- •Курс лекций Концепции современного естествознания Введение
- •Глава 1. Естественнонаучное познание
- •1.1 Наука и ее характерные черты
- •1.2 Естествознание и его отличие от гуманитарных наук
- •1.3. Структура естественнонаучного познания
- •1.4 Методы естественнонаучного познания
- •1.5 Научные революции как трансформация оснований науки
- •Глава 2. Пространство и время в естественнонаучной картине мира
- •Развитие взглядов на пространство и время в истории науки
- •2.2 Специальная теория относительности
- •2.3 Общая теория относительности
- •Глава 3. Физические концепции описания микромира
- •Структурные уровни организации материи
- •3.2 Классификация элементарных частиц
- •3.3. Эволюция представлений о строении атомов
- •Глава 4. Физические концепции описания мегамира
- •4.1 Происхождение и эволюция Вселенной
- •4.2 Эволюция галактик и звезд
- •4.3 Происхождение Солнечной системы
- •4.4 Антропный принцип
- •Глава 5. Термодинамические свойства макросистем
- •5.1 Основные положения равновесной термодинамики
- •5.2 Основные положения неравновесной термодинамики. Синергетика – теория самоорганизации
- •Глава 6. Концепции развития геосферных оболочек Земли
- •6.1 Географическая оболочка и ее особенности
- •6.2 Атмосфера: строение, происхождение, экологические функции
- •6.3 Гидросфера: строение, происхождение, экологические функции
- •6.4. Внутреннее строение Земли. Литосфера и ее экологические функции
- •Глава 7. Особенности биологического уровня организации материи
- •7.1 Критерии и уровни организации живого
- •7.2. Клетка – структурно-функциональная единица живого
- •7.3 Механизм хранения и реализации наследственной информации
- •Глава 8. Происхождение и эволюция органического мира
- •8.1 Концепции происхождения жизни на Земле
- •8.2 Основные этапы эволюции органического мира
- •8.3 Основные закономерности микроэволюции
- •8.4 Видообразование и основные закономерности макроэволюции
- •Глава 9. Человек и его место в биосфере
- •9.1 Положение человека в системе животного мира
- •9.2 Происхождение и эволюция человека
- •9.3 Учение в.И.Вернадского о ноосфере
- •Список рекомендуемой литературы
- •Содержание
6.2 Атмосфера: строение, происхождение, экологические функции
Атмосфера — это газовая оболочка, не имеющая четко выраженной верхней границы и существующая благодаря гравитационному притяжению Земли. Состав у поверхности Земли следующий: азот — 78,1 %, кислород — 20,95 %, аргон — 0,93 % и в незначительных долях процента углекислый газ, водород, гелий, неон и другие газы. На высоте 20—25 км расположен слой озона, который предохраняет живые организмы от коротковолнового (ультрафиолетового) солнечного излучения, пагубно воздействующего на живые организмы.
По резкой смене температур в атмосфере выделяют несколько слоев (сфер). Границы между ними носят название пауз (тропопауза, стратопауза, мезопауза). В самом нижнем слое — тропосфере — температура по мере повышения высоты от земной поверхности падает до -55 °С у полюса и -75 °С у экватора. В ней сосредоточено 4/5 всей массы атмосферы. Она богата азотом и кислородом, насыщена парами воды и углекислым газом. Здесь протекают важные погодные процессы и образуются облака. Температура в тропосфере падает с высотой в среднем на 6 °С на каждый километр. Тропосфера простирается до высоты 12—15 км и отделяется от стратосферы тропопаузой.
В стратосфере происходит резкое повышение температуры, достигающее 0 °С на высоте 55 км, где проходит стратопауза. В стратосфере количество азота и кислорода уменьшается, а содержание водорода, гелия и других легких газов увеличивается. В ней располагается озоновый слой.
Следующий слой атмосферы — мезосфера — располагается в интервале 55 —95 км над поверхностью Земли. В ней продолжается падение температуры с увеличением высоты и достигает -70, -80 °С в мезопаузе.
В термосфере температура повышается, достигая на высоте 400 км 1200 0С. Ее нередко называют ионосферой, так как молекулы газов ионизированы космическим излучением, т. е. лишены верхних электронов и поэтому обладают положительным зарядом. Как и любой ионизированный газ, воздух в термосфере хорошо проводит электричество. К тому же термосфера обладает замечательным свойством — отражает радиоволны, что делает возможной дальнюю связь на Земле.
Выше термосферы располагается экзосфера, представляющая собой переходную область между атмосферой и межпланетным пространством. Характерными ее особенностями являются преобладание газов в атомарном состоянии и очень малая плотность. Здесь наиболее легкие газы покидают атмосферу и рассеиваются в космическом пространстве.
Современная атмосфера представляет собой результат длительного эволюционного развития. Она возникла в результате совместных действий геологических факторов и жизнедеятельности организмов. Первичная атмосфера (протоатмосфера) на самой ранней протопланетной стадии, т.е. старше чем 4,2 млрд. лет, могла состоять из смеси метана, аммиака и углекислого газа. В результате дегазации мантии и протекающих на земной поверхности активных процессов выветривания в атмосферу стали поступать пары воды, соединения углерода в виде СО2 и СО, серы и ее соединений, а также сильных галогенных кислот — НСl, HF, HI и борной кислоты, которые дополнялись находившимися в атмосфере метаном, аммиаком, водородом, аргоном и некоторыми другими благородными газами. Эта первичная атмосфера была чрезвычайно тонкой.
С течением времени газовый состав первичной атмосферы под влиянием процессов выветривания горных пород, выступавших на земной поверхности, жизнедеятельности цианобактерий и сине-зеленых водорослей, вулканических процессов и действия солнечных лучей стал трансформироваться. Привело это к разложению метана на водород и углекислоту, аммиака — на азот и водород; во вторичной атмосфере стали накапливаться углекислый газ, который медленно опускался к земной поверхности, и азот. Благодаря жизнедеятельности синезеленых водорослей в процессе фотосинтеза стал вырабатываться кислород, который, однако, в начале в основном расходовался на окисление атмосферных газов, а затем горных пород. При этом аммиак, окислившийся до молекулярного азота, стал интенсивно накапливаться в атмосфере. Метан и оксид углерода окислялись до углекислоты. Сера и сероводород окислялись до SO2 и SO3, которые вследствие своей высокой подвижности и легкости быстро удалились из атмосферы. Таким образом, атмосфера из восстановительной, какой она была в архее и раннем протерозое, постепенно превращалась в окислительную.
Углекислый газ поступал в атмосферу как вследствие окисления метана, так и в результате дегазации мантии и выветривания горных пород. Значительная часть углекислого газа из атмосферы растворялась в гидросфере, в которой он использовался гидробионтами для построения своей раковины и биогенным путем превращался в карбонаты. В дальнейшем из них были сформированы мощнейшие толщи хемогенных и органогенных карбонатов.
Кислород в атмосферу поступал из трех источников. В течение длительного времени, начиная с момента возникновения Земли, он выделялся в процессе дегазации мантии и в основном расходовался на окислительные процессы. Другим источником кислорода была фотодиссоциация паров воды жестким ультрафиолетовым солнечным излучением. Третьим – процессы фотосинтеза. Стабилизация содержания кислорода в атмосфере произошла с того момента, когда растения вышли на сушу, — примерно 450 млн. лет назад.
Экологические функции атмосферы заключаются в обеспечении условий:
- жизнедеятельности организмов;
- функционирования гидросферы, литосферы и почвы;
- формирования климата;
- возникновения экстремальных явлений и стихийных бедствий;
- развития человечества.
Наряду с экологическими атмосфера обладает и геологическими функциями. Геологическая роль атмосферы заключается в том, что ее строение, элементарный состав, состояние и взаимодействие с литосферой, почвенным покровом, гидросферой, равно как и протекающие в ней процессы, определяются скоростями и масштабностью воздействия на поверхностную часть литосферы физико-химических факторов, которые определяют интенсивность и скорость воздействия агентов выветривания, эрозии, транспортировки и аккумуляции осадочного материала. Атмосфера — важный источник веществ для формирования почв, горных пород и полезных ископаемых. Атмосфера не только является преобразователем солнечной энергии, но и одновременно служит источником строительного материала (оксида углерода) для живых организмов.