Введение
Возможность жизни на любой планете зависит, прежде всего, от того, есть ли там атмосфера, т. е. воздушная оболочка. Только благодаря наличию атмосферы возникла и могла развиться жизнь на Земле. Это она словно куполом прикрыла Землю, с её растительным и животным миром, защищая от пагубного действия ультрафиолетовой и космической радиации, щедро посылаемых Солнцем и Вселенной, а также от всевозможных заряженных частиц, излучаемых космическим пространством. Пропуская лучи Солнца, атмосфера задерживает часть радиации, отражаемой земной поверхностью, а также излучаемой последней, как всяким нагретым телом. Это предохраняет Землю от охлаждения и резких колебаний температуры в течение суток.
Атмосфера - воздушная оболочка между земной корой и космосом, является внешней по отношению к главному источнику энергии (солнечной). Атмосфера составляет по массе одну миллионную часть Земли, т. е. масса атмосферы примерно равна 5,15 * 1015т. Атмосфера представляет собой физическую смесь газов, жидкости (капли воды), твёрдых веществ (пыль, снег, град), аэрозолей.
Масса современной атмосферы составляет приблизительно одну миллионную часть массы Земли. С высотой резко уменьшаются плотность и давление атмосферы, а температура изменяется неравномерно и сложно, в том числе из-за влияния на атмосферу солнечной активности и магнитных бурь. Изменение температуры в границах атмосферы на разных высотах поясняется неодинаковым поглощением солнечной энергии газами. Наиболее интенсивнее тепловые процессы происходят в тропосфере, причем атмосфера нагревается снизу, от поверхности океана и суши.
Происхождение атмосферы
Так как водород и гелий, - наиболее распространённые элементы в космосе, то они, несомненно, входили и в состав протопланетного газово-пылевого облака, из которого возникла Земля. Вследствие очень низкой температуры этого облака (10-20К) самая первая земная атмосфера (если для её удержания масса Земли была достаточна) только и могла состоять из водорода и гелия, так как все другие вещества, из которых слагалось облако, могли быть только в твёрдом состоянии.
Затем последовал разогрев Земли: тепло порождалось гравитационным сжатием планеты и распадом внутри неё радиоактивных элементов. Это послужило стимулом двух процессов: постепенной диссипации водорода и гелия и дегазации мантии Земли. Земля потеряла водородно-гелиевую атмосферу и создала свою собственную первичную атмосферу из газов, выделившихся из её недр. По мнению А.П.Виноградова (1959), в этой атмосфере больше всего было Н2О, затем СО2, СО, НCl, HF, Н2S, N2,
NH4Cl и CH4 (примерно таков же состав и современных вулканических газов). В.А.Соколов полагает, что здесь был также Н2 и NH3 (как и прочие соединения водорода, наследие водородной атмосферы самого первого этапа). Кислород отсутствовал. В атмосфере господствовали восстановительные условия.
Следующий этап развития атмосферы был переходным - от абиогенного к биогенному, от восстановительных условий к окислительным. Главными составными частями газовой оболочки Земли стали N2, CO2, CO, в качестве побочных примесей - СН4, О2. Кислород возникал, по-видимому, в результате диссоциации молекул воды в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетовых лучей Солнца; мог он выделяться и из тех окислов, из каких состояла земная кора. Но подавляющая часть его уходила вновь на окисление минералов земной коры (в докембрийских отложениях есть окислы железа и сульфатов кальция) или на окисление водорода и его соединений в атмосфере. Оттого свободного кислорода в атмосфере было мало.
Последний этап развития атмосферы связан с появлением жизни на Земле и, стало быть, с возникновением механизма фотосинтеза. Постепенно содержание свободного кислорода - на этот раз биогенного - стало возрастать. Параллельно с этим атмосфера почти полностью потеряла двуокись углерода. Часть последнего вошла в огромные залежи угля и карбонатов; в карбонатных породах содержание СО2 в 15000 раз больше, чем в нынешней атмосфере (Рухин, 1959, с.277); если бы вернуть весь СО2 из карбонатов в атмосферу, то давление воздуха на поверхность Земли повысилось бы примерно в 40 раз.
Таков путь от водородно-гелиевой атмосферы до современной, главную роль в которой играют теперь N2 и О2, а в качестве примесей присутствуют Ar и CO2. Современный азот тоже биогенного происхождения. Возраст образования кислородной атмосферы - 1,5 - 2,0 млрд. лет.
Отсутствие кислорода в первичной атмосфере одно время считали условием, неблагоприятным для возникновения жизни, так как ультрафиолетовые лучи, не поглощаемые молекулами кислорода, беспрепятственно достигали земной поверхности. Но, как теперь выяснилось, именно под действием ультрафиолетовых лучей (опыты А.Н.Теренина и других учёных) мог весьма успешно происходить фотосинтез альдегидов и аминокислот из газов первобытной атмосферы (NH3, H2O, CH4, CO2); в дальнейшем, попав в воду, эти соединения защищались от жёсткой радиации слоем воды.
Состав атмосферы
Воздух - смесь газов, отличающаяся, за исключением водяных паров, постоянством химического состава. В сухом воздухе у земной поверхности содержится (% по объёму): азот - 78,08; кислород - 20,96; аргон - 0,93; углекислый газ - 0,03. Есть в воз- духе и другие газы (криптон, ксенон, неон, гелий, водород, йод, радон, метан и некоторые другие), но их содержание ничтожно - тысячные и миллионные доли процента. Таким образом, химический состав воздуха, состоящего более чем на 3/4 из азота, резко отличен от земной коры, бедной азотом.
Пять основных компонентов воздушной тропосферы - азот, кислород, аргон, углекислый газ, водяной пар - различны по своим свойствам, а отсюда и функциональной роли в географической оболочке. Один из них аргон принадлежит к группе инертных газов и не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на процессы, протекающие в географической оболочке.
Азот, самый распространённый газ в воздушной тропосфере, химически мало активен. Являясь составной частью белков и их производных, он, тем не менее, усваивается большинством живых организмов не непосредственно из воздуха, а посредством азот-фиксирующих бактерий и водорослей.
Кислород, в отличие от азота, химически очень активный эле- мент. 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.
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.
Углекислого газа в атмосфере немного, но его роль в функционировании географической оболочки исключительно велика. Он представляет основной строительный материал для создания органического вещества при фотосинтезе:
6СО2 + 6Н2О + Энергия = С6Н12О6 + О2.
В процессе фотосинтеза используется углекислый газ не только атмосферы, но и океана. При деструкции органического вещества большая часть углекислого газа, затраченного на его создание, возвращается обратно в атмосферу и гидросферу. Меньшая часть его захороняется в земной коре в виде каменного угля, нефти, горючих газов и рассеянного органического вещества. Возникающий дисбаланс углекислого газа в атмосфере исправляется выносом его из недр Земли вулканами.
Значение углекислого газа атмосферы для географической оболочки не ограничивается его участием в создании органического вещества. Важные последствия имеет свойство углекислого газа пропускать коротковолновую солнечную радиацию и поглощать часть теплового длинноволнового излучения, что создаёт так называемый парниковый эффект, выраженный в повышении температуры воздуха вблизи поверхности земли. 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.
При оценке водяного пара следует иметь в виду, что он:
1. поддерживает парниковый эффект, так как задерживает длинно- волновое тепловое излучение земной поверхности;
2. представляет основное звено больших и малых круговоротов влаги;
3. влияет на климат, повышая температуру воздуха при конденсации водяных паров. Соотношение газов в сухом воздухе в тропосфере почти не изменяется с высотой. Что касается водяного пара, то его процентное содержание с высотой уменьшается.
На высоте 20 - 30 км. («озоновая завеса») расположен слой озона (О3). Озон образуется под действием ультрафиолетовых лучей Солнца, и хотя общее количество его незначительно, играет важную роль в атмосфере. Озон обладает способностью поглощать ультрафиолетовую радиацию Солнца и тем самым предохраняет животный и растительный мир от её губительного действия.
Строение атмосферы
Атмосфера простирается вверх на много сотен километров. Верхняя её граница, на высоте около 2000 - 3000 км, в известной мере условна, так как газы, её составляющие, постепенно разрежаясь, переходят в мировое пространство. С высотой меняются химический состав атмосферы, давление, плотность, температура и другие её физические свойства. Химический состав воздуха до высоты 100 км. существенно не меняется. Несколько выше атмосфера также состоит главным образом из азота и кислорода. Но на высотах 100 - 110 км., под действием ультрафиолетовой радиации солнца, молекулы кислорода расщепляются на атомы и появляется атомарный кислород. Выше 110 - 120 км. кислород почти весь становится атомарным. Предполагается, что выше 400 - 500 км. газы, составляющие атмосферу, также находится в атомарном состоянии.
Давление и плотность воздуха с высотой быстро уменьшаются. Хотя атмосфера простирается вверх на сотни километров, основная масса её размещается в довольно тонком слое, прилегающем к поверхности земли в самых нижних её частях. Так, в слое между уровнем моря и высотами 5 - 6 км. сосредоточена половина массы атмосферы, в слое 0 - 16 км. - 90%, а в слое 0 - 30 км. - 99%. Такое же быстрое уменьшение массы воздуха происходит выше 30 км. Если вес 1 м3воздуха у поверхности земли равен 1033 г., то на высоте 20 км. он равен 43 г., а на высоте 40 км. лишь 4 г.
На высоте 300 - 400 км. и выше воздух настолько разрежён, что в течение суток плотность его изменяется во много раз. Исследования показали, что это изменение плотности связано с положением Солнца. Наибольшая плотность воздуха около полудня, наименьшая - ночью. Объясняется это отчасти тем, что верхние слои атмосферы реагируют на изменение электромагнитного излучения Солнца.
Изменение температуры воздуха с высотой происходит также неодинаково. По характеру изменения температуры с высотой атмосфера делится на несколько сфер, между которыми располагаются переходные слои, так называемые паузы, где температура с высотой мало изменяется.
История изучения стратосферы
Стратосфера – это слой земной атмосферы на высоте от 11 до 50 километров. Нижний слой атмосферы – тропосферу – отделяет от стратосферы область тропопаузы.
Стратосфера разделяется на два слоя – верхний и нижний. Нижний простирается с 11 до 25 км, а верхний – с 25 до 50 км.
Особенностью стратосферы является повышение температуры с высотой – с -56С до +0,8С.
На высоте примерно 35 км плотность земной атмосферы уже практически мало чем отличается от вакуума и составляет примерно 1/100 от плотности на уровне моря. Примерно такая же плотность у атмосферы Марса на уровне его поверхности.
В стратосфере практически нет облачности, так как там атмосфера уже слишком разреженная, а значит, там мало водяного пара, однако на высоте 22-24 км все же наблюдаются перламутровые облака из кристалликов льда.
Стратосфера содержит 90% всего озона (модификация кислорода из молекул O3) в атмосфере Земли. Озоновый слой поглощает дальний ультрафиолет (частота излучения 200-300 нм), губительный для живых организмов. К сожалению, с 1980-х годов в стратосфере над Антарктидой наблюдается устойчивое явление – озоновая дыра или пониженное содержание озона.
Функции стратосферы
Стратосфера призвана защищать Землю от вредных ультрафиолетовых лучей. Данная функция реализуется через озоновый слой, который обладает, как положительными, так и отрицательными качествами. В частности, если люди страдают легочными болезнями, то их отправляют в сосновые леса, где очень много озона.
Но если на Земле будет происходить увеличение озона, то это станет причиной гибели урожая, лесов, растений, заканчивается выработка обычного кислорода, которым дышат люди и животные. Поэтому ученые обеспокоены тем, что в конце 20 – начале 21 вв. появилась проблема истощения озонового слоя, что проявляется в образовании дыр.
Через них проходят лучи, идущие из Космоса, и способные убить флору и фауну, прекратить существование людей. Самые большие дыры образованы над Антарктидой.
Полёты в стратосфере
Полёты в стратосферу начались в 1930-х годах. Широко известен полёт на первом стратостате (FNRS-1), который совершили Огюст Пикар и Пауль Кипфер 27 мая 1931 года на высоту 16,2 км. В СССР полёты Пикара вызвали большой интерес, и в 1933−1934 годах были построены стратостаты «СССР-1» и «Осоавиахим-1». 30 сентября 1933 «СССР−1» конструкции К. Д. Годунова совершил полёт на высоту 19 км, установив новый мировой рекорд. Вместе с Годуновым стратостат пилотировали Э. К. Бирнбаум и выдающийся советский воздухоплаватель Г. А. Прокофьев.
Современные боевые и сверхзвуковые коммерческие самолёты летают в стратосфере на высотах до 20 км ввиду более стабильных летных условий (хотя динамический потолок может быть значительно выше). Высотные метеозонды поднимаются до 40 км; рекорд для беспилотного аэростата составляет 51,8 км.
В последнее время в военных кругах США большое внимание уделяют освоению слоёв стратосферы выше 20 км, часто называемых «предкосмосом» («мезосфера»). Предполагается, что беспилотные дирижабли и самолёты на солнечной энергии (наподобие NASA Pathfinder) смогут длительное время находиться на высоте порядка 30 км и обеспечивать наблюдением и связью очень большие территории, оставаясь при этом малоуязвимыми для средств ПВО; такие аппараты будут во много раз дешевле спутников.
Список используемой литературы
1. Погосян Х.П., Туркетти З.Л. «Атмосфера Земли». М.,1970.
2. Соколов В.А. «Возникновение жизни на Земле». М.,1959.
3. Соколов В.А. «Геохимия газов земной коры и атмосферы». М.,1966.
4. wikipedia.org/wiki/Атмосфера_Земли
5. https://wiki2.org/ru/Стратосфера