферного озона

Ультрафиолетовое излучение с А Ураган

Предположим, что произойдет не исчезновение озонового слоя, а только повсеместное изменение концентрации озона (изменится приведенная толщина озонового слоя). Практически интересны последствия уменьшения концентрации озона в атмосфере, поскольку оно может реально оказаться плодом современной цивилизации. Допустим, концентрация озона в атмосфере уменьшилась в два раза. Как показали модельные расчеты, в этом случае должно произойти охлаждение воздуха в мезосфере на 20-30 °С, а в стратосфере примерно на 10 °С, в результате чего вся вертикальная структура стратосферы и тропосферы может стать в значительной мере неустойчивой. Что же касается последствий неизбежного в данном случае усиления облучения биосферы ультрафиолетовым солнечным излучением, то они трудно предсказуемы, но нет сомнения в том, что эти последствия будут ужасны для живых организмов.

Говоря о влиянии озонового слоя на климат планеты, отметим также, что этот слой поглощает не только излучение УФ-Б, но и инфракрасное излучение с длиной волны 9,6 мкм. Имеется в виду часть инфракрасного излучения, испускаемого нагретой земной поверхностью. Частично задерживая это излучение, озоновый слой вносит определенный вклад в парниковый эффект.

Аэрозольные частицы: загрязнение атмосферы

Аэрозоли относятся к так называемым дисперсным системам. Дисперсная система состоит из множества мелких аэрозольных частиц, которые образуют дисперсную фазу системы и как бы рассеяны в однородной среде (дисперсионной среде). Слово dispersio в переводе с латинского означает рассеяние.

В случае аэрозолей дисперсионная среда – это газообразная среда, а дисперсная фаза – твердые или жидкие частицы, взвешенные (рассеянные) в газообразной среде. Дисперсионная среда – смесь соответствующих газов включая водяные пары. Аэрозоли с жидкой дисперсной фазой имеют специальное название – «туманы», а с твердой дисперсной фазой — «дымы» и «пыли».

Смог над городом Яньтай, Китай

Аэрозольные частицы могут иметь либо природное происхождение, либо антропогенное. Одним из источников естественных аэрозолей служит поверхность Мирового океана. Аэрозоли над океаном возникают в результате разбрызгивания и последующего испарения капель морской воды. Эти капли образуются при сдувании ветром брызг с гребней волн. Основной компонент морских аэрозолей—хлорид натрия NaCl.

Другие источники естественных аэрозолей – вулканические выбросы в атмосферу, ветровая эрозия почв и горных пород, пылевые бури, степные и лесные пожары. Отметим также аэрозоли космического происхождения (метеорная пыль) и биологического происхождения (споры грибов, пыльца растений).

Песчаная буря

Аэрозоли антропогенного происхождения возникают в результате выбросов в атмосферу отходов промышленных и бытовых предприятий и выхлопных газов автомобилей, взрывов, пожаров, вызванных людьми, сжигания свалок и т. п. Сюда же надо отнести пылевые бури в районах с эрозией почвы, обусловленной деятельностью человека.

Аэрозольные частицы загрязняют атмосферу. Это особенно относится к аэрозолям антропогенного происхождения. По сравнению с естественными аэрозолями они существенно токсичнее, биологически опаснее и к тому же могут иметь повышенную концентрацию взвешенных частиц в отдельных районах (например, в крупных промышленных центрах).

Наибольший вклад в загрязнение вносят выбросы в атмосферу от:

Естественные аэрозоли в целом не наносят серьезного ущерба природной среде. Правда, он может оказаться заметным в отдельных районах, например вблизи сильных вулканических извержений. Отметим простирающуюся далеко на запад от побережья Сенегала область Атлантики с постоянным интенсивным выносом пыли из Сахары. Упомянем также интенсивное выпадение соли на океанических островах, достигающее в год сотен тонн на квадратный километр.

Извержение вулкана

Имея в виду главным образом естественные аэрозоли (для них общее количество аэрозольных частиц в атмосфере в десятки раз больше, чем для аэрозолей антропогенного происхождения), мы должны обратить внимание на еще одну важную роль аэрозольных частиц в атмосфере. Именно в результате их присутствия происходит конденсация пересыщенного водяного пара и образуются облака и обычные туманы. Аэрозольные частицы выступают в качестве центров (так называемых ядер конденсации), на которых конденсируется пар, превращаясь в капли воды или кристаллы льда.

Не всякие аэрозольные частицы могут служить ядрами конденсации. Ими могут быть жидкие капельки растворов солей и кислот, растворимые в воде твердые частицы солей, а также нерастворимые, но смачиваемые водой твердые частицы (частицы почвы, горной породы, дыма).

Облака — это капли воды или кристаллики льда, конденсированные вокруг ядер — аэрозольных частиц

Вещества, загрязняющие атмосферу

Загрязняют атмосферу вредные вещества или те, что накапливаются в ней в избыточном количестве. Даже кислород в большом количестве вреден. Атмосфера получает загрязняющие выбросы как в результате естественных природных процессов, так и в ходе деятельности человека. Основными загрязнителями атмосферы являются:

Органические вещества в атмосфере

Выделение органических соединений в окружающую среду – универсальное явление, характерное для всех видов организмов от одноклеточных бактерий до высших растений и животных. Выделение этих веществ происходит в процессах дыхания, выброса отходов метаболизма и в результате деятельности органов внешней секреции.

При составлении глобального баланса органической составляющей атмосферы вклад геологических источников обычно не учитывался. Между тем процессы дегазации верхней мантии Земли сопровождаются выделением широкого спектра органических соединений. Так, в пробах газов вулканов о-ва Кунашир и Камчатки идентифицировано около 100 органических соединений с длиной цепи до 12 углеродных атомов. Источником богатых углеводородами газов являются грязевые вулканы, чаще всего встречающиеся в нефтеносных областях.

Парниковый эффект в атмосфере

Часть приходящего к Земле солнечного излучения поглощается атмосферой и земной поверхностью. Поглощая излучение, тела нагреваются, а остывая, испускают собственное излучение, т. е. сами становятся источниками излучения. Излучение, которое испускают атмосфера и земная поверхность, почти полностью попадает в интервал длин волн между 4 мкм и 100 мкм. На этот интервал приходится менее 1 % интенсивности солнечного излучения, но практически 100% интенсивности излучения Земли и ее атмосферы!

Солнечное излучение в интервале длин волн от 0,32 мкм до 4 мкм относительно легко (с небольшими потерями на поглощение) проходит сквозь земную атмосферу и достигает поверхности. А вот излучение с длинами волн от 4 мкм до 100 мкм испытывает заметное поглощение в атмосфере. Для солнечного излучения этот факт значения не имеет, поскольку в спектре Солнца указанному диапазону соответствует менее 1 % интенсивности. Зато это весьма важно для излучения, испускаемого земной поверхностью.

Проходя через атмосферу, инфракрасное излучение, испускаемое земной поверхностью, в значительной степени поглощается молекулами водяного пара Н₂О, углекислого газа СО₂, метана СН₄, озона О₃ и некоторых других газов. Азот N₂ и кислород О₂ и О для этого излучения прозрачны. Поглощенная энергия подогревает атмосферу, и в результате возникает излучение, распространяющееся обратно к поверхности Земли; его называют противоизлучением атмосферы. Происходит подогрев земной поверхности в данном случае уже не излучением Солнца, а излучением атмосферы.

Парниковый эффект

Атмосфера уподобляется своеобразному одеялу, накрывающему земную поверхность и тем самым препятствующему ее охлаждению. Это напоминает парник. Поэтому и возник термин «парниковый эффект». Газы, поглощающие излучение земной поверхности и испускающие противоизлучение, получили название парниковых газов.

Суть парникового эффекта: испускаемое земной поверхностью излучение не уходит полностью в космос, а частично поглощается парниковыми газами, которые в свою очередь становятся источником излучения, возвращающегося обратно к поверхности Земли.

Для существования жизни на Земле наличие парникового эффекта – счастливое обстоятельство. Без него земная поверхность была бы сильно переохлаждена, ее средняя температура была бы на двадцать градусов ниже точки замерзания воды. Вряд ли оказалось бы возможным развитие растительного мира на суше.

Однако было бы весьма опасным и перегревание земной поверхности в том случае, если бы парниковый эффект существенно усилился. Примером такого перегрева служит Венера.

Ее атмосфера практически целиком состоит из углекислого газа (а он является парниковым газом) и к тому же отличается весьма высокой плотностью (давление у поверхности достигает 90 атм). Вследствие мощного парникового эффекта на Венере температура у ее поверхности достигает 460 °С.

В наше время все чаще высказывается тревога по поводу возможного перегревания земной поверхности из-за усиления парникового эффекта, которое может произойти вследствие увеличения концентрации в атмосфере техногенных парниковых газов.

За последние двести лет концентрация углекислого газа в воздухе возросла на 25%, а метана на 60%. По данным долголетних наблюдений выявлена тенденция — потепление климата на 0,55 °С за сто лет. Это повышение температуры согласуется с теоретическими моделями, построенными на основе учета усиления парникового эффекта в результате возрастания концентрации в атмосфере техногенных парниковых газов.

Значение атмосферы Земли для жизни организмов

Воздушная оболочка нашей планеты значительно отличается от газовых оболочек других планет. Её уникальный состав с одной стороны сделал возможным развитие жизни на Земле, с другой стороны он сам в значительной степени сформировался под воздействием жизни. Он:

Горизонтальные слои атмосферы Земли

Части атмосферы, которые выделяют в ней учёные, следующие: тропосфера и стратосфера, разделённые переходным слоем, называемым тропопаузой, мезосфера, отделяемая от стратосферы стратопаузой, термосфера и экзосфера, разделяемые мезопаузой. Строение атмосферы зависит от плотности содержащихся в её участках газов, от температурного режима и количества ионов.

Кроме того атмосферу делят на нижнюю атмосферу (тропосферу, тропопаузу и стратосферу), среднюю атмосферу (мезосферу, мезопаузу и термосферу) и верхнюю атмосферу (экзосферу). Экзосфера – это внешний слой, который по строгой научной классификации атмосферой не является.

Атмосфера Земли: строение

Нижние слои атмосферы

Как мы видим, почти вся масса атмосферы находится в 50- километровом слое воздуха, прилегающем к земной поверхности.

Естественно, что этот слой воздуха, и прежде всего его нижняя часть, т. е. тропосфера (в среднем от 16-18 км в тропических широтах, 10-12 – в умеренных, до 8-10 км в полярных), и определяет погоду на планете. Содержащиеся в тропосфере и стратосфере водяные пары, углекислый газ, озон и ряд других газов (среди них газы техногенного происхождения) задерживают распространяющееся от Земли в космос инфракрасное излучение и тем самым обеспечивают на земной поверхности определенный температурный режим. Такова сущность парникового эффекта. Погода на Земле определяется в существенной мере вертикальными и горизонтальными перемещениями (потоками) воздушных масс, происходящими как в тропосфере, так и в стратосфере. Достаточно хорошо изучена динамика тропосферы:

Уникальным свойством стратосферы (от 11 км над полюсами, 50 км в тропическом поясе) можно считать наличие в ней озона. Хотя озон можно наблюдать также в тропосфере и даже мезосфере, однако в основном он сосредоточен на высотах между 20 км и 55 км, т. е. в стратосфере. Стратосфера характеризуется инверсией температур. Если при подъёме в тропосфере она уменьшается, то в стратосфере в слое в 25-40 км она начинает повышаться. От 40 до 55 км температура остаётся постоянной (0°С) – стратопауза – пограничный слой между стратосферой и мезосферой.

В стратосфере вплоть до озонового слоя существуют живые организмы – бактерии, вирусы, одноклеточные водоросли. Это называется спорами жизни.

Уникальным свойством тропосферы следует признать наличие в ней облаков. Для их образования необходимо не только наличие ядер конденсации. Нужно также, чтобы воздух был достаточно влажным и чтобы происходило существенное понижение температуры. Наиболее влажен воздух вблизи земной поверхности, т. е. в тропосфере. К тому же в тропосфере температура воздуха с высотой уменьшается. Поэтому естественно, что почти весь облачный покров Земли сосредоточен в пределах тропосферы.

По мере увеличения высоты постепенно ослабляются, а затем и вовсе исчезают хорошо знакомые нам явления – например, распространение звука в воздухе, возникновение аэродинамической подъемной силы и сопротивления, теплопередача посредством конвекции, т.е. посредством перемешивания воздуха. На высотах за пределами стратосферы практически невозможен управляемый аэродинамический полет.

Ионосфера

До сих пор, говоря о составе атмосферного воздуха, мы принимали во внимание только электрически нейтральные атомы и молекулы. Однако наряду с ними в атмосфере имеются заряженные частицы – атомарные и молекулярные ионы и свободные электроны. Ионов и электронов в атмосфере существенно меньше, чем нейтральных частиц.

В приземном слое атмосферы (до высоты 3-5 км) ионизацию воздуха осуществляют космические лучи и радиоактивные газы, поступающие в атмосферу из земной коры. Космические лучи являются основным ионизатором воздуха в пределах всей тропосферы и всей стратосферы.

На высотах больше 50 км (в мезосфере и термосфере) основным ионизатором атмосферы является излучение Солнца в ультрафиолетовой и рентгеновской частях спектра (ультрафиолетовое и рентгеновское излучение). Под действием излучения происходит процесс фотоионизации.

Если буквально расшифровать термин «ионосфера» как «сфера, содержащая ионы», то следовало бы называть ионосферой всю атмосферу. Однако под ионосферой принято понимать атмосферу на высотах, начиная от 50-60 км, т. е. выше не только тропосферы, но и стратосферы.

Объяснение этому можно дать, обратившись к истории вопроса. В самом начале прошлого столетия английский физик Оливер Хэвисайд и американский инженер-электрик Артур Кеннели независимо друг от друга предположили, что вокруг Земли существует ионизированный слой атмосферы, способный подобно своеобразному зеркалу отражать радиоволны. Его сначала назвали слоем Хэвисайда-Кеннели, а затем ионосферой.

Существование слоя, отражающего радиоволны, было экспериментально подтверждено в 20-х г. Согласно сложившимся в те годы представлениям, поверхность земного шара и ионизированный слой атмосферы выполняют роль обкладок гигантского сферического конденсатора, которые действуют на радиоволны подобно тому, как зеркала действуют на световые лучи.

Отражаясь попеременно от слоя ионосферы и от земной поверхности, радиоволны могут огибать земной шар огромными скачками в сотни и тысячи километров и таким образом преодолевать многие тысячи километров. На основе зондирования ионосферы радиоимпульсами ученые заключили, что внутри ионосферы располагаются несколько электронных зеркал – слоев, отражающих радиоволны. Эти слои обозначили в порядке постепенного удаления от поверхности Земли как D-слой, Е-слой, F-слой.

Развернувшиеся во второй половине века исследования ионосферы с помощью ракет и искусственных спутников Земли показали, что никаких сколько-нибудь выраженных ионосферных слоев не существует, а происходит монотонное изменение концентрации электронов с высотой, обнаруживающее основной максимум на высотах 300-350 км. Тот факт, что отражение радиоволн усиливается на определенных высотных участках, связан не с определенными электронными слоями-отражателями, а с изменением с высотой условий отражения. Проще говоря, разным «слоям» (разным высотам) соответствует разная физика процессов, связанных с отражением радиоволн. Поэтому сегодня, говоря об ионосфере, употребляют не термин «слой», а термин «область». Ионосферу разбивают по высоте на области:

Но возвратимся к определению понятия ионосфера. Оно появилось, как было сказано, в связи с исследованиями распространения радиоволн в атмосфере. На их распространение влияет концентрация в атмосфере не ионов, а свободных электронов.

Высотное распределение электронов в ионосфере существенно изменяется в течение суток, что вполне понятно, поскольку обусловленная солнечным излучением фотоионизация атмосферы происходит днем и отсутствует ночью. Не входя в детали, отметим, что ионосфера непрерывно изменяется.

Кроме суточных наблюдаются также другие регулярные изменения ионосферы:

Кроме того, наблюдаются нерегулярные возмущения ионосферы, обусловленные солнечными вспышками.

Снизу ионосфера ограничена высотами 50-60 км. А что следует считать верхней границей ионосферы? На этот счет нет общей договоренности, равно как и нет определенности в вопросе о верхней границе земной атмосферы. В качестве верхней границы ионосферы можно рассматривать, например, высоты, при которых начинают преобладать ионы Н+ (протоны), т.е. высоты порядка 1000 км. Область верхней ионосферы, расположенную еще выше, часто называют протоносферой. Обычно, однако, под ионосферой понимают область атмосферы до высот 500-600 км, т. е. вкладывают ионосферу в мезосферу и термосферу. Недаром иногда термосферу называют также ионосферой.

Понятно, что существование ионосферы нельзя рассматривать как результат только процессов ионизации. Ионосфера существует благодаря происходящим в ней трем основным физико-химическим процессам:

Эти процессы соответствуют трем стадиям жизни ионов: рождению, превращениям и уничтожению. Совокупность этих процессов, их взаимодействие — все это как раз и создает разнообразие ситуаций, наблюдаемых в ионосфере.

Кроме того, важны также процессы диффузии, связанные с перемещением в пространстве электронов и ионов. Роль этих процессов относительно невелика на высотах до

300 км, но возрастает при очень сильном разрежении атмосферы на высотах от 300-400 км.

Не имея возможности в данной статье углубляться в вопросы аэрономии (современной науки о строении и физико-химии верхней атмосферы Земли), не будем рассматривать диффузию, уделив внимание лишь трем упомянутым выше физико-химическим процессам.

В реакции рекомбинации положительный ион соединяется с электроном и появляется нейтральная частица. Зачем здесь нужна некоторая третья частица, обозначенная М? Как и при всякой рекомбинации, при присоединении электрона к иону выделяется энергия, которая ранее была затрачена на ионизацию.

Частица М нужна для того, чтобы принять на себя энергию, выделившуюся при рекомбинации. Не имеет значения, что это за частица, поскольку она не претерпевает в данной реакции химического превращения.

Реакция рекомбинации является обратной по отношению к реакции фотоионизации. Здесь при соединении положительного иона с электроном рождаются нейтральная частица и фотон. Энергия, выделившаяся при рекомбинации, уносится фотоном. Понятно, почему ночью концентрация электронов в ионосфере значительно слабее, чем днем. Ведь ночью процессы фотоионизации отсутствуют, тогда как процессы рекомбинации продолжают действовать.

Северное сияние — результат ионизации атмосферы

Вам будет интересно

Строение растений очень разнообразно и отличаются даже в пределах одного вида. Древнейшие представители флоры, многие…

Вспомните! Как доказать, что Земля шарообразна? Как развивались знания о форме Земли в процессе её…

В ботанике листья – это вегетативные органы, части побега сосудистых растений. В норме они развиваются…

Почему Солнце встаёт на востоке, а садится на западе? В древности египтяне думали, что бог…

Источник