Сколько кислорода в атмосфере

Состав атмосферы Земли

Атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).

Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H2O) и углекислого газа (CO2).

атмосфера кислород болид тропосфера

Тропосфера. Самый нижний и наиболее плотный слой атмосферы, в котором температура быстро уменьшается с высотой, называется тропосферой. Он содержит до 80% всей массы атмосферы и простирается в полярных и средних широтах до высот 8-10 км, а в тропиках до 16-18 км. Здесь развиваются практически все погодообразующие процессы, происходит тепловой- и влагообмен между Землей и ее атмосферой, образуются облака, возникают различные метеорологические явления, возникают туманы и осадки. Эти слои земной атмосферы находятся в конвективном равновесии и, благодаря активному перемешиванию имеют однородный химический состав, в основном, из молекулярных азота (78%) и кислорода (21%). В тропосфере сосредоточено подавляющее количество природных и техногенных аэрозольных и газовых загрязнителей воздуха.

Вода в атмосфере Земли. Важнейшей особенностью атмосферы Земли является наличие значительного количества водяных паров и воды в капельной форме, которую легче всего наблюдать в виде облаков и облачных структур. Степень покрытия неба облаками (в определенный момент или в среднем за некоторый промежуток времени), выраженная в 10-балльной шкале или в процентах, называют облачностью. Форма облаков определяется по международной классификации. В среднем, облака покрывают около половины земного шара. Облачность — важный фактор, характеризующий погоду и климат. Зимой и ночью облачность препятствует понижению температуры земной поверхности и приземного слоя воздуха, летом и днем — ослабляет нагревание земной поверхности солнечными лучами, смягчая климат внутри материков.

Облака. Облака — скопления взвешенных в атмосфере водяных капель (водяные облака), ледяных кристаллов (ледяные облака) или — тех и других вместе (смешанные облака). При укрупнении капель и кристаллов они выпадают из облаков в виде осадков. Облака образуются, главным образом, в тропосфере. Они возникают в результате конденсации водяного пара, содержащегося в воздухе.

Облака различают по высоте: Согласно международной классификации существует 10 родов облаков: перистые, перисто-кучевые, перисто-слоистые, высококучевые, высокослоистые, слоисто-дождевые, слоистые, слоисто-кучевые, кучево-дождевые, кучевые.

В стратосфере наблюдаются также перламутровые облака, а в мезосфере — серебристые облака.

Перистые облака — прозрачные облака в виде тонких белых нитей или пелены с шелковистым блеском, не дающие тени. Перистые облака состоят из ледяных кристаллов, образуются в верхних слоях тропосферы при очень низких температурах. Некоторые виды перистых облаков служат предвестниками смены погоды.

Перисто-кучевые облака — гряды или слои тонких белых облаков верхней тропосферы. Перисто-кучевые облака построены из мелких элементов, имеющих вид хлопьев, ряби, маленьких шариков без теней и состоят преимущественно из ледяных кристаллов.

Перисто-слоистые облака — белесоватая полупрозрачная пелена в верхней тропосфере, обычно волокнистая, иногда размытая, состоящая из мелких игольчатых или столбчатых ледяных кристаллов.

Высококучевые облака — белые, серые или бело-серые облака нижних и средних слоев тропосферы. Высококучевые облака имеют вид слоев и гряд, как бы построенных из лежащих друг над другом пластинок, округлых масс, валов, хлопьев. Высококучевые облака образуются при интенсивной конвективной деятельности и обычно состоят из переохлажденных капелек воды.

Высокослоистые облака — сероватые или синеватые облака волокнистой или однородной структуры. Высокослоистые облака наблюдаются в средней тропосфере, простираются на несколько км в высоту и иногда на тысячи км в горизонтальном направлении. Обычно высокослоистые облака входят в состав фронтальных облачных систем, связанных с восходящими движениями воздушных масс.

Слоисто-дождевые облака — низкий (от 2 и выше км) аморфный слой облаков однообразно-серого цвета, дающий начало обложному дождю или снегу. Слоисто-дождевые облака — сильно развиты по вертикали (до нескольких км) и горизонтали (несколько тысяч км), состоят из переохлажденных капель воды в смеси со снежинками обычно связаны с атмосферными фронтами.

Слоистые облака — облака нижнего яруса в виде однородного слоя без определенных очертаний, серого цвета. Высота слоистых облаков над земной поверхностью составляет 0,5-2 км. Изредка из слоистых облаков выпадает морось.

Кучевые облака — плотные, днем ярко-белые облака со значительным вертикальным развитием (до 5 км и более). Верхние части кучевых облаков имеют вид куполов или башен с округлыми очертаниями. Обычно кучевые облака возникают как облака конвекции в холодных воздушных массах.

Слоисто-кучевые облака — низкие (ниже 2 км) облака в виде серых или белых не волокнистых слоев или гряд из круглых крупных глыб. Вертикальная мощность слоисто-кучевых облаков невелика. Изредка слоисто-кучевых облака дают небольшие осадки.

Кучево-дождевые облака — мощные и плотные облака с сильным вертикальным развитием (до высоты 14 км), дающие обильные ливневые осадки с грозовыми явлениями, градом, шквалами. Кучево-дождевые облака развиваются из мощных кучевых облаков, отличаясь от них верхней частью, состоящей из кристаллов льда

Стратосфера. Через тропопаузу, в среднем на высотах от 12 до 50 км, тропосфера переходит в стратосферу. В нижней части, на протяжении около 10 км, т.е. до высот около 20 км, она изотермична (температура около 220 К). Затем она растет с высотой, достигая максимума около 270 К на высоте 50-55 км. Здесь находится граница между стратосферой и выше лежащей мезосферой, называемая стратопаузой.

В стратосфере значительно меньше водяных паров. Все же иногда наблюдаются — тонкие просвечивающие перламутровые облака, изредка возникающие в стратосфере на высоте 20-30 км. Перламутровые облака видны на темном небе после захода и перед восходом Солнца. По форме перламутровые облака напоминают перистые и перисто-кучевые облака.

Средняя атмосфера (мезосфера).

На всем протяжении мезосферы температура атмосферы уменьшается до минимального ее значения около 180 К на верхней границе мезосферы (называемой мезопауза, высота около 80 км). В окрестности мезопаузы, на высотах 70-90 км, может возникать очень тонкий слой ледяных кристаллов и частиц вулканической и метеоритной пыли, наблюдаемый в виде красивого зрелища серебристых облаков вскоре после захода Солнца.

В мезосфере большей частью сгорают попадающие на Землю мелкие твердые метеоритные частицы, вызывающие явление метеоров.

Метеоры, метеориты и болиды. Вспышки и другие явления в верхней атмосфере Земли вызванные вторжением в нее со скоростью от 11 км/с и выше твердых космических частиц или тел, называются метеороидами. Возникает наблюдаемый яркий метеорный след; наиболее мощные явления, часто сопровождаемые падением метеоритов, называются болидами; появление метеоров связано с метеорными потоками.

Метеорные дожди производят глубокое впечатление своими световыми эффектами, но отдельные метеоры видны довольно редко. Гораздо многочисленнее невидимые метеоры, слишком малые, чтобы быть различимыми в момент их поглощения атмосферой. Некоторые из мельчайших метеоров, вероятно, совершенно не нагреваются, а лишь захватываются атмосферой. Эти мелкие частицы с размерами от нескольких миллиметров до десятитысячных долей миллиметра называются микрометеоритами. Количество ежесуточно поступающего в атмосферу метеорного вещества составляет от 100 до 10 000 тонн, причем большая часть этого вещества приходится на микрометеориты.

Поскольку метеорное вещество частично сгорает в атмосфере, ее газовый состав пополняется следами различных химических элементов. Например, каменные метеоры привносят в атмосферу литий. Сгорание металлических метеоров приводит к образованию мельчайших сферических железных, железоникелевых и других капелек, которые проходят сквозь атмосферу и осаждаются на земной поверхности.

Метеорит — твердое тело естественного происхождения, упавшее на поверхность Земли из космоса. Обычно различают каменные, железо-каменные и железные метеориты. Последние в основном состоят из железа и никеля. Среди найденных метеоритов большинство имеют вес от нескольких граммов до нескольких килограммов. Крупнейший из найденных, — железный метеорит Гоба весит около 60 тонн и до сих пор лежит там же, где был обнаружен, в Южной Африке. Большинство метеоритов представляют собой осколки астероидов, но некоторые метеориты, возможно, попали на Землю с Луны и даже с Марса.

Болид — очень яркий метеор, иногда наблюдаемый даже днем, часто оставляющий после себя дымный след и сопровождаемый звуковыми явлениями; нередко заканчивается падением метеоритов.

Термосфера — температура, сначала медленно, а потом быстро вновь начинает расти. Причиной является поглощение ультрафиолетового излучения Солнца.

Полярные сияния и множество орбит искусственных спутников, а так же серебристые облака — все эти явления происходят в мезосфере и термосфере.

Полярные сияния. В высоких широтах во время возмущений магнитного поля наблюдаются полярные сияния. Они могут продолжаться несколько минут, но часто видимы в течение нескольких часов. Полярные сияния сильно различаются по форме, цвету и интенсивности, причем все эти характеристики иногда очень быстро меняются во времени.

Полярные сияния — это световая гамма изменяющейся интенсивности с быстрыми движениями, наблюдаемая в высокоширотных районах Земли.

Реальные формы полярных сияний трудно классифицировать; наиболее употребительны следующие термины:

Спокойные однородные дуги или полосы.

Лучи полярного сияния

Пятна или поверхности

Вуаль. Необычная форма полярного сияния, представляющая собой однородного свечение, покрывающее большие участки небосвода.

Озоносфера.

На высотах 20-25 км достигается максимальная концентрация ничтожного количества озона О3 (до 2Ч10-7 от содержания кислорода!), который возникает под действием солнечного ультрафиолетового излучения на высотах примерно от 10 до 50 км, защищая планету от ионизующего солнечного излучения. Несмотря на исключительно малое количество молекул озона, они предохраняют все живое на Земле от губительного действия коротковолнового (ультрафиолетового и рентгеновского) излучения Солнца. Если осадить все молекулы к основанию атмосферы, то получится слой, толщиной не более 3-4 мм! На высотах более 100 км растет доля легких газов, и на очень больших высотах преобладают гелий и водород;

Ионосфера. Излучение Солнца ионизирует атомы и молекулы атмосферы. Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно растет с удалением от Земли.

Количество кислорода в атмосфере Земли падает 800 тысяч лет подряд

Учёные из Китая, США и Франции нашли новый метод отслеживания содержания кислорода в пузырьках воздуха, содержащихся в полярных льдах. Благодаря этому им удалось установить, что содержание этого газа в атмосфере Земли за последние 800 000 лет снизилось на 0,7 процента. Причиной такого события могло стать падение температуры, идущее на Земле в последние миллионы лет. Соответствующая статья опубликована в журнале Science.

Исследователи решили узнать, как менялось количество кислорода в атмосфере планеты в последние 800 000 лет, сравнив, как изменялось соотношение кислорода и азота в образцах льда из Гренландии и Антарктиды. Такой метод был применён учёными впервые. К сожалению, для более ранних эпох новый способ неприменим, так как в ледниках фиксируются пузырьки воздуха в только в том случае, если идёт процесс роста ледникового массива. В последние 800 000 лет ледники Гренландии и Антарктиды в целом росли, а до этого многие миллионы лет их размер был стабилен или уменьшался.

Выяснилось, что за последние 0,8 миллиона лет в содержании кислорода на Земле произошли значительные изменения. Его концентрация снизилась на 0,7 процента. Хотя, на первый взгляд, это небольшое изменение, в действительности это немало. Чтобы такой процесс мог произойти, связывание кислорода должно было идти активнее его выработки растениями примерно на 1,7—2,0 процента. А это эквивалентно миллиардам тонн газа в год, причём, что именно отвечало за его связывание, пока остаётся неясным.

Авторы работы предложили гипотезу, по которой ускоренное связывание кислорода произошло из-за общего охлаждения климата планеты в последние несколько миллионов лет. Как отмечают исследователи, при падении температуры количество кислорода, способного раствориться в единице объёма морской воды, резко растет. На дне океанов кислород постепенно связывается морскими осадочными породами, содержащими углерод. В таком случае общее похолодание климата может привести к связыванию на морском дне значительных объемов кислорода. По расчётам, оно является долговременным и после этого утерянный из атмосферы газ более туда не возвращается.

Если бы процесс такого рода длился несколько десятков миллионов лет, содержание кислорода в воздухе могло упасть куда значительнее, на десятки процентов относительно его современного уровня. Это соответствует условиям на высотах в несколько километров. В случае если данная гипотеза верна, идущее сейчас глобальное потепление потенциально способно увеличить концентрацию кислорода в воздухе.

На данный момент в науке нет чёткого понимания того, как менялась концентрация кислорода в последние сотни миллионов лет. Известно лишь, что уже 800 миллионов лет назад его было достаточно для дыхания крупных животных типа человека, хотя и в два раза меньше, чем сегодня. В последние 500 миллионов лет климат на планете был, как правило, значительно теплее сегодняшнего. Поэтому ряд исследователей допускают, что основную часть этого периода кислорода в воздухе было больше, чем сейчас. В таком случае метаболизм наземных животных мог быть более активным, чем типичный для нашего времени.

Состав

Атмосфера Земли возникла в результате двух процессов: испарения вещества космических тел при их падении на Землю и выделения газов при вулканических извержениях (дегазация земной мантии). С выделением океанов и появлением биосферы атмосфера изменялась за счёт газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах.

Состав сухого воздуха

В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).

Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды ( H 2 O {\displaystyle {\ce {H2O}}} ) и углекислого газа ( CO 2 {\displaystyle {\ce {CO2}}} ), концентрация которого растет с середины XIX века.

Состав сухого воздуха

Газ
Азот 78,084 75,51
Кислород 20,946 23,14
Аргон 0,934 1,3
Углекислый газ 0,03 — 0,04 0,05
Неон 1,818⋅10−3 1,2⋅10−3
Гелий 5,24⋅10−4 8⋅10−5
Метан 1,7⋅10−4 — 2⋅10−4
Криптон 1,14⋅10−4 2,9⋅10−4
Водород 5⋅10−5 3,5⋅10−6
Ксенон 8,7⋅10−6 3,6⋅10−5

Содержание воды в атмосфере (в виде водяных паров) колеблется от 0,2 % до 2,5 % по объёму, и зависит в основном от широты.

Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся N 2 O {\displaystyle {{\ce {N2O}}}} и другие оксиды азота ( NO 2 {\displaystyle {\ce {NO2}}} , NO {\displaystyle {{\ce {NO}}}} ), пропан и другие углеводороды, O 3 {\displaystyle {{\ce {O3}}}} , Cl 2 {\displaystyle {\ce {Cl2}}} , SO 2 {\displaystyle {\ce {SO2}}} , NH 3 {\displaystyle {\ce {NH3}}} , CO {\displaystyle {{\ce {CO}}}} , HCl {\displaystyle {\ce {HCl}}} , HF {\displaystyle {\ce {HF}}} , HBr {\displaystyle {\ce {HBr}}} , HI {\displaystyle {{\ce {HI}}}} , пары Hg {\displaystyle {\ce {Hg}}} , I 2 {\displaystyle {\ce {I2}}} , Br 2 {\displaystyle {\ce {Br2}}} , а также многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль). Самым редким газом в Земной атмосфере является Rn {\displaystyle {\ce {Rn}}} .

Строение атмосферы

Пограничный слой атмосферы

Основная статья: Планетарный пограничный слой

Нижний слой тропосферы (1—2 км толщиной), в котором состояние и свойства поверхности Земли непосредственно влияют на динамику атмосферы.

Тропосфера

Основная статья: Тропосфера

Её верхняя граница находится на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом.
Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 метров.

Тропопауза

Основная статья: Тропопауза

Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.

Стратосфера

Основная статья: 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 минус 56,5 до +0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой. В середине XIX века полагали, что на высоте 12 км (6 тыс. туазов) заканчивается атмосфера Земли (Пять недель на воздушном шаре, 13 гл). В стратосфере располагается озоновый слой, который защищает Землю от ультрафиолетового излучения.

Стратопауза

Основная статья: Стратопауза

Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °C).

Мезосфера

Основная статья: МезосфераАтмосфера Земли

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80—90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25—0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и так далее, обусловливают свечение атмосферы.

Мезопауза

Основная статья: Мезопауза

Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около -90 °C).

Линия Кармана

Основная статья: Линия Кармана

Высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. В соответствии с определением ФАИ, линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.

Термосфера

Основная статья: Термосфера

Верхний предел — около 800 км. Температура растёт до высот 200—300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») — основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца. В периоды низкой активности — например, в 2008—2009 годах — происходит заметное уменьшение размеров этого слоя.

Термопауза

Основная статья: Термопауза

Область атмосферы, прилегающая сверху к термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно и температура практически не меняется с высотой.

Экзосфера (сфера рассеяния)

Основная статья: ЭкзосфераАтмосферные слои до высоты 120 км

Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 500—1000 км (в зависимости от солнечной активности). Газ в экзосфере сильно разрежён, 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 минус 110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200—250 км соответствует температуре ~ 150 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.

На высоте около 2000—3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен редкими 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 разрежённых пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

Анализ данных прибора SWAN на космическом аппарате SOHO показал, что самая внешняя часть экзосферы Земли (геокорона) простирается примерно на 100 радиусов Земли или около 640 тыс. км, то есть гораздо дальше орбиты Луны.

Обзор

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 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.

Другие свойства атмосферы и воздействие на человеческий организм

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 9 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.

С точки зрения физиологии человека «космос» начинается уже на высоте около 19—20 км. На этой высоте давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст. и температура кипения воды равна температуре тела — 36,6 °C, что приводит к кипению воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметичной кабины на этих высотах смерть наступает почти мгновенно.

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 всё 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 другие.

В разрежённых 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: там проходит условная линия Кармана, за которой начинается область чисто баллистического полёта, управлять которым можно, лишь используя реактивные силы.

На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства — способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции (то есть 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 тепловое излучение.

История образования атмосферы

Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли на протяжении истории последней перебыла в трёх различных составах. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера. На следующем этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком, водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера. Эта атмосфера была восстановительной. Далее процесс образования атмосферы определялся следующими факторами:

  • утечка легких газов (водорода и гелия) в межпланетное пространство;
  • химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов.

Постепенно эти факторы привели к образованию третичной атмосферы, характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим — азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

Азот

Образование большого количества азота N 2 {\displaystyle {\ce {N2}}} обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом O 2 {\displaystyle {\ce {O2}}} , который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Также азот N 2 {\displaystyle {\ce {N2}}} выделяется в атмосферу в результате денитрификации нитратов и других азотосодержащих соединений. Азот окисляется озоном до NO {\displaystyle {{\ce {NO}}}} в верхних слоях атмосферы.

Азот N 2 {\displaystyle {\ce {N2}}} вступает в реакции лишь в специфических условиях (например, при разряде молнии). Окисление молекулярного азота озоном при электрических разрядах в малых количествах используется в промышленном изготовлении азотных удобрений. Окислять его с малыми энергозатратами и переводить в биологически активную форму могут цианобактерии (сине-зелёные водоросли) и клубеньковые бактерии, формирующие ризобиальный симбиоз с бобовыми растениями, которые могут быть эффективными сидератами — растениями, которые не истощают, а обогащают почву естественными удобрениями.

Кислород

Состав атмосферы начал радикально меняться с появлением на Земле живых организмов, в результате фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа. Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений — аммиака, углеводородов, закисной формы железа, содержавшейся в океанах и другом. По окончании данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку это вызвало серьёзные и резкие изменения многих процессов, протекающих в атмосфере, литосфере и биосфере, это событие получило название Кислородная катастрофа.

В течение фанерозоя состав атмосферы и содержание кислорода претерпевали изменения. Они коррелировали прежде всего со скоростью отложения органических осадочных пород. Так, в периоды угленакопления содержание кислорода в атмосфере, видимо, заметно превышало современный уровень.

Углекислый газ

Основные статьи: Геохимический цикл углерода, Углекислый газ в атмосфере Земли

Содержание в атмосфере CO 2 {\displaystyle {\ce {CO2}}} зависит от вулканической деятельности и химических процессов в земных оболочках, но более всего — от интенсивности биосинтеза и разложения органики в биосфере Земли. Практически вся текущая биомасса планеты (около 2,4⋅1012 тонн) образуется за счёт углекислоты, азота и водяного пара, содержащихся в атмосферном воздухе. Захороненная в океане, в болотах и в лесах органика превращается в уголь, нефть и природный газ.

Инертные газы

Источниками инертных газов являются вулканические извержения и распад радиоактивных элементов. Земля в целом, и атмосфера в частности, обеднены инертными газами по сравнению с космосом и некоторыми другими планетами. Это относится к гелию, неону, криптону, ксенону и радону. Концентрация же аргона, напротив аномально высока и составляет почти 1 % от газового состава атмосферы. Большое количество данного газа обусловлено интенсивным распадом радиоактивного изотопа калий-40 в недрах Земли.

Загрязнение атмосферы

Основная статья: Загрязнение атмосферы Земли

В последнее время на эволюцию атмосферы стал оказывать влияние человек. Результатом человеческой деятельности стал постоянный рост содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива, накопленного в предыдущие геологические эпохи. Громадные количества CO 2 {\displaystyle {\ce {CO2}}} потребляются при фотосинтезе и поглощаются мировым океаном. Этот газ поступает в атмосферу благодаря разложению карбонатных горных пород и органических веществ растительного и животного происхождения, а также вследствие вулканизма и производственной деятельности человека. За последние 100 лет содержание CO 2 {\displaystyle {\ce {CO2}}} в атмосфере возросло на 10 %, причём основная часть (360 млрд тонн) поступила в результате сжигания топлива. Если темпы роста сжигания топлива сохранятся, то в ближайшие 200—300 лет количество CO 2 {\displaystyle {\ce {CO2}}} в атмосфере удвоится и может привести к глобальным изменениям климата.

Сжигание топлива — основной источник и загрязняющих газов ( CO {\displaystyle {{\ce {CO}}}} , NO {\displaystyle {{\ce {NO}}}} , SO 2 {\displaystyle {\ce {SO2}}} ). Диоксид серы окисляется кислородом воздуха до SO 3 {\displaystyle {\ce {SO3}}} , а оксид азота до NO 2 {\displaystyle {\ce {NO2}}} в верхних слоях атмосферы, которые в свою очередь взаимодействуют с парами воды, а образующиеся при этом серная кислота H 2 SO 4 {\displaystyle {\ce {H2SO4}}} и азотная кислота HNO 3 {\displaystyle {\ce {HNO3}}} выпадают на поверхность Земли в виде так называемых кислотных дождей. Использование двигателей внутреннего сгорания приводит к значительному загрязнению атмосферы оксидами азота, углеводородами и соединениями свинца (тетраэтилсвинец Pb ( CH 3 CH 2 ) 4 {\displaystyle {\ce {Pb(CH3CH2)4}}} ).

Аэрозольное загрязнение атмосферы обусловлено как естественными причинами (извержение вулканов, пыльные бури, унос капель морской воды и пыльцы растений и другое), так и хозяйственной деятельностью человека (добыча руд и строительных материалов, сжигание топлива, изготовление цемента и тому подобное). Интенсивный широкомасштабный вынос твёрдых частиц в атмосферу — одна из возможных причин изменений климата планеты.

Примечания

  1. Будыко М. И., Кондратьев К. Я. Атмосфера Земли // Большая советская энциклопедия. 3-е изд. / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская Энциклопедия, 1970. — Т. 2. Ангола — Барзас. — С. 380—384.
  2. 1 2 Hay W. W. Experimenting on a Small Planet: A History of Scientific Discoveries, a Future of Climate Change and Global Warming. — 2nd ed. — Springer, 2016. — P. 426. — 819 p. — ISBN 9783319274041.
  3. 1 2 100km altitude boundary for astronautics // FAI ASTRONAUTIC RECORDS COMMISSION (ICARE)
  4. Thompson A. Edge of Space Found (англ.). space.com (9 April 2009). Дата обращения 19 июня 2017. Архивировано 5 февраля 2017 года.
  5. Encrenaz T., Bibring J.-P., Blanc M., Barucci M.-A., Roques F., Zarka P. The Solar System. — 3rd ed. — Springer Science & Business Media, 2004. — P. 219. — 514 p. — ISBN 9783662104033.
  6. Saha K. The Earth’s Atmosphere: Its Physics and Dynamics. — Springer Science & Business Media, 2008. — P. 10. — 367 p. — ISBN 9783540784272.
  7. Trends in Atmospheric Carbon Dioxide. Recent Global CO2. Earth System Research Laboratory. Global Greenhouse Gas Reference Network. Дата обращения 6 февраля 2017.
  8. при 0,03 % по объему
  9. IPCC TAR table 6.1 (англ.) (на 1998).
  10. Хромов С. П. Влажность воздуха // Большая советская энциклопедия. 3-е изд. / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская Энциклопедия, 1971. — Т. 5. Вешин — Газли. — С. 149.
  11. Dr. Tony Phillips. A Puzzling Collapse Of Earth’s Upper Atmosphere (англ.). SpaceDaily (16 July 2010). Дата обращения 19 июня 2017.
  12. Baliukin I. I. et al. , 15 February 2019

Ссылки

Атмосфера Земли на Викискладе

  • Почему динозавры были такими большими? // 17 декабря 2013, Центр ФОБОС
  • Interactive global map of current atmospheric and ocean surface conditions

Атмосферы звёзд

Атмосферы планет

Меркурий • Венера • Земля • Марс • Юпитер • Сатурн • Уран • Нептун

Атмосферы спутников

Луна • Диона • Ио • Европа • Ганимед • Каллисто • Энцелад • Титан • Рея • Тритон

Карликовые планеты

Церера • Плутон • Макемаке

Экзопланеты

См. также

В насыщенной углекислым газом атмосфере палеозоя жили первые одноклеточные растения. Для жизни им нужен был фосфор, который не так просто получить из окружающей среды, если нет корней, всасывающих из почвы растворы солей, в том числе фосфоросодержащих — а у клеточных растений корней не было. По окаменелым отпечаткам девонской флоры палеобиологи установили, что тогдашние растения жили в симбиозе с грибами, у которых и получали фосфор — в обмен на связанный углерод.

Земная атмосфера времени появления первых фотосинтезирующих растений на суше сильно отличалась от современной. В ней было очень много углекислого газа — больше 1100 ppm (сейчас концентрация CO2 составляет всего 400 ppm, и защитники окружающей среды бьют тревогу). Наземные растения постепенно сделали атмосферу кислородной, пригодной для появления и развития животных — в том числе и людей. Но в одиночку растения не справились бы — по крайней мере на первых порах, когда у них не было корней (а первые растения были одноклеточными, и корней у них не было), чтобы всасывать из почвы растворенные в ней соли фосфорсодержащих кислот (а фосфор необходим для фотосинтеза).

По окаменелым отпечаткам девонской флоры палеобиологи установили, что тогдашние растения жили в симбиозе с грибами. Особенно много грибов находили в окаменевших болотах Райниевые черты в Шотландии; эти находки легли в основу гипотезы о том, что грибы играли важную роль в экосистеме палеозоя.

Существует гипотеза о том, что именно этот симбиоз позволил растениям развиваться и эволюционировать, в конце концов обзавестись корнями и наполнить атмосферу Земли кислородом, что позднее сделало возможных эволюцию животных, в том числе человека. Многие современные грибы по‑прежнему живут в симбиозе с растениями, поставляя им минеральные вещества (в том числе фосфорсодержащие) из почвы в обмен на связанный углерод.

Палеобиологи из университета Лидса (Великобритания) замерили колебания концентрации CO2 и кислорода в контейнерах с растениями и разными видами современных грибов-симбионтов. Затем на основе экспериментальных данных ученые смоделировали изменение состава атмосферы древней Земли и пришли к выводу, что симбиоз растений и грибов мог оказать существенное влияние на формирование современной атмосферы Земли. Возможно, что грибы помогли одноклеточным растениям жить и развиваться, отрастить корни, обзавестись листьями и в конце концов создать на Земле условия для появления млекопитающих, в том числе и человека.

Исследование в журнале Philosophical Transactions B.