Тема 8. АТМОСФЕРА И КЛИМАТЫ ЗЕМЛИ

Состав атмосферы

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

Азот – 78, 08 %,

Кислород – 20, 94 %,

Аргон - 0, 93 %,

Углекислый газ – 0, 03 %,

Прочие газы – 0, 02 %.

___________________

Всего: 100 %

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

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

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

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

Процесс фотосинтеза схематически можно выразить в следующем виде:

CO₂ + 4 H₂O = CH₂O + 3H₂O + O₂

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

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

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

О₂ = О + О, О₂ + О = О₃.

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

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

4 NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Строение атмосферы

Воздушная оболочка Земли (атмосфера) находится под совместным и противоречивым воздействием с одной стороны Земли, а с другой – Солнца. Этим обстоятельством, а также свойствами газов, слагающих атмосферу, объясняется ее современное строение. Как и все другие сферы Земли, атмосфера состоит из концентрических слоев: тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и экзосферы. В географическую оболочку входят только тропосфера и нижняя часть стратосферы.

Нижней границей атмосферы условно считается поверхность суши и океанов, хотя и почвенный и растворенный в воде воздух взаимодействует с атмосферой.

Так как газ сжимаем, то в направлении вверх плотность воздуха постепенно уменьшается, и верхняя весьма разреженная атмосфера без четкой границы переходит в межпланетное пространство.

Тропосфера во всех отношениях – произведение земной поверхности, нагреваемой Солнцем. Высота тропосферы определяется интенсивностью вертикальной конвекции – восходящих и нисходящих токов воздуха (отсюда и название тропосферы – тропос – греч. поворот), вызванных нагреванием Земли. В экваториальных широтах конвекционные токи поднимаются до высоты 17 км, в умеренных – до 11 км, а в полярных – до 8 км. На этих высотах находится верхняя граница тропосферы. Средняя мощность тропосферы составляет примерно 11 км.

Мощность тропосферы изменяется не только с широтой, но и в зависимости от температуры воздуха при смене погод, с чем, собственно, связана интенсивность конвекции.

В тропосфере находится 80 % всей массы воздуха, причем половина его сосредоточена в нижнем 5-километровом слое. Если у земной поверхности давление воздуха 1 013 мб. То близ верхней границы тропосферы оно равно около 280 мб, то есть уменьшается в четыре раза. Такую малую плотность воздуха могут переносить только микроорганизмы.

Географически чрезвычайно важным является тепловой режим тропосферы. Солнечные лучи проходят через нее, не нагревая воздуха. Источником тепла служит земная поверхность, нагретая Солнцем. Это, с одной стороны, создает конвекционные токи, а с другой – вызывает падение температуры с высотой за счет адиабатического охлаждения поднимающегося воздуха. Уменьшаясь в среднем на 6⁰ С на каждый километр, температура вверху тропосферы снижается над экватором до – 70⁰ С, а над северным полюсом до – 45⁰ и ниже.

Влияние земной поверхности простирается до 20 км, а далее нагревание воздуха происходит непосредственно Солнцем и действует особая термодинамическая система, независимая от земной поверхности. Таким образом, принадлежность 20-километрового слоя к географической оболочке обозначается как распространением живых организмов, так и тепловым воздействием земной поверхности. На этой высоте исчезают широтные различия в температуре воздуха и географическая зональность размывается.

Над тропосферой располагается тропопауза, представляющая собой тонкий переходный слой мощность около одного километра.

Над тропопаузой находится стратосфера (греч. стратос – слой).

Стратосфера начинается на тех высотах (8 км над полюсами и 16-18 км над экватором), за которые не распространяются конвекционные токи, хотя обмен воздухом между тропосферой и стратосферой происходит. В стратосфере содержится менее 20 % воздуха атмосферы.

Падение температур в стратосфере прекращается; в нижней стратосфере (примерно до 20 км) температура остается постоянной (около - 60⁰ -70⁰ С). Выше, до 55 км, температура повышается до нескольких градусов выше нуля. Воздух на этой высоте нагревается непосредственно солнечными лучами: озон поглощает солнечную радиацию, причем на ультрафиолетовом, наиболее энергичном участке спектра.

В пределах стратосферы, как ранее упоминалось, находится озоновый слой. Озоновый экран, который устанавливает предел распространению живых организмов и тепловому влиянию земной поверхности, и является верхней границей биосферы и географической оболочки в целом. Стратосферу иногда справедливо называют озоносферой. В стратосфере происходит интенсивная вертикальная и горизонтальная циркуляция воздуха, вызванная неоднородным распределением в ней тепла.

Над нагретым слоем верхней атмосферы, после стратопаузы, то есть выше 55 км, лежит мезосфера, простирающаяся до высоты 80 км. В ней температура вновь падает до – 90 ⁰ С.

На высотах от 80 до 90 км находится мезопауза с постоянной температурой – около 180⁰ С.

Над мезопаузой расположена термосфера, простирающаяся до 800- 1 000 км. Температура в термосфере устойчиво повышается: на высоте 150 км до 220⁰ С, а на уровне 600 км до 1 500⁰ С.

В термосфере под действием интенсивной ультрафиолетовой радиации Солнца постоянно нарушается строение молекул и атомов газов: от электронных оболочек отрываются некоторые электроны, в пространстве находятся и целые атомы и атомы, потерявшие электроны, и отдельные электроны. Такое состояние вещества называется сверхгазовым, или плазмой. Процесс расщепления атомов и образования заряженных электронов называется ионизацией. Поэтому термосферу называют еще и ионосферой. Главный максимум ионизации приурочен к высотам 300-400 км.

По отношению в биосфере термосфера (ионосфера) выполняет защитную роль. Поглощая рентгеновское излучение, термосфера защищает жизнь от вредного воздействия солнечной короны.

Выше 1 000 км начинается внешняя атмосфера, или экзосфера, простирающаяся до 2 000 – 3 000 км. В экзосфере скорость движения газов приближается к критической – 11,2 км/час и они рассеиваются в межпланетное пространство. Особенно интенсивно ускользают атомы водорода. Этот газ, очевидно, и господствует в экзосфере.

Водород, преодолевающий земное притяжение, образует около Земли корону, заканчивающуюся на высотах в 20 000 км.

Тропосферу и нижнюю стратосферу называют нижней атмосферой, а все более высокие слои – верхней атмосферой. На высотах 20-30 км иногда можно видеть перламутровые облака, образованные, вероятно, слоем космической пыли. В верхней мезосфере и в мезопаузе (на высоте около 80 км) изредка в сумерки видны серебристые облака. Природа их еще не изучена, но полагают, что они состоят из редко расположенных ледяных кристаллов. В слое ионизации образуется полярное сияние. Этот же слой, отражая радиоволны, обеспечивает дальнюю радиосвязь на Земле.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: