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.
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. 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.
В первичной атмосфере Земли наверняка 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 (Виноградов, 1967), 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. 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. 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». Осадочные породы обезвоживались, опускаясь в глубь земной коры в результате превращения глин в слюды (серицитизацня). 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 в нижние горизонты биогеносферы и даже за ее пределы, к нижней границе земной коры. Там они отдавали накопленную энергию и тем самым обеспечивали температурный градиент земной коры.
Необходимо, однако, иметь в виду и следующее. При опускании осадочных пород процессу обезвоживания противостоит увеличение давления, которое препятствует освобождению энергии. Вероятно, что магматические очаги - результат бурного освобождения энергии - возникали при тектонических разрывах и т. п., т. е. когда давление ослабевало. Если учесть, что в ту пору форма Земли была менее устойчивой, чем сейчас, и смещение масс протекало более энергично, то во взаимодействии этих факторов с геохимической аккумуляцией можно увидеть причину предполагаемой бурной вулканической деятельности на заре геологической истории нашей планеты.
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.
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.
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.
В современной атмосфере присутствует гелий, который образовывается в результате радиоактивного распада тория, урана и радия. Эти частицы испускают альфа-частицы. Это ядра атомов гелия.
Так как в ходе радиоактивного распада не образуется электрический заряд и не исчезает, то на каждую альфа-частицу приходится по два электрона. Она соединяется с ними. В результате слияния образуются нейтральные атомы гелия.

Значительная часть гелия содержится в минералах, которые рассеяны в толщине горных пород и очень медленно улетучивается в атмосферу. Небольшое количество гелия из-за диффузии поднимается наверх в экзосферу. А так как от Земли идет постоянный приток, то объем этого газа в атмосфере остается неизменным.
Оценить относительное содержание разных химических элементов во Вселенной можно на основании спектрального анализа от света звезд, а так же от излучения метеоритов.
В космосе концентрация неона выше в десять миллиардов раз, чем на Земле. Криптона больше в десять миллионов раз, ксенона – в миллион раз.
Можно сделать вывод, что изначально концентрация этих газов в атмосфере Земли очень сильно снизилась и не пополнялась. Происходило это еще на этапе, когда Земля утратила свою первичную атмосферу. Исключением стал инертный газ аргон. Он в форме изотопа и сейчас образуется при радиоактивном распаде изотопа калия.

Атмосфера (от греческого «атмос» - пар, «сфера» - шар) - это воздушная внешняя газовая оболочка планеты, которая окружает Земной шар, вращается вместе с ним, защищает всё живое на Земле от губительного влияния радиации.

По поводу возникновения атмосферы учёные выделяют две гипотезы.

Согласно первой гипотезе – атмосфера газообразная выплавка первичного материала, когда-то покрывавшему раскалённую Землю. Большинство учёных придерживаются второй гипотезы, которая утверждает, что атмосфера является вторичным образованием, возникшем при образовании газовых химических элементов и соединений из расплавленного вещества.

Первая атмосфера образовалась вокруг Земли во время сгущения пыли и газа, она превосходила нашу нынешнюю в 100 раз. Источниками газообразных веществ, из которых состояла первичная атмосфера, были расплавленные горные породы Земной коры, мантии и ядра. Это говорит о том, что атмосфера возникла уже после того, как Земля разделилась на оболочки.

Крупнейшие учёные предполагают, что ранняя атмосфера состояла из смеси водяного пара, водорода, углекислого газа, угарного газа и серы. Следовательно, первичная атмосфера состояла из лёгких газов, которые удерживались у Земной поверхности силами тяготения. Если сравнить древнейшую атмосферу с современной, то в ней отсутствовали привычные азот и кислород. Эти газы, вместе с парами воды находились тогда в глубоких недрах Земли. Мало в то время было воды: она в виде гидроксилов входила в состав мантийного вещества. Только после того, как из пород верхней мантии стали интенсивно высвобождаться водяной пар и различные газы, возникла гидросфера, а толщина атмосферы и её состав изменился.

Кстати, эти процессы продолжаются до сих пор.

Например, при извержении вулканов гавайского типа, при температуре 1000 0 -1200 0 С в газовых выбросах содержится до 80% паров воды и менее 6% углекислого газа. Кроме того, в современную атмосферу выбрасывается большое количество хлора, метана, аммиака, фтора, брома, сероводорода. Можно себе представить, какое огромное количество газов выбрасывалось в глубокой древности во время грандиозных извержений.

Первичная атмосфера была очень агрессивной средой и действовала на горные породы как сильная кислота. Да и температура её была очень высокой. Но как только температура понизилась, произошла конденсация пара. Первичная атмосфера Земли сильно отличалась от современной. Она была значительно более плотной и состояла в основном из углекислого газа. Резкое изменение состава атмосферы произошло 2 – 2,5 млрд. лет назад и связанно с зарождением жизни.

Растения каменноугольного периода в истории Земли поглотили большую часть углекислого газа и насытили атмосферу кислородом. С появлением первоначальной жизни появляются цианобактерии, которые начали перерабатывать компоненты атмосферы, выделяя кислород. При создании атмосферы выделение кислорода произошло из за более масштабного процесса связанного с «перемещением» многочисленных океанических вулканов из под воды на поверхность Земли. Подводный вулкан выбрасывает магму, которая подвергается охлаждению водой. При этом выделяется сероводород и формируются минералы, в химический состав которых входит кислород.

Земные вулканы выбрасывают продукты, которые не реагируют с атмосферным кислородом, а только пополняют его содержание в воде. Последние 200 млн. лет состав земной атмосферы практически остаётся неизменным.

Размеры магнитосферы, масса и объём атмосферы

Раньше считалось (до появления искусственных спутников), что по мере удаления от земной поверхности атмосфера постепенно становилась более разряженной и плавно переходила межпланетное пространство.

Сейчас установлено, что потоки энергии из глубоких слоёв Солнца проникают в космическое пространство далеко за орбиту Земли, вплоть до высших пределов Солнечной системы. Этот так называемый «солнечный ветер» обтекает магнитное поле Земли, формируя удлинённую «полость» внутри которой и сосредоточена земная атмосфера.

Магнитное поле Земли заметно сужено с обращенной к Солнцу дневной стороны и образует длинный язык, вероятно выходящий за пределы орбиты Луны, - с противоположной ночной стороны.

Верхней границей магнитосферы Земли с дневной стороны у экватора считается расстояние приблизительно равное 7 (семи) радиусам Земли.

6371: 7 = 42000 км.

Верхней границей магнитосферы Земли с дневной стороны у полюсов считается расстояние приблизительно равное 28000 км. (что обусловлено центробежной силой вращения Земли).

По объёму атмосфера (около 4х10 12 км) в 3000 раз больше всей гидросферы (вместе с Мировым океаном), однако по массе существенно меньше её и составляет приблизительно 5,15х10 15 т.

Таким образом «вес» атмосферы, приходящейся на единицу площади, или атмосферное давление составляет на уровне моря примерно 11т./м. Атмосфера по объёму во много раз превышает Землю, но составляет лишь 0,0001 массы нашей планеты.

Природный газовый состав атмосферного воздуха и

воздействие некоторых его компонентов на здоровье человека

Газовый состав атмосферного воздуха по объёму представляет собой у поверхности Земли физическую смесь азота (78,08%), кислорода (20,94%),- соотношение азота и кислорода 4:1, аргона (0,9%), углекислого газа (0,035%), а также незначительное количество неона (0,0018%), гелия (0,0005%), криптона (0,0001%), метана (0,00018%), водорода (0,000015%), окиси углерода (0,00001%), озона (0,00001%), закиси азота (0,0003%), ксенона (0,000009%), двуокиси азота (0,000002%).

Кроме того, в воздухе всегда имеются виде разнообразных дымов, пыли и пара взвешенные частицы, аэрозоли и водяные пары.

Водяной пар его концентрация составляет около 0,16% объёма атмосферы. У земной поверхности она колеблется от 3% (в тропиках) до 0,00002% (в Антарктиде).

С высотой количество водяного пара быстро убывает. Если бы собрать воедино всю воду, то она образовала бы слой толщиной в среднем около 2см.(1,6 -1,7см. в умеренных широтах). Этот слой образуется на высоте до 20 км.

Газовый состав нижних слоёв атмосферы на высоте до 110 км. от поверхности Земли, в особенности тропосферы, почти постоянен. Давление и плотность в атмосфере убывает с высотой. Половина воздуха содержится в нижних 5,6 км., а вторая половина до высоты 11,3 км. На высоте 110 км. плотность воздуха в миллион раз меньше чем у поверхности.

В высоких слоях атмосферы состав воздуха меняется под воздействием излучения Солнца, которое приводит к распаду молекул кислорода на атомы.

Приблизительно до высоты 400 – 600 км. атмосфера остаётся кислородо – азотная.

Существенная смена состава атмосферы начинается лишь с высоты 600 км. Тут начинает превышать гелий. Гелиевая корона Земли – так называл гелиевый пояс В. И. Вернадский, распространяется приблизительно до1600 км. от поверхности Земли. Выше этого расстояния 1600 – 2 – 3 тыс. км. идёт превышение водорода.

Часть молекул разлагается на ионы и образует ионосферу.

Свыше 1000 км. находятся радиационные пояса Их можно рассматривать как часть атмосферы, заполненную очень энергетическими ядрами атомов водорода и электронами, захваченными магнитным полем планеты. Так постоянно газовая оболочка Земли превращаются в межпланетный газ (пространство), который состоит:

Из 76% по массе из водорода;

Из 23% по массе из гелия;

Из 1% по массе из космической пыли.

Интересно, что наша атмосфера по составу резко отличается от атмосфер других планет Солнечной системы. Наши ближайшие соседи Венера и Марс имеют в основном углекислую атмосферу, более дальние соседи Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун окружены гелиево-водородной атмосферой, одновременно много в этих атмосферах и метана.

Атмосферный воздух – один из важнейших природных ресурсов, без которых жизнь на Земле была бы абсолютно невозможна. Любой компонент по химическому составу, по своему важен для жизни.

КИСЛОРОД – газ без цвета и запаха с плотностью 1,23г/л. Самый распространённый химический элемент на Земле.

В атмосфере 20,94% , в гидросфере 85,82%, в литосфере 47% кислорода. Человек при выдохе выделяет 15,4 – 16,0% кислорода атмосферного воздуха. Человек за сутки в состоянии покоя вдыхает около 2722л.(1,4 м) кислорода, выдыхает 0,34 м 3 углекислого газа, кроме того, выбрасывает в сутки в окружающую среду около 400 веществ. Атмосферного воздуха в этом случае через лёгкие проходит 9л. в минуту, 540л. в час, 12960л. в сутки, а при нагрузке 25000 – 30000л. в сутки (25 – 30м 3). За год вдыхает в состоянии покоя 16950м, при физической нагрузке 20000 - 30000м, а на протяжении всей жизни от 65000 до 180000м. воздуха.

Он входит в состав всех живых организмов (в организме человека его по массе около 65%).

Кислород – активный окислитель большинства химических элементов, а также в металлургии, химической и нефтехимической промышленности, в ракетных топливах, его используют в дыхательных аппаратах в космических и подводных кораблях. Люди, животные, растения получают необходимую для жизни энергию за счёт биологического окисления различных веществ кислородом, который поступает в организм различными путями, через легкие и кожу.

Кислород обязательный участник любого горения. Превышение содержания кислорода в атмосфере на 25% может привести к возгоранию на Земле.

Он выделяется растениями при фотосинтезе. При этом около 60% кислорода поступает в атмосферу при фотосинтезе океанического планктона и 40% от зелёных растений суши.

Физиологические сдвиги у здоровых людей наблюдаются в том случае, если содержание кислорода падает до 16 – 17%, при 11 – 13% отмечается выраженная гипоксия.

Кислородное голодание из за снижения атмосферного давления кислорода может иметь место при полётах (высотная болезнь), при восхождении на горы (горная болезнь), которая начинается на высоте 2,5 – 3км.

Низкая концентрация кислорода может создаваться в воздухе замкнутых и герметически закрытых пространств, например в подводных лодках при авариях, а также в рудниках, шахтах и заброшенных колодцах, где кислород может быть вытеснен другими газами. Предупредить действие недостатка кислорода при полётах можно с помощью индивидуальных кислородных приборов, скафандров или герметических кабин самолётов.

В систему жизнеобеспечения космических кораблей или подводных лодок входит аппаратура, поглощающая из воздуха углекислый газ, водяные пары и другие примеси и добавляющая к нему кислород.

Для предупреждения горной болезни большое значение имеет постоянная акклиматизация (приспособление) на промежуточных станциях в условиях разряжённой атмосферы. При пребывании в горах в крови увеличивается количество гемоглобина и эритроцитов, а окислительные процессы в тканях за счёт усиления синтеза некоторых ферментов протекает более полно, что позволяет человеку приспосабливаться к жизни на более больших высотах.

Имеются горные селения расположенные на высоте 3-5км. над уровнем моря, особо тренированным альпинистам удаётся совершать восхождения на горы высотой 8 км. и более без использования кислородных приборов.

Кислород в чистом виде обладает токсическими действиями. При дыхании чистым кислородом у животных через 1-2 часа образуются отелектазы в лёгких (из за закупорки слизи мелких бронхов), а через 3-5 часов нарушение проницаемости капилляров лёгких, через 24 часа.

Явления отёка лёгких. В условиях нормального атмосферного давления, когда требуется увеличить работоспособность человека при большой физической нагрузке или при лечении больных гипоксией значительно увеличивают давление и подачу кислорода до 40%.

ОЗОН – модификация кислорода, который обеспечивает сохранение жизни на Земле т.к. озоновый слой атмосферы задерживает часть ультрафиолетовой радиации Солнца и поглощает инфракрасное излучение Земли, препятствуя её охлаждению. Это газ синего цвета с резким запахом. Основная масса озона получается из кислорода при электрических разрядах в атмосфере на высотах 20-30км. Кислород поглощает ультрафиолетовые лучи, при этом образуется озон молекулы, которого состоят из трёх атомов кислорода. Он предохраняет всё живое на Земле от вредного воздействия коротковолновой ультрафиолетовой радиации Солнца. В вышележащих слоях для образования озона не хватает кислорода, а в расположенных ниже – ультрафиолетовой радиации. В небольших количествах озон присутствует и в приземном слое воздуха. Общее содержание озона во всей атмосфере соответствует слою чистого озона толщиной 2 – 4 мм., при условии, что давление и температура воздуха такие же, как у поверхности Земли. Состав воздуха при подъёме даже на несколько десятков километров (до 100м) меняется мало. Но ввиду того, что с высотой воздух разряжается, содержание каждого газа в единице объёма уменьшается (падает атмосферное давление). К примесям принадлежит: Озон, выделяемые растительностью фитонциды, газообразные вещества, образующиеся в результате биохимических процессов и радиоактивного распада в почве и др. Озон используют для обеззараживания питьевой воды, обезвреживания промышленных сточных вод, для получения камфоры, ванилина и других соединений, для отбеливания тканей, минеральных масел и др.

УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ (углерода оксид) – бесцветный без запаха газ, ниже -78,5 0 С существует в твёрдом виде (сухой лёд). Он в 1,5 раза тяжелее воздуха и содержится в воздухе (0,35% по объёму), в водах рек, морей и минеральных источников. Углекислый газ используют в производстве сахара, пива, газированных вод и шипучих вин, мочевины, соды, для тушения пожаров и др.; сухой лёд – хладагент. Образуется при гниении и горении органических веществ, при дыхании животных организмов, он ассимилируется растениями и играет важную роль в фотосинтезе. Важность процесса фотосинтеза в том, что растения выделяют в воздух кислород. Вот почему недостаток углекислого газа представляет опасность. Углекислый газ выдыхают люди (3,4 – 4,7 % выдыхаемого воздуха), животные, он выделяется так же при сжигании угля, нефти и бензина,

Поэтому в следствии интенсивного сжигания минерального топлива за последние годы количество углекислого газа в атмосфере увеличилось. Повышение содержания углекислого газа в атмосфере приводит к глобальной опасности для людей – парникового эффекта. Углекислый газ как парниковое стекло пропускает солнечные лучи, но задерживает тепло нагретой поверхности Земли. В результате этого повышается средняя температура воздуха,

Ухудшается микроклимат, который влияет на здоровье человека. Ежегодно в результате фотосинтеза поглощается около 300 млн. т. углекислого газа и выделяется около 200 млн. т. кислорода, получается около 3000 млрд. т. углекислого газа и его количество постоянно увеличивается. Если 100 лет тому назад содержание углекислого газа в воздухе было 0,0298 % теперь 0,0318 %. В городах это содержание ещё выше.

Интересно, что акселирацио – ускоренный рост детей, особенно в городах – некоторые учёные связывают с повышением содержания углекислого газа в атмосфере. Даже небольшое, увеличение количества углекислого газа в воздухе значительно усиливает дыхательный процесс, начинается быстрый рост грудной клетки и соответственно всего организма.

Углекислый газ в 1,5 раза тяжелее воздуха и поэтому может накапливаться в нижней части замкнутых пространств. Эти свойства могут способствовать отравлениям вне населённых пунктах в атмосфере воздуха имеется 0,03 – 0,04 % углекислого газа; в промышленных центрах содержание его возрастает до 0,06 %, а вблизи предприятий чёрной металлургии – до 1%.

Увеличение концентрации углекислого газа во вдыхаемом воздухе приводит к развитию ацидоза, учащению дыхания и тохакардии. При увеличении концентрации до 1-2% работоспособность снижается, у части людей появляются токсические действия, при концентрации более 2-3% интоксикация более выражена. При «свободном выборе» газовой среды люди начинают избегать углекислого газа лишь тогда, когда его концентрация достигнет 3%. При концентрации 10-12% наступает быстрая потеря сознания и смерть.

Описаны случаи тяжёлых отравлений углекислым газом в замкнутых или герметически закрытых помещениях (шахты, рудники, подводные лодки), а так же ограниченных пространствах где имело место интенсивное разложение органических веществ - глубокие колодцы, силосные ямы, бродильные чаны на пивоваренных заводах, канализационные колодцы и др. Учитывая приведённые данные считают, что на производствах где имеются источники углекислого газа, в космических кораблях, на подводных лодках его концентрация не должна превышать 0,5-1%. В убежищах, а так же в других критических условиях можно допустить, что концентрация углекислого газа до 2%.

АЗОТ – газ без цвета и запаха, он основной компонент воздуха (78,09 % по объёму), входит в состав всех живых организмов (в организме человека около 3% по массе азота, в белках до 17%), участвует в круговороте веществ в природе. Основная область применения – синтез аммиака; соединения азота – азотные удобрения. Азот – инертная среда в химических и металлургических процессах, в овощехранилищах и т.д.

Азот и другие инертные газы при нормальном давлении физиологически не деятельны, их значение заключается в разбавлении кислорода.

АРГОН – инертный газ, в воздухе 0,9% по объёму, плотность 1,73 г/л. Используется в промышленности в аргоновом сваривании, при химических процессах, для заполнения электрических ламп и газоразрядных трубок.

Чистый воздух

Воздух необходим для жизни, так как без него человек может прожить в среднем до 5 минут. Соответственно, загрязнение воздуха является одной из наиболее серьёзных экологических проблем для общества, вне зависимости от уровня его экономического развития. Не менее 500 млн. людей ежедневно подвергаются воздействию высоких уровней загрязнителей воздуха внутри своих домов в форме дыма – от открытого огня или плохо сконструированных печей. Более 1500 людей живут в урбанизированных регионах с угрожающе высокими уровнями воздушного загрязнения. Промышленное развитие связано с выбросами в атмосферу огромного количества газа и твёрдых частиц, как отходов самого производства, так и от продуктов сгорания топлива на транспорте и в энергетике. После внедрения технологии управления загрязнением воздуха посредством уменьшения выбросов твёрдых частиц специалисты обнаружили, что выбросы газов всё равно продолжаются и именно они являются причиной проблемы как таковой. Недавние усилия по управлению выбросами и твёрдых и газообразных частиц были достаточно успешными в большинстве развитых странах, однако имеются доказательства того, что загрязнение воздуха представляет риск для здоровья даже при относительно благоприятных экологических условиях.

Первоначально быстро развивающиеся страны не имели возможностей инвестировать достаточное количество ресурсов в контроль загрязнения воздуха из за других экономических и социальных приоритетов. Быстрая экспансия в таких странах стала в то же время первопричиной увеличения количества транспортных средств, повышения непромышленного энергопотребления и повышенной концентрации населения в больших урбанизированных регионах (мегаполисах). Всё это – в достаточной степени способствовало появлению такой экологической проблемы, как загрязнение воздуха.

Во многих традиционных обществах, где источники энергии для домашнего хозяйства считались чистыми, сейчас они используются уже не так широко, как в прошлые годы, по причине неэффективности и вредности, с современной точки зрения, видов топлива, применяемых для обогрева зданий и приготовления пищи. Перечисленные обстоятельства служат причиной загрязнения, как наружного воздуха, так и воздуха внутри помещений, что может привести к болезням лёгких, проблемам со зрением (раздражение слизистой оболочки глаз и т. п.) и увеличению риска раковых заболеваний.

Качество воздуха внутри помещений остаётся острой проблемой для многих развитых стран, т.к. жилые и производственные здания герметичны и хорошо отапливаемы. Опасность попадания в воздух вредных химических соединений исходит не только из системы отопления и приготовления пищи, но так же от курения испарений строительных материалов. И всё это скапливается внутри домов и создаёт проблему загрязнения.

Строение атмосферы

Атмосфера состоит из отдельных слоёв, концентрических сфер, которые отличаются друг от друга по высоте от поверхности Земли, по характеру изменения температуры, по газовому составу. Различают: - тропосферу; -стратосферу; - мезосферу; - термосферу; - экзосферу.

Нижний слой атмосферы называется тропосферой (от греческого «тропэ» - поворот) Масса её составляет 80% от массы атмосферы. Верхняя граница тропосферы зависит от географической широты:

В тропических широтах (экватора) высота от поверхности Земли 18 – 20 км.;

В умеренных широтах высота от поверхности Земли около 10 км.;

В полярных широтах (на полюсах) высота от поверхности Земли 8 – 10 км.

От времени года:

Верхняя граница тропосферы (тропопауза – от греческого «паузис» - прекращение) в Северном полушарии зимой благодаря охлаждению поднимается на 2 - 4 км.

Верхняя граница тропосферы (тропопауза) в Северном полушарии летом благодаря потеплению понижается на 2 – 4 км.

Тропосфера получает тело снизу от Земли, которая, в свою очередь нагревается солнечными лучами. Непосредственно за счёт поглощения солнечных лучей воздух нагревается в десятки раз меньше, чем от Земли. По мере увеличения высоты температура воздуха понижается в среднем на 0,6 0 С на каждые 100 м. подъёма.

На верхней границе тропосферы температура достигает -60 0 С этому способствует то, что воздух поднимаясь, расширяется и охлаждается. Он был бы ещё холоднее, если бы не тепло, которое выделяется при конденсации водных паров.

На высоте 10 км. температура тропосферы летом равна -45 0 С а зимой -60 0 С.

Выше тропосферы располагается слой воздуха с постоянно низкой температурой – тропопауза. В тропиках, где солнечные лучи падают отвесно, или почти отвесно, а суша и море нагреваются сильнее, этот слой находится на высоте 18 – 20 км. В полярных областях, где косые лучи слабо нагревают Землю, тропопауза расположена ниже – на высоте 8 – 10 км.

Именно в тропосфере в основном формируется погода , которая определяет условия существования человека.

Большая часть атмосферного водяного пара сосредоточена в тропосфере, и поэтому здесь главным образом и формируются облака, хотя некоторые из них, состоящие из ледяных кристаллов, встречаются и более высоких слоях.

Нагревание атмосферы в разных частях Земли неодинаково, что способствует развитию общей циркуляции атмосферы Земли, тесно связанной с распределением атмосферного давления. Это давление атмосферного воздуха на находящиеся в ней предметы и на земную поверхность.

В каждой точке атмосферы атмосферное давление равно весу вышележащего столба воздуха, которое с высотой убывает. Среднее давление на уровне моря эквивалентно давлению 760 мм ртутного столба (1013,25 гПа).

Распределение атмосферного давления на поверхности Земли (на уровне моря) характеризуется относительно низким значением вблизи экватора, увеличением в субтропиках и понижением в средних и высоких широтах. При этом над материковыми нетропическими широтами атмосферное давление зимой обычно повышено, летом понижено. Под действием перепада давления воздух испытывает ускорение, направленное от высокого давления к низкому. При движении воздуха на него действуют вызванные вращением Земли Кориолиса силы и центробежная сила, а так же сила трения.

Всё это обуславливает сложную картину воздействия в атмосфере Земли, некоторые из них сравнительно устойчивые (например, пассаты и муссоны). В средних широтах преобладает воздушное течение с Запада на Восток, в которых возникают крупные вихри – циклоны и антициклоны, обычно простирающиеся на сотни и тысячи километров.

Для тропосферы характерны турбулентность и мощные воздушные течения (ветры) и штормы. В верхней тропосфере существуют сильные воздушные течения строго определённого направления. Турбулентные вихри, образуются под воздействием трения и динамического взаимодействия между медленно и быстро двигающимися воздушными массами. Поскольку в этих высоких слоях облачности обычно нет, такую турбулентность называют «турбулентностью ясного неба».

Стратосфера

Выше тропосферы расположена стратосфера (от греческого «стратиум» - настил, слой). Её масса составляет 20% от массы атмосферы.

Верхняя граница стратосферы расположена от поверхности Земли на высоте:

В тропических широтах (экваторе) 50 – 55 км.:

В умеренных широтах до 50 км.;

В полярных широтах (полюсах) 40 – 50 км.

В стратосфере воздух по мере подъёма нагревается, при этом температура воздуха повышается с высотой в среднем на 1 – 2 градуса на 1 км. подъёма и достигает на верхней границе до +50 0 С.

Повышение температуры с высотой обусловлено главным образом озоном, который поглощает ультрафиолетовую часть солнечной радиации. На высоте 20 – 25 км от поверхности Земли расположен очень тонкий (всего несколько сантиметров) озоновый слой.

Стратосфера очень бедна на водяной пар, здесь не бывает осадков, хотя иногда на высоте 30 км. образуются облака.

На основе наблюдений в стратосфере установлены турбулентные возмущения и сильные ветры, дующие в разных направлениях. Как и в тропосфере, отмечаются мощные воздушные вихри, которые особо опасны для высокоскоростных летательных аппаратов.

Сильные ветры, называемые струйными течениями дуют в узких зонах вдоль границ умеренных широт, обращенных к полюсам. Однако эти зоны могут смещаться, исчезать и появляться вновь. Струйные течения обычно проникают в тропопаузу и появляются в верхних слоях тропосферы, но их скорость быстро уменьшается с понижением высоты.

Возможно, часть энергии, поступающей в стратосферу (главным образом затрачиваемой на образования озона) связано атмосферными фронтами, где обширные потоки стратосферного воздуха были зарегистрированы существенно ниже тропопаузы, а тропосферный воздух вовлекается в нижние слои стратосферы.

Мезосфера

Выше стратопаузы расположена мезосфера (от греческого «мезос» - средний).

Верхняя граница мезосферы расположена на высоте от поверхности Земли:

В тропических широтах (экваторе) 80 – 85 км.;

В умеренных широтах до 80 км.;

В полярных широтах (полюсах) 70 – 80 км.

В мезосфере температура понижается до – 60 0 С. – 1000 0 С. на её верхней границе.

В полярных регионах летом в мезопаузе часто появляются облачные системы, которые занимают большую площадь, но имеют незначительное вертикальное развитие. Такие светящиеся по ночам облака часто позволяют обнаруживать крупномасштабные волнообразные движения воздуха в мезосфере. Состав этих облаков, источники влаги и ядер конденсации, динамика и связь с метеорологическими факторами пока ещё недостаточно изучены.

Термосфера

Выше мезопаузы расположена термосфера (от греческого «термос» - тёплый).

Верхняя граница термосферы расположена на высоте от поверхности Земли:

В тропических широтах (экваторе) до 800 км.;

В умеренных широтах до 700 км.;

В полярных широтах (полюсах) до 650 км.

В термосфере температура снова повышается, достигая в верхних слоях 2000 0 С.

Необходимо заметить, что высотах 400 – 500 км. и выше температура воздуха не может быть определена ни одним из известных методов, вследствие чрезвычайного разряжения атмосферы. О температуре воздуха на таких высотах приходится судить по энергии газовых частиц, перемещающихся в газовых потоках.

Повышение температуры воздуха в термосфере связано с поглощением ультрафиолетового излучения и образованием ионов и электронов в атомах и молекулах газов содержащихся в атмосфере.

В термосфере давление и, следовательно, плотность газа с высотой постепенно уменьшается. В близи земной поверхности в 1 м 3 . воздуха содержится около 2,5х10 25 молекул, на высоте около 100 км в нижних слоях термосферы в 1 м 3 воздуха содержится около 2,5х10 25 молекул. На высоте 200 км., в ионосфере в 1 м 3 . воздуха содержится 5х10 15 молекул. На высоте около 850 км. в 1м. воздуха содержится 10 12 молекул. В межпланетном пространстве концентрация молекул составляет 10 8 - 10 9 на 1 м 3 . На высоте около 100 км. количество молекул невелико, но они редко сталкиваются между собой. Среднее расстояние, которое преодолевает хаотически двигающаяся молекула до столкновения с другой такой же молекулой, называется её средним свободным пробегом.

При определённой температуре скорость движения молекулы зависит от массы: более лёгкие молекулы движутся быстрее тяжёлых. В нижней атмосфере, где свободный пробег очень короткий, не наблюдается заметного разделения газов по их молекулярному весу, но оно выражено выше 100 км. Кроме этого, под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца молекулы кислорода распадаются на атомы, масса которых составляет половину массы молекулы. Поэтому по мере удаления от поверхности Земли атмосферный кислород приобретает всё большее значение в составе атмосферы на высоте около 200 км. становится главным компонентом.

Выше, приблизительно на расстоянии 1200 км. от поверхности Земли преобладают лёгкие газы гелий и водород. Из них и состоит внешняя оболочка атмосферы.

Такое расширение по весу называется диффузным расширением, напоминает разделение смесей с помощью центрифуги.

Экзосфера

Выше термопаузы расположена экзосфера (от греческого «экзо» - снаружи, вне).

Это внешняя сфера, из которой лёгкие атмосферные газы (водород, гелий, кислород) могут вытекать в космическое пространство.

Слои атмосферы располагающиеся выше 50 км. проводят электричество и отражают радиоволны. Это позволяет налаживать дальнюю радиосвязь вокруг Земли. Поскольку при сложных химических реакциях образуются ионы – верхнюю часть атмосферы (мезосферу и термосферу) называют ионосферой.

Под воздействием солнечной радиации в верхних слоях атмосферы часто возникают свечения. Самое эффективное из них полярное сияние.

Молекулы и атомы в экзосфере вращаются вокруг Земли по баллистическим орбитам под воздействием силы тяжести. Некоторые из этих орбит могут вращаться вокруг Земли и по эллиптическим орбитам, как спутники. Некоторые молекулы, в основном водород и гелий имеют разомкнутые траектории и уходят в космическое пространство.

Г. В. Войткевич, сопоставляя в 1980 г. условия, существовавшие на заре истории Земли и Венеры, приходит к выводу, что первоначальная атмосфера Земли была практически такой же, как сейчас на Венере. Он предполагает, что первоначальный вариант состава атмосферы Земли соответствует условиям отсутствия фотосинтеза и карбонатов на Земле.

Таким образом, дегазация вещества, слагающего Землю, и диссипация газов определяли состав первоначальной атмосферы Земли. Поскольку Земля никогда не была целиком расплавлена и на ее поверхности вряд ли были температуры выше точки кипения воды (имеется в виду глобальный эффект), то состав ее первоначальной атмосферы определялся теми элементами, которые сами летучи или способны давать летучие соединения: Н, О, N, С, F, S, Р, CI, Вг и инертные газы. В земной коре наблюдается дефицит практически всех этих летучих элементов по сравнению с их космической распространенностью. Особенно это касается Не, Ne, Н, N, С. По-видимому, эти элементы были утеряны Землей еще во время ее аккреции. Другие легкие летучие элементы, такие, как Р, S, С1, во-первых, несколько тяжелее, а во-вторых, образуют весьма химически активные летучие соединения, которые реагируют с породами земной коры, в частности с осадочными породами.

Можно полагать, что состав летучих элементов, выделявшихся в атмосферу на заключительных этапах аккреции Земли и поступающих при современных явлениях вулканизма или фумарольной деятельности, остается примерно одинаковым. Е. К. Мархинин в 1967 г. приводит данные о составе вулканических газов и фума-рольных выделений, из которых видно, что на втором месте после воды по обилию выделения стоят углеродсодержащие газы.

Если принять, что первоначальная атмосфера Земли состояла из такого набора газов (за исключением таких химических активных, как НС1, HF и некоторые другие), то, по-видимому, Г. В. Войткевич совершенно справедливо отождествляет состав первоначальной атмосферы Земли с современной венерианской и, по-видимому, марсианской. Суждения X. Холанда, Ц. Сагана, М. Шидлов-ского и др. о резко восстановительной первоначальной атмосфере Земли (СН 4 , Нг, NH 3) не находят подтверждения ни с космохимических позиций, ни с теоретическими расчетами, касающимися времен жизни Н 2 , СН 4 , NH 3 в атмосфере, которые не только охотно диссипируют сами по себе, но еще и очень быстро разлагаются за счет фотохимических процессов. Дж. Уолкер в 1975-1976 гг. сопоставил модели мгновенной и постепенной дегазации вещества Венеры и Земли, и ни одна из них не привела к восстановительной атмосфере.

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.

Первичная атмосфера Земли состояла главным образом из водяных паров, водорода и аммиака. Под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца водяные пары разлагались на водород и кислород. Водород в значительной части уходил в космическое пространство, кислород вступал в реакцию с аммиаком и образовывались азот и вода. В начале геологической истории Земля благодаря магнитосфере , изолировавшей её от солнечного ветра, создала вторичную собственную углекислую атмосферу. Углекислый газ поступал из недр при интенсивных вулканических извержениях. С появлением в конце палеозоя зеленых растений кислород стал поступать в атмосферу в результате разложения углекислого газа при фотосинтезе, и состав атмосферы принял современный вид. Современная атмосфера в значительной степени продукт живого вещества биосферы. Полное обновление кислорода планеты живым веществом происходит за 5200-5800 лет. Вся его масса усваивается живыми организмами приблизительно за 2 тыс. лет, вся углекислота – за 300-395 лет.

Состав первичной и современной атмосферы Земли

	Состав земной атмосферы
	При образовании*	В настоящее время
Кислород О 2
Углекислый газ СО 2
Оксид углерода СО
Водяной пар

Также в первичной атмосфере присутствовали метан, аммиак, водород и др. Свободный кислород появился в атмосфере 1,8-2 млрд. л.н.

Происхождение и эволюция атмосферы (по В.А. Вронскому и Г.В. Войткувичу)

Еще при первоначальном радиоактивном разогреве молодой Земли происходило выделение летучих веществ на поверхность, образовавших первичный океан и первичную атмосферу. Можно допустить, что первичная атмосфера нашей планеты по составу была близка к составу метеоритных и вулканических газов. В какой-то мере первичная атмосфера (содержание СО 2 составляло 98%, аргона – 0,19%, азота – 1,5%) была аналогична атмосфере Венеры – планеты, которая по размерам наиболее близка к нашей планете.

Первичная атмосфера Земли имела восстановительный характер и была практически лишена свободного кислорода. Только незначительная его часть возникала в верхних слоях атмосферы в результате диссоциации молекул углекислого газа и воды. В настоящее время утвердилось общее мнение о том, что на определенном этапе развития Земли ее углекислая атмосфера перешла в азотно-кислородную. Однако остается неясным вопрос относительно времени и характера этого перехода – в какую эпоху истории биосферы произошел перелом, был ли он быстрым или постепенным.

В настоящее время получены данные о наличии свободного кислорода в докембрии . Присутствие высокоокисленных соединений железа в красных полосах железных руд докембрия свидетельствуют о наличии свободного кислорода. Увеличение его содержания в течение всей истории биосферы определялось путем построения соответствующих моделей различной степени достоверности (А.П. Виноградов, Г. Холленд, Дж. Уолкер, М. Шидловский и др.). По мнению А.П. Виноградова, состав атмосферы изменялся непрерывно и регулировался как процессами дегазации мантии, так и физико-химическими факторами, которые имели место на поверхности Земли, включая остывание и соответственно снижение температуры окружающей среды. Химическая эволюция атмосферы и гидросферы в прошлом была тесно связана в балансе их веществ.

В качестве основы для расчетов прошлого состава атмосферы принимается распространенность захороненного органического углерода, как прошедшего фотосинтетический этап в круговороте, связанный с высвобождением кислорода. При убывании дегазации мантии в течение геологической истории, общая масса осадочных горных пород постепенно приближалась к современной. При этом 4/5 углерода захоронялось в карбонатных породах, а 1/5 приходилась на органический углерод осадочных толщ. Исходя из этих предпосылок немецкий геохимик М. Шидловский рассчитал рост содержания свободного кислорода в течение геологической истории Земли. При этом было установлено, что примерно 39% всего кислорода, выделившегося при фотосинтезе, оказалось связанным в Fe 2 O 3 , 56% сосредоточилось в сульфатах SO 4 2 - и 5% непрерывно остается в свободном состоянии в атмосфере Земли.

В раннем докембрии практически весь освобожденный кислород быстро поглощался земной корой при окислении, а также вулканическими сернистыми газами первичной атмосферы. Вероятно, что процессы образования полосчатых железистых кварцитов (джеспелитов) в раннем и среднем докембрии привели к поглощению значительной части свободного кислорода от фотосинтеза древней биосферы. Закисное железо в докембрийских морях явилось главным поглотителем кислорода, когда фотосинтезирующие морские организмы поставляли свободный молекулярный кислород непосредственно в водную среду. После того, как докембрийские океаны очистились от растворенного железа, свободный кислород стал накапливаться в гидросфере и затем в атмосфере.

Новый этап в истории биосферы характеризовался тем, что в атмосфере 2000-1800 млн. лет назад отмечалось увеличение количества свободного кислорода. Поэтому окисление железа переместилось на поверхность древних континентов в область коры выветривания, что и привело к формированию мощных древних красноцветных толщ. Поступление двухвалентного железа в океан уменьшилось и соответственно снизилось поглощение свободного кислорода морской средой. Все большее количество свободного кислорода стало поступать в атмосферу, где устанавливалось его постоянное содержание. В общем балансе атмосферного кислорода возросла роль биохимических процессов живого вещества биосферы. Современный этап в истории кислорода атмосферы Земли наступил с появлением растительного покрова на континентах. Это привело к значительному увеличению его содержания по сравнению с древней атмосферой нашей планеты.

Литература

1. Вронский В.А. Основы палеогеографии / В.А. Вронский, Г.В. Войткевич. - Ростов н/Д: изд-во "Феникс", 1997. - 576 с.
2. Зубащенко Е.М. Региональная физическая география. Климаты Земли: учебно-методическое пособие. Часть 1. / Е.М. Зубащенко, В.И. Шмыков, А.Я. Немыкин, Н.В. Полякова. – Воронеж: ВГПУ, 2007. – 183 с.