Атмосфера и климаты земли

Состав атмосферы

Атмосфера — газовая оболочка Земли. В настоящее время атмосфера состоит из следующих компонентов:

Азот — 78,08%,.

Кислород — 20,94%,.

Аргон — 0,93%,.

Углекислый газ — 0,03%,.

Прочие газы — 0,02%.

Всего: 100%.

Газовый состав атмосферы формировался параллельно с развитием Земли в специфических условиях: гравитационное поле, магнитное поле, предохраняющее ее от солнечного ветра, и вращение планеты, обеспечивающее благоприятный тепловой режим.

Из теллурических процессов формирования атмосферы необходимо отметить выделение газов из коры и мантии, улетучивание в космическое пространство, реагирование с водой гидросферы и минералами литосферы, расщепление молекул газа солнечной радиацией и, главное на современном этапе, биохимические реакции поглощения и выделения газов организмами.

В начале геологической истории Земля создала вторичную углекислую атмосферу. Образование углекислой атмосферы произошло во многом благодаря магнитосфере. Углекислый газ (CO₂) выделялся из недр Земли при интенсивном тогда вулканизме и орогенезе. В этой древней атмосфере и зародилась жизнь.

С прогрессивным развитием живого вещества развивалась и атмосфера. Когда атмосфера достигла стадии зеленых растений и они, начиная с девона, вышли на сушу, начался один из наиболее важных природных процессов — фотосинтез и сформировалась современная кислородная атмосфера.

Процесс фотосинтеза схематически можно выразить в следующем виде:

CO₂ + 4 H₂O = CH₂O + 3H₂O + O₂

В фотосинтезе участвуют СО₂ и вода. Из четырех частей воды возвращается в окружающую среду три части, или 75%, а одна часть или 25%, разлагается растениями и изымается из влагооборота; при этом всегда выделяется свободный кислород. Главным источником свободного кислорода в географической оболочке служит вода. Роль свободного кислорода в природе исключительно велика. Кислород необходим для второго (после фотосинтеза), жизненного акта — дыхания. За счет кислорода живые организмы получают энергию, необходимую для выполнения многих биологических функций. Кислород входит в состав белков, жиров и углеводов, из которых состоят организмы.

Атмосфера содержит около 10¹⁵ т кислорода. Столько же кислорода проходит через живое вещество: животные поглощают кислород и выделяют углекислый газ, а растения вновь разлагают СО₂, возмещая убыль кислорода. Два этих процесса — фотосинтез и дыхание — поддерживают газовый режим атмосферы. Нарушение газового режима атмосферы чревато многими экологическими опасностями для всех живых существ.

Кислород в атмосфере представлен также озоном (О₃), который образуется при расщеплении молекулы кислорода О₂ ультрафиолетовыми лучами и электрическими зарядами на атомы и соединении образовавшегося атома с молекулой:

О₂ = О + О, О₂ + О = О₃.

Озон — неустойчивый газ и сильный окислитель. У земной поверхности его количество ничтожно; но оно увеличивается после грозы. Главная же масса озона сосредоточена на высотах от 10 до 60 км с максимальной концентрацией в пределах 22−25 км, где он создает озоновый экран. Но и там количество озона невелико: при плотности воздуха, свойственной приземной атмосфере, озон образовал бы слой всего в 2,5−5,2 мм (в зависимости от географической широты и времени года). Роль же озона в географической оболочке чрезвычайно велика: поглощая крайнюю ультрафиолетовую радиацию, он предохраняет живые организмы от ее губительного воздействия.

Азот (N) — один из самых распространенных элементов в земной атмосфере; причем в отличие от кислорода, главная его масса находится в свободном состоянии- 4×10¹⁵ т. Первичным источником кислорода на Земле мог бы быть аммиак:

4 NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O.

Азот принадлежит к числу важнейших биогенных элементов; он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Круговорот азота в географической оболочке осуществляется главным образом микроорганизмами — азотфиксирующими, нитрофицирующими и денитрофицирующими.

Азот в атмосфере играет также и роль разбавителя кислорода, регулируя темп окисления и, следовательно, скорость и напряженность биологических процессов.

Углекислый газ (СО₂) поступает в атмосферу из вулканов, в результате горения и как продукт дыхания животных и разложения органических соединений. Фотосинтез растений и дыхание животных поддерживают относительное равновесие в атмосфере кислорода и углекислого газа. Однако в крупных промышленных центрах содержание СО₂ существенно увеличивается.

Углекислый газ играет в географической оболочке очень важную роль. Он идет на образование живого вещества. Углекислота атмосферы палеозоя законсервирована в каменноугольных отложениях карбона. Вместе с водяным паром СО₂ создает так называемый «оранжерейный эффект»: пропускает к земной поверхности световую радиацию и задерживает, подобно стеклам оранжереи, длинноволновое тепловое излучение. Увеличение количества углекислого газа может привести к потеплению климата, к таянию материковых и горных ледников и повышению уровня Мирового океана.

Обязательной составной частью воздуха нижней атмосферы является вода. Вода в атмосфере находится в газовой фазе (в виде пара), в жидкой фазе (в виде капель облаков и дождя) и в твердой фазе (в виде кристаллов снега и града).

Почти вся атмосферная влага, около 90%, сосредоточена в нижнем 5-километровом слое тропосферы.

Нижние, более всего загрязненные, слои воздуха содержат минеральную пыль, продукты горения, вулканическую пыль, семена, споры и пыльцу растений, а также мельчайшие частицы морской соли, попадающие в воздух при разбрызгивании морской воды прибоем. Соль и некоторые другие взвешенные частицы, например продукты горения, играют роль ядер конденсации водяного пара в воздухе.

В верхнюю атмосферу проникает космическая пыль, в том числе и образующаяся при сгорании метеоритов. Подсчитано, что за год на Землю падает около 1 000 т космической пыли.

Частицы, взвешенные в воздухе, называются атмосферными аэрозолями. В связи с хозяйственной деятельностью человека количество аэрозолей постоянно возрастает и, следовательно, увеличивается мутность атмосферы.

Постоянный газовый состав удерживается в атмосфере до высоты 90−100 км. Эта часть атмосферы называется гомосферой (от греч. гомо — одинаковый). Выше 90−100 км происходит диссоциация (расщепление) молекул газа на атомы ультрафиолетовой и корпускулярной радиацией Солнца. Атмосфера выше 100 км называется гетеросферой (от греч. гетеро — разный).