Образование атмосферы Земли. Эволюция атмосферы

Из всех известных планет только на Земле сложилась уникальная атмосфера, благоприятная для развития жизни. В процессе эволюции атмосфера Земли пребывала в 3-х резко отличающихся составах.

Первичная атмосфера Земли была захвачена гравитационным полем нашей планеты непосредственно из протопланетного облака ещё в процессе аккреции планет. Состояла такая атмосфера из водорода и гелия. По мнению X.Холланда, первичная атмосфера в основном состояла из метана и водорода.

Предполагается, что в случае водородно-гелиевого состава масса первичной земной атмосферы могла достигать 10 25 -10 26 г, а давление у поверхности намного превышать 10 4 атм. При этом атмосфера становилась полностью непрозрачной и, следовательно, только за счёт парникового эффекта и адиабатического сжатия температура у её основания могла подниматься до десятков тысяч градусов. Однако следует отметить, что никаких геологических следов существования у Земли столь экзотической атмосферы не имеется, а они должны были бы сохраниться в её летописи. Кроме того, любые предположения о существовании у молодой Земли плотной атмосферы чрезвычайно трудно объяснить механизмами её диссипации и переходом от столь экстремальных условий к современным нормальным и комфортным для жизни.

Вторичная земная атмосфера образовалась путём дегазации летучих соединений из мантии в результате извержений вулканов. Этот процесс мог начаться лишь после возникновения в недрах Земли процессов дифференциации земного вещества, появления первых признаков эндогенной тектонической активности на земной поверхности 4-3,8 млрд. лет назад. Естественно предполагать также, что процесс дегазации зависел и от химического состава мантии. Поэтому рассмотрим основные черты эволюции её химического состава.

Удаление железа, его соединений и других сидерофильных элементов (Fe; FeO; FeS; Ni) из исходного земного вещества в зоне сепарации тяжелых фракций, как и дальнейший переход этих элементов из самой мантии в образовавшееся земное ядро, а легко подвижных элементов (Н 2 О; К 2 О; Na 2 O; CO 2 ; N 2 и др.) в земную кору, гидросферу и атмосферу, должно сопровождаться соответствующими изменениями химического состава конвектирующей мантии. По мере удаления из мантийного вещества тяжёлой фракции («ядерного» вещества) относительная концентрация оставшихся в мантии элементов и оксидов возрастала.

Так, в раннем архее после удаления в процессе зонной дифференциации всего железа из первичного вещества содержание наиболее распространённых и малоподвижных оксидов SiO 2 ; MgO; А1 2 О 3 ; СаО начинает возрастать. В настоящее время их концентрация в мантии приблизительно в 1,5 раза выше, чем в первичном земном веществе. Концентрация такого подвижного соединения, как Na 2 О, также несколько повышалась. Соединения Н 2 О, К 2 О и Rb 2 O выносились в большей степени, поэтому их содержание в мантии со временем уменьшилось приблизительно в два раза (если учитывать диссоциацию воды, то для неё такой перепад может оказаться существеннее). В ещё большей мере (в несколько раз) сократились концентрации радиоактивных элементов U и Th в мантии. Происходило это как за счёт распада самих радиоактивных элементов, так и благодаря их преимущественному переходу в континентальную кору. Начиная с середины архея со временем стала уменьшаться и концентрация FeO.

В протерозое и фанерозое, т.е. после начала функционирования бародиффузионного механизма дифференциации земного вещества остаточная концентрация элементов и соединений в мантии в результате перехода железа и его оксидов в ядро стала повышаться. Суммарная концентрация «ядерного» вещества (в пересчёте на Fe 2 O) в мантии начиная с протерозоя со временем уменьшалась.

Таким же путём менялась в послеархейской мантии концентрация никеля, платиноидов, золота, сульфидов железа, свинца, меди и некоторых других сидерофильных элементов, переходящих в земное ядро.

После начала процесса дифференциации земного вещества в раннем архее концентрация металлического железа в конвектирующей мантии должна была быстро снизиться приблизительно до равновесной концентрации в силикатных расплавах. В позднем архее в связи с переходом процесса дифференциации земного вещества на сепарацию значительно более легкоплавких эвтектических сплавов Fe FeO и Fe 2 O концентрация металлического железа в конвектирующей мантии вновь стала возрастать и к концу архея (2,6 10 9 лет назад) достигла уровня 5,5%.

Связано это с тем, что в конце архея (после перехода процесса дифференциации на сепарацию расплавов Fe FeO) произошло резкое снижение температуры конвектирующей мантии, в результате чего плавление металлического железа уже стало невозможным, и поэтому полностью прекратился процесс его зонной сепарации.

Полностью металлическое железо исчезло из мантии только около 0,5 млрд. лет назад. Интересно отметить, что это время близко совпадает со временем появления царства животных и многоклеточных организмов в венде около 0,6 млрд. лет назад.

В течение всей докембрийской истории развития Земли в мантии, а следовательно, и в рифтовых зонах Земли уменьшалось содержание металлического железа - главного химического реагента, активно поглощавшего кислород из гидросферы и атмосферы. Лишь после почти полного исчезновения металлического железа из конвектирующей мантии в земной атмосфере мог накапливаться вырабатываемый растениями (и фотодиссоциацией воды) кислород в количествах, достаточных для появления и нормального функционирования животных форм жизни на Земле.

Непосредственная фильтрация летучих и подвижных элементов и соединений через плотное вещество мантии, характеризующееся вязкостью порядка ~10 20 - 10 23 П, без его плавления практически полностью исключается из-за чрезвычайной малости коэффициентов диффузии в таком веществе: D = 10 -21 - 10 -25 см 2 /с. Следовательно, из мантии во внешние геосферы (континентальную кору, гидросферу и атмосферу) литофильные и летучие компоненты могут переходить лишь по открытым глубинным разломам и только вместе с излияниями базальтовых магм мантийного происхождения.

Важно отметить, что сами процессы дифференциации литофильных и дегазация летучих соединений становятся возможными только благодаря существованию в мантии конвективного массообмена, постоянно доставляющего к поверхности Земли в зоны развития дренирующих разломов всё новые объёмы мантийного вещества, ещё не потерявшие летучих и подвижных составляющих и поэтому способных к сегрегации. Следовательно, скорость хода из мантии подвижных компонентов должна быть пропорциональной скорости конвективного массообмена в ней.

По-видимому, вторичная атмосфера состояла из паров воды, СО 2 и других газовых фракций (H 2 S, CO, H 2 , N 2 , CH 4 , NH 3 , HF, HCl, Аг), т.е. сформировалась за счет поступления газов из внутренних регионов Земли и была существенно восстановительной. Часть выделяющихся газов под воздействием солнечной радиации распадались: водяной пар на водород и кислород, при этом последний вступал в химическую реакцию с оксидом углерода и образовывал углекислый газ; аммиак же разлагался на азот и водород, при этом водород в процессе диффузии улетучивался в космическое пространство и его содержание а атмосфере было невысоким. Необратимая дегазация могла начаться лишь после возникновения в мантии конвективных движений и её перегрева, сопровождавшегося выделением астеносферы.

На то, что архейская и раннепротерозойская атмосфера была резко восстановительной, указывают широко распространенные во многих отложениях того возраста (например, в формации Витватерсранд на юге Африки, формировавшейся длительное время от 3 до 2,2 млрд. лет назад) такие "кислородофобные" минералы, как обломочные пирит и уранинит, а первые несомненные индикаторы присутствия кислорода в атмосфере - красноцветные коры выветривания - появились лишь в среднем протерозое около 1,9-1,8 млрд. лет назад. При этом не следует забывать, что и столь характерные для раннего докембрия обильные отложения оксидно-железных руд также свидетельствуют о бескислородной атмосфере того времени, поскольку заметный перенос железа водным путем мог осуществляться только в его растворимой двухвалентной форме, а окисление железа до трёхвалентного состояния происходило в воде, практически без участия атмосферного кислорода.

Вторичная атмосфера очень походила на современную атмосферу Венеры: практически тот же состав воздуха со значительным преобладанием углекислого газа и значительный парниковый эффект. Содержание наиболее лёгких газов водорода и гелия значительно уменьшилось в результате их улетучивания в космическое пространство.

К этому этапу развития атмосферы относится и образование первых поверхностных водоёмов. Судя по первым осадочным породам, обнаруженных английскими геологами С. Мурбатом, Р.К. О"Найоном и Р.Дж. Панкхерстом в юго-западной Гренландии, можно считать, что океаны на Земле существовали уже 3,8 млрд. лет назад. Несмотря на то, что температура на поверхности планеты в те далёкие времена была намного выше чем сегодня, очень высоким было и давление у её поверхности, а как известно из курса физики: при росте давления температура кипения воды растёт.

Эволюция в сторону современной кислородной атмосферы не происходила до тех пор, пока не начала развиваться жизнь.

Неизвестно, какие случайные события вызвали синтез органических молекул или сборку способных к метаболизму самокопирующихся структур, которые мы называем организмами, но можно догадаться о некоторых необходимых условиях и ограничениях.

В 1950-е годы был большой оптимизм по поводу того, что открытие дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и лабораторный синтез подобных примитивным биомолекул из экспериментальной атмосферы, богатой метаном (СН 4) и аммиаком (NH 3), покажет ясную картину происхождения жизни.

Однако сейчас кажется более вероятным, что синтез биологически важных биомолекул происходил в ограниченных, специфических средах, таких как поверхности глинистых минералов, или в подводных вулканических выходах.

Наиболее вероятные предположения ведут к тому, что жизнь началась в океанах около 4,2-3,8 млрд. лет назад, но здесь нет данных об ископаемых. Древнейшие из известных ископаемых - бактерии из пород с возрастом около 3,5 млрд. лет. В породах этого возраста имеются свидетельства достаточно продвинутого метаболизма, при котором использовалась солнечная энергия для синтеза органического вещества. Самые ранние из этих реакций, вероятно, были основаны на сере (S), поступающей из вулканических выходов:

СО 2 (r) + 2H 2 S(r) > СН 2 О(TB) + 2S(TB) + Н 2 О(Ж) (органическое вещество)

В конце концов было достигнуто фотохимическое разложение воды, или фотосинтез:

Н 2 О(Ж) + СО 2 (r) > СН 2 О(TB) + О 2 (r)

Образование кислорода в процессе фотосинтеза имело важные последствия. Сначала кислород (О 2) быстро потреблялся в процессе окисления восстановленных веществ и минералов. Однако наступил момент, когда скорость поступления превысила потребление и О 2 начал постепенно накапливаться в атмосфере. Первичная биосфера под смертельной угрозой своего собственного отравляющего побочного продукта (О 2) была вынуждена приспосабливаться к таким изменениям. Она осуществляла это посредством развития новых типов биогеохимического метаболизма, которые поддерживают разнообразие жизни на современной Земле. Постепенно возникла атмосфера современного состава. К тому же кислород в стратосфере претерпел фотохимические реакции, приведшие к образованию озона (О 3), защищающего Землю от ультрафиолетового излучения. Для этого было достаточно количества кислорода в 25 тыс. раз меньше чем в настоящий момент и образования слоя озона со всего лишь вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией. Этого уже достаточно, чтобы обеспечить весьма существенную защиту организмов от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей и позволить им начать колонизацию суши.

Одновременно с процессом накопления количества кислорода в атмосфере невысокими темпами росла доля азота, образующегося в результате окисления кислородом аммиачно-водородной атмосферы. Количество углекислого газа уменьшалось по мере эволюции мира растений и роста количества и объёма водоёмов гидросферы.

И в заключении стоит отметить, что все выше рассмотренные биогеохимические преобразования состава атмосферы могли осуществляться только в узком температурном диапазоне существования жидкого состояния воды (0 < Т < 100°С) и в условиях, при которых согревающее нас Солнце является спокойной и небольшой звездой, а Земля расположена от него ровно на таком расстоянии, что средняя температура земной поверхности не превышает 15°С. Если бы светимость Солнца была большей хотя бы в 1,5-2 раза, то Земля неизбежно превратилась бы в Венеру с плотной атмосферой (что наблюдалась на одном из этапов развития атмосферы), а если светимость Солнца была бы меньшей, то замерзла бы, подобно Марсу...

Азот - 78,084%

Кислород - 20,946 %

Аргон - 0,934 %

Углекислый газ - 0,033 %

Неон - 0,000018 %

Гелий - 0,00000524 %

Метан - 0,000002 %

Криптон - 0,0000114 %

Водород - 0,0000005 %

Окислы азота - 0,0000005 %

Ксенон - 0,000000087%

Великий французский ученый А. Лавуазье (1743-1794) первым установил, что воздух представляет собой смесь газов. Лавуазье исследовал эти газы и определил основные их свойства. Однако представления его о природе земной атмосферы частично были ошибочны.

В нижнем слое атмосферы, в тропосфере, состав воздуха сравнительно однороден. Именно этот слой особенно интересен для метеорологов, поскольку в нем формируется погода.

Самый распространенный в атмосфере газ - азот. В нижних слоях атмосферы содержится 78% этого газа. Будучи в газообразном состоянии химически инертным, азот в соединениях, называемых нитратами, играет важную роль в обмене веществ в растительном покрове и животном мире.

Животные не могут усваивать азот непосредственно из воздуха. Но он входит в состав пищи, которую животные получают ежедневно в виде корма. Свободный азот из воздуха захватывается бактериями, содержащимися в корнях таких растений, как бобовые. Нитраты, создающиеся при этом растениями, становятся доступными для животных, питающихся этими растениями.

В биологическом отношении самый активный газ атмосферы - кислород. Его содержание в атмосфере - около 21 % - сравнительно неизменно. Это объясняется тем, что непрерывное использование кислорода животными уравновешивается выделением его растениями. Животные поглощают кислород в процессе дыхания. Растения же выделяют его как побочный продукт фотосинтеза, но и поглощают его при дыхании. В результате этих и других взаимосвязанных процессов общее количество кислорода в земной атмосфере, по крайней мере в настоящее время, более или менее сбалансировано, т. е. приблизительно постоянно.

С точки зрения метеоролога и климатолога одной из самых важных составных частей атмосферы является углекислый газ. Хотя по объему он занимает всего 0,03%, изменение его содержания может коренным образом изменить погоду и . Позднее мы рассмотрим более подробно основные атмосферные процессы, в которых углекислый газ играет важную роль. Однако сейчас интересно отметить, что удвоение содержания углекислого газа в атмосфере, т. е. увеличение его объема до 0,06%, может повысить температуру на земном шаре на 3°С. На первый взгляд такое повышение кажется незначительным. Но оно стало бы причиной коренного изменения . Приблизительно в течение 120 лет, прошедших после начала великой промышленной революции прошлого века, человечество непрерывно увеличивало выброс в атмосферу не только углекислого, но и других газов. И хотя количество углекислого газа в атмосфере пока не удвоилось, средняя температура воздуха на Земле за период с 1869 по 1940 г. тем не менее выросла на 1°С. Правда, предполагают, что содержание углекислого газа на Земле менялось и в прошлом. Изменения эти безусловно могут влиять на климат и потому приковывают к себе внимание метеорологов и климатологов всего мира.

В атмосфере есть газы, которые не участвуют в биологических процессах, однако некоторые из них играют важную роль в переносе энергии в высоких слоях. К числу таких газов относятся аргон, неон, гелий, водород, ксенон, озон (трехатомная разновидность кислорода - О 3).

Кроме перечисленных выше газов в атмосфере находится много веществ в твердом и в жидком состоянии. Так, в атмосферу поступают различные виды пыли (в результате промышленной деятельности человека, при сдувании верхнего слоя почвы ветром), а при вулканических извержениях, кроме того, водяной пар и сернистый газ. В атмосферу переносится с растительного покрова бесчисленное количество пыльцы, спор и семян. В атмосфере встречаются также различные микроорганизмы. Все эти примеси ветер переносит на тысячи километров. Вместе с брызгами морской воды в атмосферу поступают кристаллики солей.

Вулкан Кракатау при извержении, происшедшем в 1883 г., выбросил в атмосферу дым и пепел. В районе извержения при заходе солнца наблюдалась зеленая вечерняя заря. Пепел, занесенный в атмосферу, оказывал значительное влияние на приход на земную поверхность в северном полушарии в течение 1-3 лет. Есть доказательства того, что этот пепел несколько охладил атмосферу.

Различные газы и твердые частицы, попав в атмосферу, по-разному влияют на условия погоды. В частности, они поглощают часть , приходящей к атмосфере извне. Кристаллики солей становятся ядрами конденсации и участвуют в процессах образования дождя и других , т. к. водяной пар конденсируется на кристалликах солей и на других твердых частицах, взвешенных в воздухе.

До начала XX века метеорологи считали всю атмосферу более или менее однородной. В частности, они были убеждены в том, что температура воздуха в атмосфере равномерно убывает с высотой. Лишь в начале XX века было установлено слоистое строение атмосферы.

Исследование высоких слоев атмосферы с помощью различных шаров-зондов и ракет - аэрология - представляет собой сравнительно молодую область метеорологии. В настоящее время уже известно, что с увеличением высоты некоторые физические и химические свойства атмосферы изменяются коренным образом. Первые же вертикальные зондирования показали, что значительно меняется температура воздуха. Но лишь позже выяснилось, что изменяется она далеко не во всех слоях атмосферы одинаково. По мере удаления от Земли свойства атмосферы, в том числе значения температуры, все время изменяются.

Чтобы несколько упростить рассмотрение вопроса, атмосферу подразделяют на три главных слоя. Расслоение атмосферы - в первую очередь результат неодинакового изменения температуры воздуха с высотой. Нижние два слоя сравнительно однородны по составу. По этой причине обычно говорят, что они образуют гомосферу.

Тропосфера. Нижний слой атмосферы называется тропосферой. Сам этот термин означает „сфера поворота" и связан с характеристиками турбулентности данного слоя. Все перемены погоды и климата являются результатом физических процессов, происходящих именно в этом слое. В XVIII веке, поскольку изучение атмосферы ограничивалось только этим слоем, считалось, будто обнаруженное в нем уменьшение температуры воздуха с высотой присуще и всей остальной атмосфере.

Различные превращения энергии происходят в первую очередь именно в тропосфере. Вследствие непрерывного соприкосновения воздуха с земной поверхностью, а также поступления в него энергии из космоса, он приходит в движение. Верхняя граница этого слоя располагается там, где уменьшение температуры с высотой сменяется ее возрастанием,- примерно на высоте 15-16 км над экватором и 7-8 км над полюсами. Как и сама Земля, под влиянием вращения нашей планеты тоже несколько сплющена над полюсами и разбухает над экватором. Однако этот эффект выражен в атмосфере значительно сильнее, чем в твердой оболочке Земли.

В направлении от поверхности Земли к верхней границе тропосферы температура воздуха понижается. Над экватором минимальная температура воздуха составляет около -62°С, а над полюсами около -45°С. Однако в зависимости от пункта измерений температура может быть несколько иной. Так, над островом Ява на верхней границе тропосферы температура воздуха падает до рекордно низкого значения -95°С.

Верхняя граница тропосферы называется тропопаузой. В более 75% массы атмосферы лежит ниже тропопаузы. В тропиках же в пределах тропосферы находится около 90% массы атмосферы.

Тропопауза была открыта в 1899 г., когда в вертикальном профиле температуры на некоторой высоте был обнаружен ее минимум, а затем температура незначительно повышалась. Начало этого повышения означает переход к следующему слою атмосферы - к стратосфере.

Стратосфера. Термин стратосфера означает „сфера слоя" и отражает прежнее представление о единственности слоя, лежащего выше тропосферы. Стратосфера простирается до высоты около 50 км над земной поверхностью. Особенностью ее является, в частности, резкое повышение температуры воздуха по сравнению с исключительно низкими значениями ее в тропопаузе. В температура в стратосфере повышается примерно до -40°С. Это повышение температуры объясняют реакцией образования озона - одной из главных химических реакций, происходящих в атмосфере.

Озон представляет собой особую форму кислорода. В отличие от обычной двухатомной молекулы кислорода (О2). озон состоит из трехатомных его молекул (Оз). Появляется он в результате взаимодействия обычного кислорода с , поступающей в верхние слои атмосферы.

Основная масса озона сосредоточена на высотах примерно 25 км, но в целом слой озона представляет собой сильно растянутую по высоте оболочку, охватывающую почти всю стратосферу. В озоносфере ультрафиолетовые лучи чаще и сильнее всего взаимодействуют с атмосферным кислородом. вызывает распад обычных двухатомных молекул кислорода на отдельные атомы. В свою очередь атомы кислорода часто снова присоединяются к двухатомным молекулам и образуют молекулы озона. Таким же образом отдельные атомы кислорода соединяются в двухатомные молекулы. Интенсивность образования озона оказывается достаточной для того, чтобы в стратосфере существовал слой высокой его концентрации.

Взаимодействие кислорода с ультрафиолетовыми лучами - один из благоприятных процессов в земной атмосфере, способствующих поддержанию жизни на Земле. Поглощение озоном этой энергии препятствует излишнему поступлению ее на земную поверхность, где создается именно такой уровень энергии, который пригоден для существования земных форм жизни. Возможно, в прошлом на Землю поступало большее количество энергии, чем теперь, что и оказывало влияние на возникновение первичных форм жизни на нашей планете. Но современные живые организмы не выдержали бы поступления от Солнца более значительного количества ультрафиолетовой радиации.

Озоносфера поглощает часть , проходщей через атмосферу. В результате этого в озоносфере устанавливается вертикальный градиент температуры воздуха примерно 0,62°С на 100 м, т. е, температура повышается с высотой вплоть до верхнего предела стратосферы - стратопаузы (50 км).

На высотах от 50 до 80 км располагается слой атмосферы, называемый мезосферой. Слово „мезосфера" означает „промежуточная сфера", здесь температура воздуха продолжает понижаться с высотой.

Выше мезосферы, в слое, называемом термосферой, температура снова растет с высотой примерно до 1000°С, а затем очень быстро падает до -96°С. Однако падает не беспредельно, потом температура снова увеличивается.

Расчленение атмосферы на отдельные слои довольно легко заметить по особенностям изменения температуры с высотой в каждом слое.

В отличие от упомянутых ранее слоев, ионосфера выделена не. по температурному признаку. Главная особенность ионосферы - высокая степень ионизации атмосферных газов. Эта ионизация вызвана поглощением солнечной энергии атомами различных газов. Ультрафиолетовые и другие солнечные лучи, несущие кванты высокой энергии, поступая в атмосферу, ионизируют атомы азота и кислорода - от атомов отрываются электроны, находящиеся на внешних орбитах. Теряя электроны, атом приобретает положительный заряд. Если же к атому присоединяется электрон, то атом заряжается отрицательно. Таким образом, ионосфера является областью, имеющей электрическую природу, благодаря которой становятся возможными многие виды радиосвязи.

Ионосферу делят на несколько слоев, обозначая их буквами D, Е, F1 и F2 Эти слои имеют и особые названия. Разделение на слои вызвано несколькими причинами, среди которых самая важная-неодинаковое влияние слоев на прохождение радиоволн. Самый нижний слой, D, в основном поглощает радиоволны и тем самым препятствует дальнейшему их распространению.

Лучше всего изученный слой Е расположен на высоте примерно 100 км над земной поверхностью. Его называют также слоем Кеннелли - Хевисайда по именам американского и английского ученых, которые одновременно и независимо друг от друга обнаружили его. Слой Е, подобно гигантскому зеркалу, отражает радиоволны. Благодаря этому слою длинные радиоволны проходят более далекие расстояния, чем следовало бы ожидать, если бы они распространялись только прямолинейно, не отражаясь от слоя Е

Аналогичные свойства имеет и слой F. Его называют также слоем Эпплтона. Вместе со слоем Кеннелли-Хевисайда он отражаем радиоволны к наземным радиостанциями Такое отражение может происходить под различными углами. Слой Эпплтона расположен на высоте около 240 км.

Самая внешняя область атмосферы часто называется экзосферой.

Этот термин указывает на существование окраины космоса вблизи Земли. Определить, где именно кончается и начинается космос, трудно, поскольку с высотой плотность атмосферных газов уменьшается постепенно и сама плавно превращается почти в вакуум, в котором встречаются лишь отдельные молекулы. С удалением от земной поверхности атмосферные газы испытывают все меньшее притяжение планеты и с некоторой высоты стремятся покинуть поле земного тяготения. Уже на высоте примерно 320 км плотность атмосферы настолько мала, что молекулы, не сталкиваясь друг с другом, могут проходить путь более 1 км. Самая внешняя часть атмосферы служит как бы ее верхней границей, которая располагается на высотах от 480 до 960 км.

Атмосферу можно разделить на слои и по изменению ее газового состава. Это изменение вызвано тем, что поле земного тяготения удерживает атомы и молекулы тяжелых ближе к земной поверхности, чем атомы и молекулы более легких газов.

Гомосфера. До высоты примерно 80 км состав атмосферы сравнительно однороден. Эта часть атмосферы получила название "гомосфера" ("гомо" означает "то же самое").

Гетеросфера. Сразу над гомосферой находится слой, состоящий из двухатомных молекул азота (N2) и некоторого количества таких же молекул кислорода (02). Этот слой простирается до высоты примерно 240 км. Выше него молекулярный азот и молекулярный кислород встречаются редко. Последний содержится здесь лишь в атомарном состоянии (О), а не в обычном, характерном для низких слоев атмосферы. Слой атомарного кислорода простирается примерно до 960 км.

Еще выше, непосредственно над слоем атомарного кислорода, расположен третий газовый слой. Он состоит из атомов гелия (Не) и тянется до высоты 2400 км. Наконец, выше гелиевого слоя обнаруживается слой водорода (Н).

Все эти слои объединяют названием "гетеросфера" ("гетеро" значит "различный"). Газы следующих друг за другом слоев имеют все меньший и меньший атомный вес. Толщина каждого слоя зависит от интенсивности поля земного тяготения на соответствующих высотах и его способности удерживать газы вблизи Земли. Водород и гелий в ничтожно малом количестве обнаруживаются в самых верхних слоях атмосферы, тогда как более тяжелые атомы и особенно молекулы кислорода и азота легко удерживаются на меньшем расстоянии от земной поверхности.

Мы остановимся в первую очередь на явлениях, происходящих в тропосфере. В этом слое источником энергии атмосферных движений служит поглощенная . Чтобы яснее представить себе это, рассмотрим, каким образом реагирует на изменения прихода этой радиации. можно рассматривать как гигантскую тепловую машину, которую в действие приводит (радиация), излучаемая Солнцем и достигающая Земли. Поскольку разные участки Земли нагреваются неодинаково, между ними возникают, перепады атмосферного давления. Эти перепады давления заставляют воздух перемещаться из одних районов в другие и тем самым служат причиной возникновения ветра, шквалов и в конечном счете всей на нашей планете.

Известно, что любой газ как физическое тело не имеет формы, если он не заключен в сосуд. Газ представляет собой в высшей степени подвижную и легко сжимаемую среду, ограниченную стенками сосуда, в котором он находится. В атмосфере он всегда находится под давлением молекул воздуха, содержащегося в вышележащих слоях.

Молекулы газа непрерывно движутся под действием тепла, подводимого к газу. Движущиеся молекулы газа сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда, в котором находятся. Поведение молекул воздуха обычно описывают законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака.

Реагирует на изменения температуры, давления и объема совершенно так же, как и все другие газы. Поэтому метеорологи изучают атмосферу, используя общие газовые законы, известные из физики.

Атмосферу и все содержащиеся в ней примеси удерживает вблизи Земли сила тяжести. Земное тяготение обусловливает вес воздуха, т. е. создает атмосферное давление на поверхности планеты. Это давление испытывает каждый квадратный сантиметр земной поверхности, общая площадь которой составляет 510 миллионов кв км. Так как полный вес атмосферы равен примерно 5 000 000 000 миллионов тонн, то она действует на каждый квадратный сантиметр земной поверхности с силою около 1 кг.

Плотность воздуха на уровне моря составляет округленно 1,3 кг/м3, с высотой она, как и давление, быстро уменьшается.

Воздух представляет собой легко сжимаемую и, как правило, химически устойчивую среду. Вследствие определенного веса молекул и сжимаемости газовой среды большинство молекул, образующих атмосферу, находится в нижнем слое, равном нескольким километрам. Поэтому не меньше половины общей массы атмосферы располагается на высотах до 6 км, хотя в целом она и простирается до высоты нескольких тысяч километров. Вес газовых молекул, находящихся в вертикальном столбе атмосферы, как бы прижимает большинство наземных предметов к земной поверхности. Однако, несмотря на то, что выше 6 км число газовых молекул сравнительно с нижними слоями уменьшается, все же и здесь их еще тоже находится довольно много.

Образование атмосферы Земли началось в далекие времена - в протопланетный этап развития Земли, в период активных вулканических извержений с выбросом огромного количества газов* Позже, когда на Земле появились океаны и биосфера, образование атмосферы продолжилось за счет газообмена между водой, растениями, животными и продуктами их разложения*

В течение всей геологической истории атмосфера Земли претерпела ряд глубоких трансформаций.

Первичная атмосфера Земли. Восстановительная.

В состав первичной атмосферы Земли на протопланетной стадии развития Земли (более 4,2 млрд л. н.) входили преимущественно метан, аммиак и углекислый газ. Затем в результате дегазации мантии Земли и непрерывных процессов выветривания на поверхности земли, состав первичной атмосферы Земли обогатился парами воды, соединениями углерода (СO 2 , СО) и серы, а также сильными галогенными кислотами (НСI, НF, НI) и борной кислотой. Первичная атмосфера была очень тонкая.

Вторичная атмосфера Земли. Окислительная.

В дальнейшем первичная атмосфера стала трансформироваться во вторичную. Это произошло в результате тех же процессов выветривания, происходивших на поверхности земли, вулканической и солнечной активности, а также вследствие жизнедеятельности цианобактерий и сине-зеленых водорослей.

Результатом трансформации стало разложение метана на водород и углекислоту, аммиака – на азот и водород. В атмосфере Земли стали накапливаться углекислый газ и азот.

Сине-зеленые водоросли посредством фотосинтеза стали вырабатывать кислород, который практически весь тратился на окисление других газов и горных пород. В результате этого аммиак окислился до молекулярного азота, метан и оксид углерода – до углекислоты, сера и сероводород – до SO 2 и SO 3 .

Таким образом, атмосфера из восстановительной постепенно превратилась в окислительную.

Образование и эволюция углекислого газа

Источники углекислого газа на ранних этапах образования атмосферы:

• Окисление метана,
• Дегазация мантии Земли,
• Выветривание горных пород.

Содержание углекислоты в атмосфере ранней Земли было весьма значительно. Однако большая ее часть растворялась в водах гидросферы , где участвовала в постройке раковин различных водных организмов, биогенным путем превращаясь в карбонаты.

На рубеже протерозоя и палеозоя (ок. 600 млн. л.н.) содержание углекислого газа в атмосфере уменьшилось и составило всего лишь десятые доли процента от общего объема газов в атмосфере.

Современного уровня содержания в атмосфере углекислый газ достиг лишь 10-20 млн. лет назад.

Образование и эволюция кислорода

в первичной и вторичной атмосфере.

Источники кислорода на ранних этапах образования атмосферы :

• Дегазация мантии Земли – практически весь кислород тратился на окислительные процессы.
• Фотодиссоциация воды (разложения на молекулы водорода и кислорода) в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения - в результате в атмосфере появились свободные молекулы кислорода.
• Переработка углекислоты в кислород эукариотами. Появление свободного кислорода в атмосфере привело к гибели прокариот (приспособленных к жизни в восстановительных условиях) и появлению эукариот (приспособившихся жить в окислительной среде).

Изменение концентрации кислорода в атмосфере.

Архей - первая половина протерозоя – концентрация кислорода 0,01% современного уровня (точка Юри). Практически весь возникающий кислород расходовался на окисление железа и серы. Это продолжалось до тех пор, пока все двухвалентное железо, находящееся на поверхности земли, не окислилось. С этого момента кислород стал накапливаться в атмосфере.

Вторая половина протерозоя – конец раннего венда – концентрация кислорода в атмосфере 0,1% от современного уровня (точка Пастера).

Поздний венд - силурийский период. Свободный кислород стимулировал развитие жизни - анаэробный процесс брожения сменился энергетически более перспективным и прогрессивным кислородным метаболизмом. С этого момента накопление кислорода в атмосфере происходило довольно быстро. Выход растений из моря на сушу (450 млн. л. н.) привел к стабилизации уровня кислорода в атмосфере.

Середина мелового периода . Окончательная стабилизация концентрации кислорода в атмосфере связана с появлением цветковых растений (100 млн. л. н.).

Образование и эволюция азота

в первичной и вторичной атмосфере.

Азот образовался на ранних стадиях развития Земли за счет разложения аммиака. Связывание атмосферного азота и захоронение его в морских осадках началось с появлением организмов. После выхода живых организмов на сушу, азот стал захороняться и в континентальных осадках. Процесс связывания азота особенно усилился с появлением наземных растений.

Таким образом, состав атмосферы Земли определял особенности жизнедеятельности организмов, способствовал их эволюции, развитию и расселению по поверхности земли. Но в истории Земли бывали порой и сбои в распределении газового состава. Причиной этого служили различные катастрофы, которые не раз возникали в течение криптозоя и фанерозоя. Эти сбои приводили к массовым вымираниям органического мира.

Состав древней и современной атмосферы в процентном соотношении приведен в таблице 1.

Таблица 1. Состав первичной и современной атмосферы Земли.

Водяной пар

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд

Описание слайда:

Министерство высшего и среднего образования РФ МБОУ СОШ 43 г. Краснодара ПЕРВИЧНАЯ АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ

2 слайд

Описание слайда:

Пока еще не удалось достоверно установить историю образования атмосферы. Но уже удалось выявить кое-какие вероятные изменения ее состава. Атмосфера стала зарождаться сразу после формирования Земли. В процессе эволюции она почти полностью утратила свою первоначальную атмосферу. На раннем этапе наша планета находилась в расплавленном состоянии. Твердое тело начало формироваться около четырех с половиной млрд лет тому назад. Это время и станет началом геологического летоисчисления.

3 слайд

Описание слайда:

Как раз именно в этот период и начинается медленная эволюция атмосферы. Такие процессы как выброс лавы во время извержения вулканов, сопровождается неизбежным выбросом газов, таких как азот, метан, водяной пар и другие.

4 слайд

Описание слайда:

При воздействии радиации солнца водяной пар разлагается на кислород и водород. Освободившийся кислород вступает в реакцию с оксидом углерода и образовывается углекислый газ. На азот и водород разлагается аммиак. В процессе диффузии водород поднимается вверх и покидает атмосферу. Азот, который намного тяжелее, не может улетучиться, и постепенно накапливался. Таким образом, азот становится основным компонентом

5 слайд

Описание слайда:

В первичной атмосфере Земли содержались углекислый газ и водород, а между ними возможна реакция, ведущая к образованию болотного газа (метана) и водяного пара. Но основная масса воды, по современным представлениям, была дегазирована из магмы в течение первых сотен миллионов лет после образования атмосферы. Вода сразу же сильно усложнила характер взаимодействия между компонентами и самую структуру биогеносферы.

6 слайд

Описание слайда:

Насыщение первичной атмосферы водяными парами, способность воды аккумулировать («медленно остывать») солнечную энергию заметно изменили термодинамические условия внутри биогеносферы и даже за ее пределами. Необходимо учитывать два момента; во-первых, с появлением воды значительно энергичнее стали протекать процессы выветривания, в результате которых «заряжаются» солнечной энергией геохимические аккумуляторы.

7 слайд

Описание слайда:

Во-вторых, продукты выветривания (глины, например) вступали в соединения с большим количеством воды, и это повышало их энергетический барьер, т. е. минералы удалялись от того момента, при котором они могли бы отдать аккумулированную солнечную энергию. Чтобы выделить эту энергию, им нужно было сначала «подсохнуть».

8 слайд

Описание слайда:

Осадочные породы обезвоживались, опускаясь в глубь земной коры в результате превращения глин в слюды. Если раньше они разряжались где-то неподалеку от поверхности, то после появления на Земле воды геохимические аккумуляторы получили возможность за счет влаги уносить солнечную энергию к нижней границе земной коры. Там они отдавали накопленную энергию и тем самым обеспечивали температурный градиент земной коры.

9 слайд

Описание слайда:

При опускании осадочных пород процессу обезвоживания противостоит увеличение давления, которое препятствует освобождению энергии. Магматические очаги - результат бурного освобождения энергии - возникали при тектонических разрывах, когда давление ослабевало. Если учесть, что в ту пору форма Земли была менее устойчивой, чем сейчас, то во взаимодействии этих факторов с геохимической аккумуляцией можно увидеть причину предполагаемой бурной вулканической деятельности на заре геологической истории нашей планеты.

10 слайд

Описание слайда:

При воздействии ультрафиолетовых лучей, а также электрических разрядов. Смесь из газов вступала в химическую реакцию, после которых образовались органические вещества – аминокислоты. Таким образом, жизнь могла зародиться в атмосфере, которая отличается от современной атмосферы.

11 слайд

Описание слайда:

Когда на Земле появились примитивные растения, начал происходить процесс фотосинтеза. Который, как известно, сопровождается выделением свободного кислорода. После диффузии в верхние слои атмосферы этот газ стал защищать нижние слои и поверхность самой Земли от опасного рентгеновского и ультрафиолетового излучения.

12 слайд

Описание слайда:

Можно предположить, что в первичной атмосфере было много углекислого газа, который расходовался в процессе фотосинтеза, по мере эволюции флоры. Ученые так же полагают, что колебания его концентрации повлияли на климатические изменения в ходе развития Земли.

Атмосфера начала образовываться вместе с формированием Земли. В процессе эволюции планеты и по мере приближения ее параметров к современным значениям произошли принципиально качественные изменения ее химического состава и физических свойств. Согласно эволюционной модели, на раннем этапе Земля находилась в расплавленном состоянии и около 4,5 млрд. лет назад сформировалась как твердое тело. Этот рубеж принимается за начало геологического летоисчисления. С этого времени началась медленная эволюция атмосферы. Некоторые геологические процессы, (например, излияния лавы при извержениях вулканов) сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их состав входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид СО и диоксид СО2 углерода. Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом углерода, образуя углекислый газ. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался, становясь основным компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в молекулы в результате химических реакций (см. ХИМИЯ АТМОСФЕРЫ). Под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов, присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции, в результате которых происходило образование органических веществ, в частности аминокислот. С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза, сопровождавшийся выделением кислорода. Этот газ, особенно после диффузии в верхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли от опасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Согласно теоретическим оценкам, содержание кислорода, в 25 000 раз меньшее, чем сейчас, уже могло привести к формированию слоя озона со всего лишь вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией. Однако этого уже достаточно, чтобы обеспечить весьма существенную защиту организмов от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей.

Вероятно, что в первичной атмосфере содержалось много углекислого газа. Он расходовался в ходе фотосинтеза, и его концентрация должна была уменьшаться по мере эволюции мира растений, а также из-за поглощения в ходе некоторых геологических процессов. Поскольку парниковый эффект связан с присутствием углекислого газа в атмосфере, колебания его концентрации являются одной из важных причин таких крупномасштабных климатических изменений в истории Земли, как ледниковые периоды.