Введение
Уже на раннем этапе своего существования планета Земля имела свою атмосферу.
Самая распространенная теория гласит, что атмосфера Земли пребывала в трёх различных составах. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), которые были захвачены из межпланетного пространства. Это была, так называемая, первичная атмосфера (около четырех миллиардов лет назад).
На следующем этапе, из-за вулканической деятельности, произошло «насыщение» атмосферы другими газами (кроме водорода): углекислым газом, аммиаком и водяным паром. Так, около трех миллиардов лет назад, образовалась вторичная атмосфера. Эта атмосфера была восстановительной. [7]
Далее на процесс образования атмосферы оказали влияние два основополагающих фактора:
o утечка легких газов (водорода и гелия) в межпланетное
пространство;
o химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов.
Постепенно эти факторы привели к образованию третичной атмосферы, которая характеризовалась меньшим содержанием водорода и гораздо большим содержанием азота и углекислого газа.
Рассмотрим подробнее, что входит в понятие «атмосферы Земли».
Общая информация об атмосфере
АТМОСФЕРА – газовая оболочка, окружающая небесное тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава данного небесного тела, а также определяются историей его формирования начиная с момента зарождения. Атмосфера Земли образована смесью газов, называемой воздухом. Ее основные составляющие – азот и кислород в соотношении приблизительно 4:1 (2 слайд).
На человека оказывает воздействие главным образом состояние нижних 15–25 км атмосферы, поскольку именно в этом нижнем слое сосредоточена основная масса воздуха. Наука, изучающая атмосферу, называется метеорологией, хотя предметом этой науки являются также погода и ее влияние на человека. Состояние верхних слоев атмосферы, расположенных на высотах от 60 до 300 и даже 1000 км от поверхности Земли, также изменяется. Здесь развиваются сильные ветры, штормы и проявляются такие удивительные электрические явления, как полярные сияния (3 слайд).
Многие из перечисленных феноменов связаны с потоками солнечной радиации, космического излучения, а также магнитным полем Земли. Высокие слои атмосферы – это также и химическая лаборатория, поскольку там, в условиях, близких к вакууму, некоторые атмосферные газы под влиянием мощного потока солнечной энергии вступают в химические реакции. Наука, изучающая эти взаимосвязанные явления и процессы, называется физикой высоких слоев атмосферы. Атмосфера является самым маленьким из геологических резервуаров Земли. [2]
Большая циркуляция идёт к экватору от плюсов. Ближе к Земли находится тропосфера. Она занимает до 20 км. Стратосфера – второй слой. Она занимает от 20 до 50 км. Мезосфера – третий слой атмосферы, расположенный на высоте от 50 до 90 км. (4 слайд)
Толщина атмосферы — примерно 120 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха в атмосфере — (5,1—5,3)·1018 кг. Из них масса сухого воздуха составляет (5,1352 ±0,0003)·1018 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27·1016 кг.
В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей. Рассмотрим основные из них.
Тропосфера - нижний слой атмосферы. Здесь зарождается большинство бурь и ураганов, а циркуляция воздуха постоянно приводит в движение облака.
В стратосфере царит почти полное затишье, поэтому именно в стратосфере летают реактивные самолеты, избегая турбулентных потоков нижнего слоя.
В холодной мезосфере происходит сгорание метеорных частиц.
Последние слои состоят из чрезвычайно разряженного и электрически заряженного воздуха, где происходят в прямом смысле слова небесные явления - полярные сияния. (5 слайд)
Состав атмосферы
| Газ | Содержание по объёму, % | Содержание по массе, % |
| Азот | 78,084 | 75,50 |
| Кислород | 20,946 | 23,10 |
| Аргон | 0,932 | 1,286 |
| Вода | 0,5-4 | — |
| Углекислый газ | 0,0387 | 0,059 |
| Неон | 1,818×10−3 | 1,3×10−3 |
| Гелий | 4,6×10−4 | 7,2×10−5 |
| Метан | 1,7×10−4 | — |
| Криптон | 1,14×10−4 | 2,9×10−4 |
| Водород | 5×10−5 | 7,6×10−5 |
| Ксенон | 8,7×10−6 | — |
| Закись азота | 5×10−5 | 7,7×10−5 |
Азот
Азот (N) является главным элементом земной атмосферы. Азот – главная составная часть воздуха (78%) В первую очередь, он играет роль разбавителя кислорода, регулирует темп окисления, а, следовательно, скорость и напряженность биологических процессов.
Азот относительно тяжел, нерастворим в воде и химический инертен. Практически не уходит из атмосферы.
Азот встречается в воздухе, в водах рек, морей и океанов (а именно, в микроорганизмах планктона и водорослях), он также обнаружен в составе газовых облаков комет, в туманностях и в атмосфере Солнца. (6 слайд)
Азот входит в состав всех живых организмов. В небольших количествах содержится в каменном угле и нефти. Он оказывает огромное влияние на жизнедеятельность растений и животных: в белках его до 17%, в организме человека в целом около 3%.
Азот участвует в круговороте веществ в природе. Он содержится в газах вулканического происхождения и в изверженных горных породах. [11]
Кислород
Содержание кислорода (O2) в атмосфере Земли – 21%. Он используется живыми организмами для дыхания, входит в состав органического вещества (белки, жиры, углеводы).
Кислород, в отличие от азота, химически очень активный элемент. И наличие большой массы свободного (несвязанного) кислорода в современной атмосфере представляется парадоксальным явлением. Парадокс этот находит объяснение в захоронении органического углерода в процессе фотосинтеза растений. Атмосфера питает кислородом воды океанов, озёр и рек. Специфическая функция кислорода – окисление органического вещества гетеротрофных организмов, горных пород и недоокислённых газов, выбрасываемых в атмосферу вулканами. Без кислорода не было бы разложения мёртвого органического вещества. (7 слайд)
Подсчёты показывают, что в результате фотосинтеза в атмосферу ежегодно поступает 20 * 1016г кислорода. При общем его содержании в атмосфере 1,2 * 1021 г. время одного оборота массы О2 в атмосфере равно примерно 6 тыс. лет. [10]
Кислород является вторым по распространению газом. Исследования показывают, что кислород в атмосфере Земли обновляется в течение 3-4 тыс. лет, т.е. кислород по своей сути – довольно мобильный компонент газовой оболочки.
На ранних этапах развития Земли свободный кислород возникал в очень малых количествах в результате фотодиссоциации (химической реакции, при которой химические соединения разлагаются под действием фотонов электромагнитного излучения) молекул углекислого газа и воды в верхних слоях атмосферы. Однако количество свободного кислорода стало возрастать и в итоге стало сбалансированным, вследствие появления в океане автотрофных и фотосинтезирующих организмов. [4]
Углекислый газ
Углекислый газ (CO2) идет на образование живого вещества, а вместе с водяным паром создает так называемый «оранжерейный (парниковый) эффект».
Значение углерода в биосфере очень велико, так как он входит в состав всех живых организмов.
Миграция СО2 в биосфере протекает двумя способами. Поглощение СО2 происходит преимущественно в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем захоронении в литосфере в виде торфа, угля, нефти, горючих сланцев. (8 слайд)
Также на круговорот и миграцию углерода сильное влияние оказывает массовое сжигание ископаемого топлива и возрастание его содержания в современной атмосфере.[11]
Время пребывания – 4 года.
Аргон
Аргон (Ar) – третий по распространению газ. Большая часть аргона атмосферы поступила из недр Земли на самых ранних этапах ее развития и значительно меньшая часть добавилась впоследствии во время вулканических извержений, по трещинам в земной коре в виде газовых струй, а также при выветривании горных пород. [10] (9 слайд)
Водяной пар
В нижних 20 км содержится водяной пар. В отличие от других газов содержание водяного пара во влажном воздухе не постоянно и зависит от температуры воздуха и характера подстилающей поверхности. Его содержание у земной поверхности колеблется в среднем от 0,2% в полярных широтах до 2,5% в экваториальных. [9]
При оценке водяного пара следует иметь в виду, что он:
1) поддерживает парниковый эффект, так как задерживает длинноволновое тепловое излучение земной поверхности;
2) представляет основное звено больших и малых круговоротов влаги;
3) влияет на климат, повышая температуру воздуха при конденсации водяных паров. (10 слайд)
Соотношение газов в сухом воздухе в тропосфере почти не изменяется с высотой. Что касается водяного пара, то его процентное содержание с высотой уменьшается.
Таким образом, следует отметить, что 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 создала вторичную собственную углекислую атмосферу. Углекислый газ поступал из недр в процессе сильных вулканических извержений. А с появлением зеленых растений кислород стал поступать в атмосферу в результате разложения углекислого газа при фотосинтезе, и состав атмосферы принял современный вид.[14]