Возникновение и эволюция атмосферы Земли

Современная атмосфера Земли представляет собой результат длительного эволюционного развития. Она возникла в результате совместных действий геологических факторов и жизнедеятельности организмов. В течение всей геологической истории земная атмосфера пережила несколько глубоких перестроек. На основе геологических данных и теоретических (предпосылок первозданная атмосфера молодой Земли, существовавшая около 4 млрд. лет тому назад, могла состоять из смеси инертных и благородных газов с небольшим добавлением пассивного азота (Н. А. Ясаманов, 1985; А. С. Монин, 1987; О. Г. Сорохтин, С. А. Ушаков, 1991, 1993). В настоящее время взгляд на состав и строение ранней атмосферы несколько видоизменился. 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 СO₂ и СО, серы и ее соединений, а также сильных галогенных кислот — НСI, НF, НI и борной кислоты, которые дополнялись находившимися в атмосфере метаном, аммиаком, водородом, аргоном и некоторыми другими благородными газами. Эта первичная атмосфера была чрезвычайно тонкой. Поэтому температура у земной поверхности была близкой к температуре лучистого равновесия (А. С. Монин, 1977).

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 сине-зеленых водорослей в процессе фотосинтеза стал вырабатываться кислород, который, однако, в начале в основном расходовался на «окисление атмосферных газов, а затем и горных пород. При этом аммиак, окислившийся до молекулярного азота, стал интенсивно накапливаться в атмосфере. Как предполагается, значительная чаешь азота современной атмосферы является реликтовой. 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. В том случае, если бы весь углекислый газ, выделившийся за всю историю Земли, сохранился в атмосфере, его парциальное давление в настоящее время могло стать таким же, как на Венере (О. Сорохтин, С. А. Ушаков, 1991). Но на Земле действовал обратный процесс. 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. Появлений; свободного кислорода в атмосфере привело к гибели большинства прокариот, которые обитали в восстановительных условиях. Прокариотные организмы сменили места своего обитания. Они ушли с поверхности Земли в ее глубины и области, где еще сохранялись восстановительные условия. Им на смену пришли эукариоты, которые стали энергично перерабатывать углекислоту в кислород.

В течение архея и значительной части протерозоя практически весь кислород, возникающий как: абиогенным, так и биогенным путем, в основном расходовался на окисление железа и серы. Уже к концу протерозоя все металлическое двухвалентное железо, находившееся на земной поверхностей или окислилось, или переместилось в земное ядро. Это привело к тому, что парциальное давление кислорода в раннепротерозойской атмосфере изменилось.

В середине протерозоя концентрация кислорода в атмосфере достигала точки Юри и составляла 0,01% современного уровня. Начиная с этого времени кислород стал накапливаться в атмосфере и, вероятно, уже в конце рифея его содержание достигло точки Пастера (0,1% современного уровня). Возможно, в вендском периоде возник озоновый слой и Ь этого времени уже никогда не исчезал.

Появление свободного кислорода в земной атмосфере стимулировало эволюцию жизни и привело к возникновению новых форм с более совершенным метаболизмом. Если ранее эукариотные одноклеточные водоросли и цианеи, появившиеся в начале протерозоя, требовали содержания кислорода в воде всего 10^-3 его современной концентрации, то с возникновением бесскелетных Metazoa в конце раннего венда, т. е. около 650 млн. лет тому назад, концентрация кислорода в атмосфере должна была бы быть значительно выше. Ведь Metazoa использовали кислородное дыхание и для этого требовалось, чтобы парциальное давление кислорода достигло критического уровня — точки Пастера. В этом случае анаэробный процесс брожения сменился энергетически более перспективным и прогрессивным кислородным метаболизмом.

После этого дальнейшее накопление кислорода в земной атмосфере происходило довольно быстро. Прогрессивное увеличение объема сине-зеленых водорослей способствовало достижению в атмосфере необходимого для жизнеобеспечения животного мира уровня кислорода. Определенная стабилизация содержания кислорода в атмосфере произошла с того момента, когда растения вышли на сушу, — примерно 450 млн. лет назад. Выход растений на сушу, происшедший в силурийском периоде, привел к окончательной стабилизации уровня кислорода в атмосфере. Начиная с этого времени его концентрация стала колебаться в довольно узких пределах, никогда не всходивших за рамки существования жизни. Полностью концентрация кислорода в атмосфере стабилизировалась со времени появления цветковых растений. Это событие произошло в середине мелового периода, т.е. около 100 млн. лет тому назад.

Основная масса азота сформировалась на ранних стадиях развития Земли, главным образом за счет разложения аммиака. С появлением организмов начался процесс связывания атмосферного азота в органическое вещество и захоронения его в морских осадках. После выхода организмов на сушу азот стал захоронятся и в континентальных осадках. Особенно усилились процессы переработки свободного азота с появлением наземных растений.

На рубеже криптозоя и фанерозоя, т. е. около 650 млн. лет тому назад, содержание углекислого газа в атмосфере снизилось до десятых долей процентов, а содержания, близкого к современному уровню, он достиг лишь совсем недавно, примерно 10—20 млн. лет тому назад.

Таким образом, газовый состав атмосферы не только предоставлял организмам жизненное пространство, но и определял особенности их жизнедеятельности, способствовал расселению и эволюции. Возникающие сбои в распределении благоприятного для организмов газового состава атмосферы как из-за космических, так и планетарных причин приводили к массовым вымираниям органического мира, которые неоднократно происходили в течение криптозоя и на определенных рубежах фанерозойской истории.

Строение атмосферы и характеристика отдельных оболочек[править]

Физическое состояние атмосферы определяется погодой и климатом. Основные параметры атмосферы: плотность воздуха, давление, температура и состав. С увеличением высоты плотность воздуха и атмосферное давление уменьшаются. Вертикальное строение атмосферы характеризуется различными температурными и электрическими свойствами, разным состоянием воздуха. В зависимости от температуры в атмосфере различают следующие основные слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу (сферу рассеяния). Переходные области атмосферы между соседними оболочками называют соответственно тропопауза, стратопауза и т.п.

Схема строения атмосферы

Тропосфера[править]

Тропосфера — нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8—10 км, в умеренных широтах до 10—12 км, на экваторе — 16—18 км. В тропосфере сосредоточено примерно 80—90% всей массы атмосферы и почти все водяные пары. При подъёме через каждые 100 м температура в тропосфере понижается в среднем на 0,65° и достигает 220 К (−53°C) в верхней части. Этот верхний слой тропосферы называют тропопаузой.

Стратосфера[править]

Стратосфера — слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—40 км от −56,5 до 0,8°С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (около 0°С), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.

Именно в стратосфере располагается слой озоносферы («озоновый слой») (на высоте от 15—20 до 55—60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. Важный компонент стратосферы и мезосферы — О₃, образующийся в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте ~ 30 км. Общая масса О₃ составила бы при нормальном давлении слой толщиной 1,7—4,0 мм, но и этого достаточно для поглощения губительного для жизни УФ-излучения Солнца. Разрушение О₃ происходит при его взаимодействии со свободными радикалами, NO, галогенсодержащими соединениями (в т. ч. «фреонами»).

В стратосфере задерживается большая часть коротковолновой части ультрафиолетового излучения (180—200 нм) и происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в видесеверных сияний, зарниц, и др. свечений.

В стратосфере и более высоких слоях под воздействия солнечной радиации молекулы газов диссоциируют — на атомы (выше 80 км диссоциируют СО₂ и Н₂, выше 150 км — О₂, выше 300 км — Н₂). На высоте 100—400 км в ионосфере происходит также ионизация газов, на высоте 320 км концентрация заряженных частиц (О⁺₂, О⁻₂, N⁺₂) составляет ~ 1/300 от концентрации нейтральных частиц. В верхних слоях атмосферы присутствуют свободные радикалы — ОН•, НО•₂ и др.

В стратосфере почти нет водяного пара.

Мезосфера[править]

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80—90 км. Температура воздуха до высоты 75—85 км понижается до −88°С. Верхней границей мезосферы является мезопауза.

Термосфера[править]

Термосфера (другое название — ионосфера) — слой атмосферы, следующий за мезосферой, — начинается на высоте 80—90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере быстро и неуклонно возрастает и достигает нескольких сотен и даже тысяч градусов.

Экзосфера[править]

Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 800 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).

До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до −110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200—250 км соответствует температуре ~1500°С. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.

На высоте около 2000—3000 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные час­тицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы — около 20 %; масса мезосферы — не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000—3000 км.

В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера — это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.

Свойства атмосферы[править]

Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 15 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород.

Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания кислородом. Однако вследствие падения общего давления атмосферы по мере подъёма на высоту соответственно снижается и парциальное давление кислорода.

В лёгких человека постоянно содержится около 3 л альвеолярного воздуха. Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет 110 мм рт. ст., давление углекислого газа — 40 мм рт. ст., а паров воды −47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в лёгких остаётся почти постоянным — около 87 мм рт. ст. Поступление кислорода в лёгкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным этой величине.

На высоте около 19—20 км давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст. Поэтому на данной высоте начинается кипение воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметической кабины на этих высотах смерть наступает почти мгновенно. Таким образом, с точки зрения физиологии человека «космос» начинается уже на высоте 15—19 км.

Плотные слои воздуха — тропосфера и стратосфера — защищают нас от поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное действие на организм оказывает ионизирующая радиация — первичные космические лучи; на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

По мере подъёма на все большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные для нас явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение аэродинамической подъёмной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и др.

В разреженных слоях воздуха распространение звука оказывается невозможным. До высот 60—90 км ещё возможно использование сопротивления и подъёмной силы воздуха для управляемого аэродинамического полёта. Но начиная с высот 100—130 км знакомые каждому лётчику понятия числа М ' и звукового барьера теряют свой смысл, хотя при больших скоростях полёта там ещё можно применить аэродинамическое крыло.

На высотах же 180—200 км начинается сфера чисто баллистического полёта, управлять которым можно, лишь используя реактивные силы. Если при таком полёте развивается центробежная сила, равная силе тяжести на данной высоте, то летательный аппарат становится искусственным спутником Земли.

На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства — способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции (т. е. с помощью перемешивания воздуха). Это значит, что различные элементы оборудования, аппаратуры орбитальной космической станции не смогут охлаждаться снаружи так, как это делается обычно на самолёте, — с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является радиационное излучение.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: