Тема 5 атмосфера

5.1. Атмосфера: происхождение, состав, строение, значение для го

Атмосфера – воздушная оболочка Земли, удерживаемая силой притяжения и участвующая во вращении планеты. Сила земного притяжения удерживает атмосферу вблизи поверхности Земли. Наибольшее давление и плотность атмосферы наблюдаются у земной поверхности, по мере поднятия вверх давление и плотность уменьшаются. На высоте 18 км давление убывает в 10 раз, на высоте 80 км – в 75 000 раз. Нижней границей атмосферы является поверхность Земли, верхней границей условно принята высота 1000–1200 км. Масса атмосферы составляет 5,13·10¹⁵ т, причем 99 % этого количества содержится в нижнем слое до высоты 36 км.

Доказательства существования высоких слоев атмосферы следующие:

– на высоте 22–25 км в атмосфере располагаются перламутровые облака;

– на высоте 80 км бывают видны серебристые облака;

– на высоте около 100–120 км наблюдается сгорание метеоритов, т.е. здесь атмосфера обладает еще достаточной плотностью;

– на высоте около 220 км начинается рассеивание света газами атмосферы (явление сумерек);

– полярные сияния начинаются примерно на высоте 1000–1200 км, данное явление объясняется ионизацией воздуха корпускулярными потоками, идущими от солнца. Сильно разреженная атмосфера простирается до высоты 20 000 км, она образует земную корону, незаметно переходя в межпланетный газ.

Атмосфера, как и планета в целом, вращается против часовой стрелки с запада на восток. Из-за вращения она приобретает форму эллипсоида, т.е. толщина атмосферы у экватора больше, чем вблизи полюсов. Она имеет выступ в направлении, противоположном Солнцу, этот «газовый хвост» Земли, разреженный как у комет, имеет длину около 120 тыс. км. Атмосфера связана с другими геосферами тепловлагообменом. Энергией атмосферных процессов служит электромагнитное излучение Солнца.

Развитие атмосферы. Водород и гелий, наиболее распространенные элементы в космосе, входящие в состав протопланетного газопылевого облака, из которого возникла Земля. Вследствие очень низкой температуры этого облака самая первая земная атмосфера состояла из водорода и гелия, т.к. все другие элементы вещества, из которого слагалось облако, были в твердом состоянии. Такая атмосфера наблюдается у планет-гигантов, очевидно, из-за большого притяжения планет и удаленности от Солнца они сохранили первичные атмосферы.

Затем последовал разогрев Земли: тепло порождалось гравитационным сжатием планеты и распадом внутри ее радиоактивных элементов. Земля потеряла водородно-гелиевую атмосферу и создала свою собственную вторичную атмосферу из газов, выделившихся из ее недр (углекислый газ, аммиак, метан, сероводород). Кислород отсутствовал, в атмосфере господствовали восстановительные условия. В настоящее время, подобные атмосферы наблюдаются у Марса и Венеры, они на 95 % состоят из углекислого газа.

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 - CH₄, O₂. С начала фанерозоя (570 млн. лет назад) до середины девонского периода концентрация O₂ составляла меньше половины современной, содержание CO₂ в атмосфере было 10-кратным по отношению к современному.

Последний этап развития азотно-кислородной атмосферы связан с появлением жизни на Земле и с возникновением механизма фотосинтеза. Содержание биогенного кислорода стало возрастать. В конце девона – карбоне в связи с интенсивными процессами вулканизма и бурным развитием наземной растительности содержание O₂ резко увеличилось, превысив современный уровень. На протяжении позднего палеозоя наблюдается снижение содержания O₂, достигшее минимума на границе перми и триаса. В начале юрского периода отмечено его резкое увеличение, превысившее современный уровень в 1,5 раза. Такая ситуация существовала до середины мела, когда произошло снижение концентрации O₂ до современного уровня. Параллельно с этим атмосфера почти полностью потеряла двуокись углерода, часть которого вошла в огромные залежи угля и карбонатов.

Таков путь атмосферы от водородно-гелиевой к современной, главную роль в которой играют азот и кислород, а в качестве примесей присутствуют аргон и углекислый газ.

Атмосферный воздух – механическая смесь газов, в которой во взвешенном состоянии содержатся пыль и вода. Чистый и сухой воздух на уровне моря представляет собой смесь нескольких газов, причём соотношение между главными составляющими атмосферу газами – азотом (объемная концентрация 78,08 %) и кислородом (20,95 %) – постоянно. Кроме них, в атмосферном воздухе содержатся аргон (0,93 %) и углекислый газ (0,03 %). Количество остальных газов – неона, гелия, метана, криптона, ксенона, водорода, йода, угарного газа и оксидов азота – ничтожно мало (менее 0,1 %) (табл. 3).

Таблица 3