Как известно, наша планета окружена газовой оболочкой - атмосферой. Атмосфера Земли представляет собой смесь нескольких газов. Главенствующую роль среди них играют азот, кислород и аргон. На долю азота приходится около 3/4 объема всей атмосферы, кислород составляет приблизительно 1/5, аргон - около 1/100. Подчиненное значение в составе воздуха имеют углекислый газ и пары воды. Есть в атмосфере и другие газы, но они содержатся в ничтожных количествах.

Состав атмосферы

Газовый состав атмосферы, на первый взгляд, кажется постоянным. Но он не всегда был таким, как сейчас. С помощью различных методов исследования достоверно установлено, что на протяжении истории Земли соотношение газов, входящих в состав воздуха, сильно изменялось.

В современной атмосфере первое место занимает азот, на втором месте стоит кислород, на третьем - аргон, на четвертом - углекислый газ. Но если бы мы могли переместись на миллионы и миллиарды лет назад, перед нами предстала бы совершенно иная картина. В прошлые геологические периоды атмосфера содержала в сотни раз больше углекислого газа, чем ныне. Зато кислорода было мало. И чем дальше в глубь истории Земли, тем больше углекислого газа было в составе воздуха.

Правда, есть предположения, что первичная атмосфера состояла в основном из метана и аммиака. Но расчеты показывают, что и в этом случае химические процессы неизбежно должны были привести к замещению этих газов азотом и диоксидом углерода (СО2).

4 млрд. лет назад кислород, по-видимому, почти совсем отсутствовал в атмосфере, а первое место по объему занимал углекислый газ. Затем кислород стал постепенно накапливаться в воздухе, а углекислого газа становилось все меньше и меньше, пока, наконец, атмосфера Земли не приобрела свой нынешний состав. Этому в значительной степени способствовало развитие на Земле зеленой растительности.

Молекула углекислого газа состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода. Растения в процессе питания поглощают из воздуха углекислый газ и расщепляют его на углерод и кислород. Благодаря наличию в листьях зеленого вещества - хлорофилла - растения могут под действием солнечной энергии усваивать взятый из воздуха углерод и образовывать органические вещества. Эти вещества остаются в теле растений, а кислород выделяется обратно в атмосферу.

Процесс, в результате которого углекислый газ преобразуется в органическое вещество, получил название фотосинтеза. При фотосинтезе зеленые растения выделяют в атмосферу громадное количество кислорода, спасая современные города от удушья и придавая лесному воздуху его живительную свежесть.

Подобно всем другим живым организмам, растения не только питаются, но и дышат. При дыхании они поглощают кислород и выдыхают углекислый газ. Процессы фотосинтеза могут протекать только под действием солнечного света. Поэтому растения способны выделять кислород лишь в дневное время, причем в освещенную часть суток они настолько интенсивно поглощают углекислый газ для питания, что дыхание у них становится совершенно незаметным. Зато ночью наблюдается обратное явление: зеленые листья начинают в большом количестве выдыхать углекислый газ, поглощая кислород воздуха. По этой причине и не рекомендуется спать ночью в закрытом помещении, в котором много комнатных растений, так как при отсутствии вентиляции в комнате может скопиться опасное для человеческого организма количество углекислого газа.

Для питания растениям требуется очень много углекислого газа. Они поглощают 590 млрд. т этого газа в год, очищая тем самым воздух. Но при дыхании выделяется углекислого газа значительно меньше. И разница между поглощенным и выдохнутым углекислым газом используется растением для строительства своего организма.

Однако проходит какое-то время, и растение погибает. Оно начинает гнить, разлагаться и вскоре от него не остается ничего, кроме горстки минеральных солей. Это значит, что все атомы углерода, из которых был построен организм растения, соединились с кислородом воздуха и вновь образовали углекислый газ; получилось то же самое количество углекислого газа, которое было некогда изъято живым растением из атмосферы.

Долгое время считалось, да и сейчас некоторые исследователи придерживаются такой точки зрения, что атмосфера Земли очистилась от углекислого газа и обогатилась кислородом благодаря «асимметрии» процесса дыхания и газового питания растений. Но уже в середине прошлого века появились серьезные возражения против этой гипотезы.

Если подсчитать, сколько углекислого газа было поглощено растением в результате фотосинтеза и сколько его было выделено в сумме при дыхании живого растения и разложении уже погибшего, то окажется, что эти величины будут равны между собой. Точно так же обстоит дело и с кислородом: при фотосинтезе его выделяется ровно столько, сколько в сумме используется для дыхания живого растения и идет на окисление после его гибели.

Тем не менее кислород все-таки постепенно накапливается в атмосфере. Почему же это происходит? Оказывается, не всегда после смерти растения углерод, входивший в состав его тканей, возвращается в атмосферу. Иногда погибшие растения попадают в такие условия, где доступ кислорода к ним бывает затруднен или вообще невозможен. Например, стволы деревьев могут упасть на дно озера и покрыться толщей глинистых наносов. В подобных случаях отмершие растения не гниют, а либо обугливаются, либо испытывают целый ряд других сложных химических преобразований, в результате которых получаются залежи каменного угля, торфа и других горючих полезных ископаемых.

Если провести, например, химический анализ каменного угля, то мы увидим, что эта порода состоит почти целиком из чистого углерода. Значит, кислород, который после гибели растения должен был соединиться с атомами углерода, не попал в круговорот и остался в атмосфере.

Академик Владимир Иванович Вернадский заметил, что количество углерода, содержащегося в горючих полезных ископаемых и известняковых породах, соответствует количеству свободного кислорода в атмосфере. Это дает возможность предположить, что накопление кислорода в атмосфере зависит от накопления горючих ископаемых, или, как их называют геологи, каустобиолитов.

Кислород начал накапливаться в атмосфере приблизительно 4 млрд. лет назад. Многие данные свидетельствуют о том, что примерно 700-800 млн. лет назад количества кислорода и углекислого газа в атмосфере, по-видимому, были равны между собой. Последующий отрезок времени, охватывающий геологическую историю Земли от кембрийского до четвертичного периода, характеризуется образованием в земной коре толщ каустобиолитов.

В конце 30-х годов ленинградский ученый, академик Павел Иванович Степанов составил интересную таблицу, в которой было показано, сколько каменного угля отлагалось на протяжении каждого геологического периода. Он установил, что накопление каменного угля происходило неравномерно. Периоды, для которых характерно образование большого количества залежей этой породы, чередуются с длительными отрезками времени, когда отложение ископаемых углей было ничтожно малым. Всего в истории Земли наблюдаются три максимума угленакопления - три эпохи, когда каменный уголь отлагался в толще земной коры особенно интенсивно.

Первая эпоха угленакопления охватывает середину и конец каменноугольного и весь пермский период. За это время образовалось около 40% всех известных запасов ископаемых углей. Вторая эпоха совпадает с юрским периодом и раннемеловой эпохой, когда отложилось 5% всей массы каменного угля. Наконец, третий максимум угленакопления, начавшийся в меловом периоде, продолжился в палеогене и неогене. За этот отрезок времени отложилось более половины известного на земном шаре количества угля. Зато в остальные периоды образование угольных залежей происходило значительно слабее.

Десять лет спустя после выхода в свет работы Степанова советские ученые провели подсчеты, в результате которых выяснилось, что отложение других горючих ископаемых приблизительно подчиняется той же закономерности. Было установлено, что на протяжении палеозойской эры образовалось около 40, в мезозое - 10 и в кайнозое - 50% всех подсчитанных запасов каустобиолитов.

Но если накопление кислорода в атмосфере действительно зависит от формирования залежей горючих ископаемых, то значит, и кислород накапливался в воздухе не равномерно, а скачкообразно. И чем больше горючих ископаемых отлагалось на протяжении того или иного периода, тем больше углекислого газа изымалось за это время из атмосферы и тем больше кислорода должно было оставаться в воздухе.

Исходя из этого предположения можно составить график, на котором будет изображено изменение сботношения между кислородом и углекислым газом в атмосфере на протяжении истории Земли.

В настоящее время в атмосфере содержится 1 500 000 млрд. т кислорода. Для освобождения такого количества кислорода необходимо, чтобы из воздуха было изъято приблизительно 2 060 000 млрд. т углекислого газа. Можно предположить, что это количество углекислого газа и было первоначально в атмосфере.

Общепризнано, что в значительных количествах кислород появился в атмосфере около 2,5 млрд. лет назад. Горные породы, имеющие возраст около 2 млрд. лет, уже несут признаки сравнительно высокоорганизованной жизни. Таковы, например, сине-зеленые водоросли и простейшие формы грибов, найденные в безжелезистых кремнистых породах Южного Онтарио (Канада).

Минимальное содержание кислорода, при котором возможна жизнь воздуходышащих организмов, равно 1,5-2%. Зная это, можно допустить, что в такой обстановке и существовали обитатели Земли 2 млрд. лет назад. Если принять, что компоненты воздуха вели себя как идеальные газы, и если считать количество азота в атмосфере величиной постоянной, то для достижения парциального давления кислорода 2% в атмосферу должно было поступить 116 000 млрд. т кислорода в результате изъятия из нее 165 000 млрд. т углекислого газа.

До начала кембрийского периода увеличение количества кислорода в связи с усилением фотосинтеза, очевидно, протекало по возрастающей кривой. На фоне этого возрастания фиксируется крупный скачок в изменении соотношения между кислородом и углекислым газом, произошедший 700-800 млн. лет назад. По-видимому, с этого времени кислород стал преобладать над диоксидом углерода. Появление в позднем докембрии представителей животного мира может косвенным образом свидетельствовать в пользу такого предположения.

Последующий этап геологической истории Земли характеризуется ступенчатыми изменениями состава атмосферы. Эти изменения пропорциональны накоплению в земной коре горючих ископаемых, и наиболее резкие из них приурочены к тем периодам, на протяжении которых образование каустобиолитов достигало наибольшей интенсивности, т. е. к каменноугольному, юрскому, меловому, палеогеновому и неогеновому периодам.

В наши дни хозяйственная деятельность человека существенно нарушает ход природных процессов и приводит к возрастанию количества углекислого газа в атмосфере. Однако на расчетах для минувших геологических эпох это не сказывается.

А теперь вновь обратимся к палеонтологии. Биологи и палеонтологи широко используют старинный принцип составления родословных. Исследователи рисуют «родословное дерево», по которому можно проследить происхождение и развитие той или иной группы животных или растений. Каждому известно, например, родословное дерево позвоночных. В упрощенном виде оно выглядит совсем несложно. От рыб произошли земноводные. Земноводные дали начало пресмыкающимся. Пресмыкающиеся явились родоначальниками птиц и млекопитающих.

Из класса млекопитающих выделилось высшее существо - человек.

Ветви или, вернее, стволы этого генеалогического дерева неодинаковы по толщине. Это не случайно. Палеонтологами подсчитано, сколько видов древних животных встречено в отложениях каждого периода. Там, где их много, соответствующий ствол утолщается, а где мало, он вытягивается в тонкий стебель.

Не подлежит сомнению, что атмосфера имеет громадное значение для появления и развития жизни на Земле. Без нее не могли бы существовать ни животные, ни растения. Животные очень чутко реагируют на все изменения окружающей среды. Поэтому, если в атмосфере действительно происходили циклические изменения газового состава, они неизбежно должны были повлечь за собой перемены в животном мире.

Из опытов, проведенных над современными животными, известно, что более высокоразвитые организмы чувствительнее к колебаниям состава воздуха, чем организмы менее сложные, а долгоживущие существа чувствительнее, нежели недолговечные. И неожиданно намечается новое интересное решение палеобиологического вопроса.

Если приложить к родословному дереву позвоночных график, на котором показано изменение газового состава атмосферы во времени, можно увидеть, что линии, характеризующие вымирание или расцвет различных групп животного мира, соответствуют ходу кривой, показывающей увеличение содержания кислорода в атмосфере.

Напрашивается вывод: вымирание больших групп древних животных непосредственно связано с изменением газового состава воздуха. И это, конечно, касается не только динозавров. По-видимому, изменение состава атмосферы сыграло свою роль в эволюции всех классов позвоночных, будь то млекопитающие, земноводные или даже рыбы. В пользу этой гипотезы имеется немало доводов. О ее справедливости свидетельствуют анализ скелетных тканей вымерших организмов, закономерности эволюции дыхательного аппарата и системы кровообращения древних животных, характер биохимического режима тканей и особенности эмбрионального развития представителей современного животного мира. Но и эта гипотеза ни в коей мере не может считаться всеобъемлющей.

Бесспорно, что на вымирание и прогресс организмов определенное влияние оказали и борьба за существование, и местные похолодания, и образование новых горных хребтов, и изменения режима водоемов. Но какую роль сыграла каждая из этих сил - пока остается невыясненным.

Не исключена возможность, что на развитие органического мира повлияло и увеличение содержания в гидросфере дейтерия - тяжелого изотопа водорода. Сведения, которыми располагает геохимия, свидетельствуют о том, что содержание дейтерия в воде неуклонно повышается. Возможно, удастся найти доказательства, что и этот процесс на протяжении геологической истории ступенчато менял свою скорость.

Можно считать доказанным, что внезапные космические катастрофы не могут быть причиной эволюционного преобразования органического мира всей планеты. Тем не менее и они в состоянии сыграть определенную роль на общем фоне направленной эволюции.

В 1979 г. лауреат Нобелевской премии профессор Луис Альварес (по специальности - физик) и группа ученых Калифорнийского университета изучали в Италии химический состав горных пород, сформировавшихся в конце мелового и в начале палеогенового периодов. В отложениях, разделяющих мезозойские и кайнозойские образования, они обнаружили повышенную концентрацию редких химических элементов. Особенно интересным оказался пласт розоватого известняка, в нижней части которого содержались остатки микроорганизмов мелового, а в верхах - палеогенового возраста.

Между этими палеонтологически охарактеризованными слоями располагался тонкий (не более 1 см) прослои глины, в котором было установлено аномально высокое содержание иридия. Количество этого металла в глинистом пропластке более чем в 30 раз превышало его содержание в окружающем известняке.

Известно, что иридии мало распространен в земных породах, но довольно часто встречается в космической пыли и в некоторых типах метеоритов. Поэтому Альварес объяснил эту аномалию как результат столкновения Земли с каким-то космическим телом.

В последующие годы геохимические исследования пограничных отложений мела и палеогена были проведены во многих странах. И в десятках мест удалось установить наличие слоя с повышенным содержанием иридия. Увеличенные концентрации этого элемента были обнаружены на территории Испании, Китая, Новой Зеландии, Гаити, США, в донных осадках Тихого и Атлантического океанов. Наиболее значительной была аномалия, выявленная в Дании. В ее пределах содержание иридия было в 160 раз выше, чем в окружающих породах.

Стало очевидно, что аномалии иридия имеют глобальный характер и, скорее всего, являются следствием космических причин. Такой причиной могло быть падение на Землю крупного метеорита или астероида. Можно даже приблизительно оценить его размеры - около 10 км в диаметре. Статистические расчеты показывают, что встреча с метеоритом такого размера вероятна один раз в 30-100 млн. лет. Энергия подобного удара столь велика, что метеорит неизбежно разрушится. Значительная часть его должна при этом превратиться в пыль, которая вследствие движения воздушных потоков равномерно распределится в атмосфере и на некоторое время может существенно уменьшить ее прозрачность. Естественно, что пока эта пылевая завеса полностью не осядет на земную поверхность, животные и растения будут испытывать некоторую нехватку солнечного света и тепловой энергии. Если же атмосфера окажется настолько насыщенной пылью, что станет почти непрозрачной, то это может привести к гибели определенной части органического мира планеты. Эти аргументы и привел Альварес для объяснения причины вымирания динозавров.

Палеонтологические данные, однако, неопровержимо говорят о том, что вымирание динозавров началось задолго до предполагаемого момента падения астероида и не могло быть его следствием. Но тем не менее открытие иридиевой аномалии на границе мела и палеогена представляет большой интерес для палеонтологии. Любопытно, что в отложениях, располагающихся в разрезе над горизонтом с повышенным содержанием иридия, действительно не встречено никаких следов существования древних ящеров. Не стало ли падение метеорита фатальным для последних представителей этой группы?

На Земле пока еще достоверно не найден кратер от упавшего в это время космического тела. Но оно вполне могло угодить в океан. В этом случае отыскать метеоритную воронку, а тем более продукты кратерных выбросов - дело почти безнадежное. Правда, известно несколько впадин, которые могли образоваться вследствие падения метеоритов в конце позднемелового времени или в самом начале палеогена. В нашей стране - это парные «кратеры» Приазовья, имеющие диаметр 25 и 3 км, а также две сближенные структуры, расположенные неподалеку от побережья Карского моря (60 и 25 км в диаметре). Похожие парные впадины известны и в Ливии. Если предположить, что все эти впадины возникли одновременно и являются следами падения осколков одного небесного тела и если принять во внимание, что за время, истекшее с начала палеогена, континенты могли переместиться, то можно даже начертить траекторию движения этого метеорита, которая завершится в море. А может быть...

На территории Украины под толщей кайнозойских отложений скрывается интересная структура - Болтышская котловина. Она имеет округлую форму, достигает 25 км в диаметре, вдается в древний кристаллический фундамент на глубину 0,5 км и по многим признакам очень напоминает ископаемый кратер невулканического происхождения. Радиологический возраст этой впадины - около 70 млн. лет. Не здесь ли упал метеорит, рассеявший в атмосфере Земли иридиевую пыль?

Геологи пытались обнаружить сходные геохимические аномалии вблизи границ и других стратиграфических подразделений. Их поиски вскоре увенчались успехом. Повышенные концентрации иридия были выявлены на рубеже эоцена и олигоцена, а также на границе пермских и триасовых отложений. Есть основания полагать, что Земля неоднократно встречалась с крупными метеоритами. За последние 2 млрд. лет на поверхность планеты выпали сотни тысяч больших небесных тел радиусом не менее 1 км, и по крайней мере несколько десятков из них оставили после своего падения кратеры более 10 км в поперечнике.

Но метеориты - не единственные космические объекты, которые могут оказать воздействие на органический мир планеты. Незадолго до Альвареса известный американский геохимик Гарольд Юри высказал предположение, что причиной гибели отдельных групп организмов (имелись в виду те же самые динозавры) могло быть столкновение Земли с огромной (массой в миллиарды тонн) кометой. При этом должно было произойти разогревание атмосферы, которое могло оказаться гибельным для многих живых существ. Кроме того, если бы это космическое тело упало в океан, то воды его были бы отравлены солями синильной кислоты, образовавшейся из цианидов, которые есть в составе вещества кометы.

Таким образом, столкновения Земли с крупными космическими телами также могут рассматриваться в ряду многих факторов, влиявших на отдельные события в истории жизни на Земле. И хотя эволюция органического мира совершается постепенно и представляет собой направленный процесс, закономерности которого не могут быть объяснены мгновенными воздействиями подобных случайных катастроф, изучение катастрофических актов в геологической истории представляет большой научный и практический интерес. Поэтому в 1983г. ЮНЕСКО и Международный союз геологических наук утвердили специально посвященный исследованию этой проблемы международный проект «Редкие события в геологии».

Материалов, по которым в той или иной мере можно проследить историю развития жизни на Земле, собрано много. Однако до сих пор еще никто не создал универсальной теории о причинах всех изменений, происходивших в животном и растительном мире нашей планеты. Эти проблемы по сей день ждут своего исследователя. Необходимы совместные усилия многих наук: геологии, палеонтологии, геофизики, зоологии, ботаники, зоогеографии (науки, занимающейся изучением географического распространения животных), фитогеографии (науки о пространственном размещении растений), химии, физики, генетики, климатологии, астрономии. Только обобщив данные всех этих отраслей знания, можно будет создать достоверную теорию, которая прольет свет на многие до сих пор темные страницы эволюции жизни.

Но мысль о том, что развитие органического мира планеты подчинено строгим циклам, уже сегодня дает нам возможность подойти к построению конкретных схем, на основании которых можно пытаться установить абсолютную продолжительность геологических периодов, опираясь на сведения о существовании представителей различных групп животных и выявленные закономерности формирования пластов горных пород, вмещающих останки вымерших организмов.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http :// www . allbest . ru /

• Введение
• 2. Эволюция земной атмосферы
• 3.1 Примеси в атмосфере
• Заключение
• Использованная литература

Введение

Воздушная оболочка, окружающая земной шар называется атмосферой. В атмосфере постоянно происходят разнообразные процессы: химические, физические, биологические и др. В результате данных процессов происходит изменение как нижних, так и верхних слоев атмосферы.

Происходящие в атмосфере процессы происходят закономерно и взаимосвязано. На атмосферу оказывает воздействие космическое пространство, поверхность земли, водоемов, растительного и снежного покрова. Происходит взаимообмен газами, теплом, влагой, жидкими и твердыми частицами. Солнечное излучение является основным источником энергии для атмосферных частиц. В атмосфере, благодаря происходящим в ней различным процессам, происходят некоторые химические реакции, которые изменяют ее состав. Развиваются движения воздушных масс, образуются облака, осадки, наблюдаются электрические, акустические и оптические явления. Состояние атмосферы постоянно изменяется во времени и в пространстве.

Атмосфера не имеет определенной верхней границы. Она постепенно переходит в межпланетную среду. Условно верхнюю границу атмосферы принято считать на высоте 1000-1200 км. Спутниковые данные изменения плотности воздуха с высотой позволяют считать, что плотность атмосферы приближается к плотности межпланетной среды, начиная с высоты 2000-3000 км.

1. Общие особенности происхождения атмосферы Земли

Атмосфера начала образовываться вместе с формированием Земли. В процессе эволюции планеты и по мере приближения ее параметров к современным значениям произошли принципиально качественные изменения ее химического состава и физических свойств. Согласно эволюционной модели, на раннем этапе Земля находилась в расплавленном состоянии и около 4,5 млрд. лет назад сформировалась как твердое тело. Этот рубеж принимается за начало геологического летоисчисления. С этого времени началась медленная эволюция атмосферы. Некоторые геологические процессы, (например, излияния лавы при извержениях вулканов) сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их состав входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид СО и диоксид СО 2 углерода. Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом углерода, образуя углекислый газ. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался, становясь основным компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в молекулы в результате химических реакций. Под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов, присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции, в результате которых происходило образование органических веществ, в частности аминокислот. С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза, сопровождавшийся выделением кислорода. Этот газ, особенно после диффузии в верхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли от опасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Согласно теоретическим оценкам, содержание кислорода, в 25 000 раз меньшее, чем сейчас, уже могло привести к формированию слоя озона со всего лишь вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией. Однако этого уже достаточно, чтобы обеспечить весьма существенную защиту организмов от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей.

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

В зависимости от распределение температуры атмосферу Земли подразделяют на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. Давление и плотность воздуха в атмосфере Земли с высотой убывают.

Присутствующий в современной атмосфере гелий большей частью является продуктом радиоактивного распада урана, тория и радия. Эти радиоактивные элементы испускают a-частицы, которые представляют собой ядра атомов гелия. Поскольку в ходе радиоактивного распада электрический заряд не образуется и не исчезает, с образованием каждой a-частицы появляются по два электрона, которые, рекомбинируя с a-частицами, образуют нейтральные атомы гелия. Радиоактивные элементы содержатся в минералах, рассеянных в толще горных пород, поэтому значительная часть гелия, образовавшегося в результате радиоактивного распада, сохраняется в них, очень медленно улетучиваясь в атмосферу. Некоторое количество гелия за счет диффузии поднимается вверх в экзосферу, но благодаря постоянному притоку от земной поверхности, объем этого газа в атмосфере почти не меняется. На основании спектрального анализа света звезд и изучения метеоритов можно оценить относительное содержание различных химических элементов во Вселенной. Концентрация неона в космосе примерно в десять миллиардов раз выше, чем на Земле, криптона - в десять миллионов раз, а ксенона - в миллион раз. Отсюда следует, что концентрация этих инертных газов, по-видимому, изначально присутствовавших в земной атмосфере и не пополнявшихся в процессе химических реакций, сильно снизилась, вероятно, еще на этапе утраты Землей своей первичной атмосферы. Исключение составляет инертный газ аргон, поскольку в форме изотопа 40Ar он и сейчас образуется в процессе радиоактивного распада изотопа калия.

1.1 Состав и строение атмосферы

В настоящее время Земля обладает атмосферой массой примерно 5,27х10 18 кг. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в слое до 5 км, 75% - до высоты 10 км, 95% - до 20км. Около поверхности она содержит 78,08% азота, 20,95% кислорода, 0,94% инертных газов, 0,03% углекислого газа и в незначительных количествах другие газы. Давление и плотность в атмосфере убывают с высотой. Половина воздуха содержится в нижних 5,6 км, а почти вся вторая половина сосредоточена до высоты 11,3 км. На высоте 95 км плотность воздуха в миллион раз ниже, чем у поверхности. На этом уровне и химический состав атмосферы уже иной. Растет доля легких газов, и преобладающими становятся водород и гелий. Часть молекул разлагается на ионы, образуя ионосферу. Выше 1000 км находятся радиационные пояса. Их тоже можно рассматривать как часть атмосферы, заполненную очень энергичными ядрами атомов водорода и электронами, захваченными магнитным полем планеты.

Атмосфера является одним из необходимых условий возникновения и существования жизни на Земле. Она участвует в формировании климата на планете, регулирует ее тепловой режим, способствует перераспределению тепла у поверхности. Часть лучистой энергии Солнца поглощается атмосферой, а остальная энергия, достигая поверхности Земли, частично уходит в почву, водоемы, а частично отражается в атмосферу.

Атмосфера предохраняет Землю от резких колебаний температуры. При отсутствии атмосферы и водоемов температура поверхности Земли в течение суток колебалась бы в интервале 200°С. Благодаря наличию кислорода атмосфера участвует в обмене и круговороте веществ в биосфере.

В современном состоянии атмосфера существует сотни миллионов лет, все живое приспособлено к строго определенному ее составу. Газовая оболочка защищает живые организмы от губительных ультрафиолетовых, рентгеновских и космических лучей. Атмосфера предохраняет Землю от падения метеоритов.

В атмосфере распределяются и рассеиваются солнечные лучи, что создает равномерное освещение. Она является средой, где распространяется звук. Из-за действия гравитационных сил атмосфера не рассеивается в мировом пространстве, а, окружая Землю, вращается вместе с ней.

2. Эволюция земной атмосферы

Атмосфера начала образовываться вместе с формированием Земли. В процессе эволюции планеты и по мере приближения ее параметров к современным значениям произошли принципиально качественные изменения ее химического состава и физических свойств. Согласно эволюционной модели, на раннем этапе Земля находилась в расплавленном состоянии и около 4,5 млрд. лет назад сформировалась как твердое тело. Этот рубеж принимается за начало геологического летоисчисления. С этого времени началась медленная эволюция атмосферы.

В догеологическое время, в фазу расплавления внешней сферы земного шара, огромные массы выделявшихся газов образовали первичную атмосферу Земли. Основными компонентами выделявшихся из недр Земли газов были углекислый газ и водяной пар. Состав первичной атмосферы Земли, образовавшейся за счет выделения газов и воды при расплавлении планетного вещества, был сходен по составу с компонентами вулканических извержений современности. Газы, выделяющиеся из современных вулканов, содержат преимущественно водяной пар. В составе газов базальтовых лав, например, гавайских вулканов с температурами до 1200°С водяной пар составляет 70-80% по объему. Вторым по значению компонентом, составляющим атмосферу, является углекислый газ. В газах из вулканических лав СО 2 содержится от 6 до 15%.

Итак, атмосфера того времени состояла главным образом из водяного пара с существенной примесью углекислого газа. В фазу расплавления внешней сферы земного шара практически вся гидросфера находилась в составе атмосферы. В эту фазу выделившийся водяной пар, охлаждаясь на большой высоте, образовывал густой облачный покров и интенсивные дождевые осадки. Однако падающие из облаков капли воды на некоторой высоте над поверхностью планеты, где температура воздуха была выше 100°С, превращались в пар, который снова поднимался вверх. Над раскаленной поверхностью Земли функционировал своеобразный круговорот воды: пар - дождевые осадки - пар, т.е. мощный парниковый эффект, аналогично наблюдаемый ныне на Венере.

В самый ранний период формирование плотной атмосферы вокруг остывающей Земли, по-видимому, происходило за счет паров и газов, выделяющихся в результате дегазации мантии. Предполагается, что в дальнейшем формирование атмосферы происходило за счет газов, извергающихся вулканами в течение первых 500 млн. лет существования Земли, которые состояли из водорода, водяного пара, метана, оксидов углерода, аммиака и др.

Круговорот воды в природе, локализованный в первичной атмосфере Земли вблизи температурного уровня 100°С, практически не оказывал влияния на общий ход эволюции планеты и на развитие ее поверхности. Но это были предпосылки могучего круговорота воды на Земле, который сформировался позже и имел огромное влияние на развитие природной среды и планеты в целом. После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100°С произошел переход атмосферного водяного пара в жидкую воду. На сухой и очень горячей, тогда земной поверхности образовался сток, речная сеть и возникли водоемы. Земная поверхность стала сильно обводненной и начала подвергаться интенсивному воздействию водных потоков. Этот этап и явился началом геологической истории.

Следовательно, первоначальная атмосфера была восстановительной и содержала незначительное количество кислорода, который образовывался за счет фотодиссоциации водяного пара под действием ультрафиолетового излучения Солнца и дегазации базальтовой магмы. Конденсация водяного пара около 4 млрд. лет назад привела к образованию гидросферы.

Изменения температурных условий на Земле, а вслед за этим и всей природной обстановки не могли не отразиться и на атмосфере. Изъятие из атмосферы огромного количества воды и образование поверхностного стока и водоемов оказали огромное влияние на состав и эволюцию воздушной среды. Из водной атмосферы она превратилась в основном в углекислую, в которой водяной пар из господствующего компонента превратился во второстепенный.

Образование на земной поверхности крупных водоемов оказало воздействие на дальнейшую эволюцию атмосферы, в которой началось быстрое уменьшение содержания углекислого газа. СО 2 легко растворяется в воде, и основная его часть была поглощена ею. Во много раз уменьшилось и давление атмосферы. Природные условия на Земле резко изменились. Природная среда на нашей планете стала непохожей на ту, что была у нее в ранние фазы истории.

Некоторые геологические процессы, (например, излияния лавы при извержениях вулканов) сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их состав входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид СО и диоксид СО 2 углерода. Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом углерода, образуя углекислый газ. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался, становясь основным компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в молекулы в результате химических реакций. Под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов, присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции, в результате которых происходило образование органических веществ, в частности аминокислот.

Из-за отсутствия значительных количеств кислорода, а, следовательно, и озона, ультрафиолетовые лучи легко проникали сквозь атмосферу, что создавало благоприятные условия для образования таких органических веществ, как аминокислоты и пиридиновые основания, являющиеся главнейшими составными частями живой материи. Исходными веществами для этого процесса служили молекулы метана, оксида углерода (II), водорода, воды и аммиака. Необходимо отметить, что предпосылкой усложнения структуры являлось отсутствие полной деструкции молекул органических соединений до углекислого газа и воды, как это происходит при наличии в атмосфере кислорода. Следовательно, в восстановительной атмосфере происходило не окисление органических веществ, а разложение их на отдельные фрагменты, которые служили исходным материалом для синтеза более сложных веществ. Эти органические вещества могли постепенно накапливаться в отдельных, наиболее благоприятных местах первобытного океана, например на берегах, что обеспечило возникновение жизни и ее прогрессивную эволюцию. Первыми видами живых организмов были, вероятно, бактерии, у которых обмен веществ происходил без участия кислорода. Они получили название анаэробных.

Следовательно, на ранней стадии развития существовала анаэробная восстановительная атмосфера, и если, в конце концов, произошел переход к атмосфере окислительной и аэробной, то фактором, ответственным за этот переход, явилась жизнедеятельность фотосинтезирующих организмов. Сущность жизнедеятельности этих организмов заключается в том, что при поглощении из внешней среды неорганических веществ (углекислого газа и воды) и солнечной энергии с помощью хлорофилла они производят органические вещества и кислород. Суммарная химическая реакция этого процесса выражается уравнением:

6 CO 2 + 6H 2 = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 .

Живые организмы, появившиеся в водах древнего океана, стали определяющим фактором развития атмосферы. Важнейшим результатом деятельности этих организмов явилось накопление большого количества кислорода в атмосфере, сопровождаемое поглощением углекислого газа.

Процесс накопления в атмосфере кислорода способствовало возникновению озонового слоя, который способен задерживать большую часть коротковолновых и ультрафиолетовых лучей, губительных для всего живого. Озоновый слой образовался на высоте 25-30 км от поверхности Земли за счет фотохимической реакции.

Когда озоновый слой атмосферы сформировался полностью, ультрафиолетовые лучи уже не достигали поверхности Земли и живые организмы смогли обитать на суше. Эволюция живых организмов пошла еще быстрее благодаря пышному развитию растительности. Все увеличивающееся содержание кислорода в атмосфере способствовало окислению аммиака, выделяющегося при интенсивном вулканизме. В результате реакции окисления аммиака образовывался азот:

4NH 3 + 3O 2 = 2N 2 + 6H 2 O.

Так постепенно создавалась азотно-кислородная атмосфера Земли. Большая часть кислорода, выделившегося вследствие фотосинтеза за геологическую историю планеты, была захоронена в литосфере в виде карбонатов, сульфатов, оксидов железа и других осадочных образований. Захоронению подвергался не только кислород, но и углерод. Продукцией биохимической деятельности живых организмов стали залежи каменных и бурых углей, нефти.

Процесс захоронения органического вещества способствовал обеднению атмосферы углекислым газом и обогащению кислородом. Древняя атмосфера, по современным расчетам, была насыщена СО 2 в 1000 раз больше, чем современная. Источником фотосинтетического кислорода является морская и континентальная растительность. Около 80 % общего его количества образуется в результате жизнедеятельности фитопланктона, содержащегося в верхних слоях морей и океанов. Фитопланктон представляет собой микроскопические растительные морские организмы. Наземные растительные организмы дают примерно 20 % фотосинтетического кислорода. По современным представлениям, весь свободный кислород атмосферы образовался в основном за счет двух мощных источников - фотосинтетического и эндогенного (глубинного), т.е. в результате дегазации базальтовой магмы.

По подсчетам В.И. Вернадского, общее количество свободного кислорода в атмосфере оценивается в 1,5 10 15 т, что согласуется с настоящими определениями.

2.1 Антропогенные изменения атмосферы

В настоящее время имеется множество различных источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение атмосферы и приводящих к серьезным нарушениям экологического равновесия. По своим масштабам наибольшее воздействие на атмосферу оказывают два источника: транспорт и промышленность. В среднем на долю транспорта приходится около 60% общего количества атмосферных загрязнений, промышленности - 15, тепловой энергетики - 15, технологий уничтожения бытовых и промышленных отходов - 10%.

Транспорт в зависимости от используемого топлива и типов окислителей выбрасывает в атмосферу оксиды азота, серы, оксиды и диоксиды углерода, свинца и его соединений, сажу, бензопирен (вещество из группы полициклических ароматических углеводородов, которое является сильным канцерогеном, вызывающим рак кожи).

Промышленность выбрасывает в атмосферу сернистый газ, оксиды и диоксиды углерода, углеводороды, аммиак, сероводород, серную кислоту, фенол, хлор, фтор и другие соединения и химические элементы. Но главенствующее положение среди выбросов (до 85%) занимает пыль.

В результате загрязнения меняется прозрачность атмосферы, в ней возникают аэрозоли, смог и кислотные дожди.

Аэрозоли представляют собой дисперсные системы, состоящие из частиц твердого тела или капель жидкости, находящихся во взвешенном состоянии в газовой среде. Размер частиц дисперсной фазы обычно составляет 10 -3 -10 -7 см. В зависимости от состава дисперсной фазы аэрозоли подразделяют на две группы. К одной относят аэрозоли, состоящие из твердых частиц, диспергированных в газообразной среде, ко второй - аэрозоли, являющиеся смесью газообразных и жидких фаз. Первые называют дымами, а вторые - туманами. В процессе их образования большую роль играют центры конденсации. В качестве ядер конденсации выступают вулканический пепел, космическая пыль, продукты промышленных выбросов, различные бактерии и др. Число возможных источников ядер концентрации непрерывно растет. Так, например, при уничтожении огнем сухой травы на площади 4000 м 2 образуется в среднем 11*10 22 ядер аэрозолей.

Аэрозоли начали образовываться с момента возникновения нашей планеты и влияли на природные условия. Однако их количество и действия, уравновешиваясь с общим круговоротом веществ в природе, не вызывали глубоких экологических изменений. Антропогенные факторы их образования сдвинули это равновесие в сторону значительных биосферных перегрузок. Особенно сильно эта особенность проявляется с тех пор, как человечество стало использовать специально создаваемые аэрозоли как в виде отравляющих веществ, так и для защиты растений.

Наиболее опасными для растительного покрова являются аэрозоли сернистого газа, фтористого водорода и азота. При соприкосновении с влажной поверхностью листа они образуют кислоты, губительно воздействующие на живые ткани. Кислотные туманы попадают вместе с вдыхаемым воздухом в дыхательные органы животных и человека, агрессивно воздействуют на слизистые оболочки. Одни из них разлагают живую ткань, а радиоактивные аэрозоли вызывают онкологические заболевания. Среди радиоактивных изотопов особую опасность представляет Sг 90 не только своей канцерогенностью, но и как аналог кальция, замещающий его в костях организмов, вызывая их разложение.

Во время ядерных взрывов в атмосфере образуются радиоактивные аэрозольные облака. Мелкие частицы радиусом 1 - 10 мкм попадают не только в верхние слои тропосферы, но и в стратосферу, в которой они способны находиться длительное время. Аэрозольные облака образуются также во время работы реакторов промышленных установок, производящих ядерное топливо, а также в результате аварий на АЭС.

Смог представляет собой смесь аэрозолей с жидкой и твердой дисперсными фазами, которые образуют туманную завесу над промышленными районами и крупными городами.

Различают три вида смога: ледяной, влажный и сухой. Ледяной смог назван аляскинским. Это сочетание газообразных загрязнителей с добавлением пылеватых частиц и кристалликов льда, которые возникают при замерзании капель тумана и пара отопительных систем.

Влажный смог, или смог лондонского типа, иногда называется зимним. Он представляет собой смесь газообразных загрязнителей (в основном сернистого ангидрита), пылеватых частиц и капель тумана. Метеорологической предпосылкой для появления зимнего смога является безветренная погода, при которой слой теплого воздуха располагается над приземным слоем холодного воздуха (ниже 700 м). При этом отсутствует не только горизонтальный, но и вертикальный обмен. Загрязняющие вещества, обычно рассеивающиеся в высоких слоях, в данном случае накапливаются в приземном слое.

Сухой смог возникает в летнее время, и его нередко называют смогом лос-анджелесского типа. Он представляет собой смесь озона, угарного газа, оксидов азота и паров кислот. Образуется такой смог в результате разложения загрязняющих веществ солнечной радиацией, особенно ультрафиолетовой ее частью. Метеорологической предпосылкой является атмосферная инверсия, выражающаяся в появлении слоя холодного воздуха над теплым. Обычно поднимаемые теплыми потоками воздуха газы и твердые частицы затем рассеиваются в верхних холодных слоях, но в данном случае накапливаются в инверсионном слое. В процессе фотолиза диоксиды азота, образованные при сгорании топлива в двигателях автомобилей, распадаются:

NO 2 > NO + О

Затем происходит синтез озона:

O + O 2 + M > O 3 + M

NO + О > NO 2

Процессы фотодиссоциации сопровождаются желто-зеленым свечением.

Кроме того, происходят реакции по типу: SO 3 + Н 2 0 - > Н 2 SO 4 , т.е. образуется сильная серная кислота.

С изменением метеорологических условий (появление ветра или изменение влажности) холодный воздух рассеивается и смог исчезает.

Наличие канцерогенных веществ в смоге приводит к нарушению дыхания, раздражению слизистых оболочек, расстройству кровообращения, возникновению астматических удуший и нередко к смерти. Особенно опасен смог для малолетних детей.

Кислотные дожди представляют собой атмосферные осадки, подкисленные растворенными в них промышленными выбросами оксидов серы, азота и паров хлорной кислоты и хлора. В процессе сжигания угля, нефти и газа большая часть находящейся в ней серы как в виде оксида, так в соединениях с железом, в частности в пирите, пирротине, халькопирите и т.д., превращается в оксид серы, который вместе с диоксидом углерода выбрасывается в атмосферу. При соединении атмосферного азота и технических выбросов с кислородом образуются различные оксиды азота, причем объем образовавшихся оксидов азота зависит от температуры горения. Основная масса оксидов азота возникает во время эксплуатации автотранспорта и тепловозов, а меньшая часть приходится на энергетику и промышленные предприятия. Оксиды серы и азота - главные кислотообразователи. При реакции с атмосферным кислородом и находящимися в нем парами воды образуются серная и азотная кислоты.

Известно, что щелочно-кислотный баланс среды определяется величиной рН. Нейтральная среда имеет величину рН, равную 7, кислая - 0, а щелочная - 14 (рис.6.7). В современную эпоху величина рН дождевой воды составляет 5,6, хотя в недавнем прошлом она была нейтральной. Уменьшение значения рН на единицу соответствует десятикратному повышению кислотности и, следовательно, в настоящее время практически повсеместно выпадают дожди с повышенной кислотностью. Максимальная кислотность дождей, зарегистрированная в Западной Европе, составляла 4-3,5 рН. При этом надо учесть, что величина рН, равная 4-4,5, смертельна для большинства рыб.

Кислотные дожди оказывают агрессивное воздействие на растительный покров Земли, на промышленные и жилые здания и способствуют существенному ускорению выветривания обнаженных горных пород. Повышение кислотности препятствует саморегуляции нейтрализации почв, в которых растворяются питательные вещества. В свою очередь, это приводит к резкому снижению урожайности и вызывает деградацию растительного покрова. Кислотность почв способствует освобождению находящихся в связанном состоянии тяжелых металлов, которые постепенно усваиваются растениями, вызывая у них серьезные повреждения тканей и проникая в пищевые цепочки человека.

Изменение щелочно-кислотного потенциала морских вод, особенно в мелководьях, ведет к прекращению размножения многих беспозвоночных, вызывает гибель рыб и нарушает экологическое равновесие в океанах.

В результате кислотных дождей под угрозой гибели находятся лесные массивы Западной Европы, Прибалтики, Карелии, Урала, Сибири и Канады.

3. Эколого-геологическая роль атмосферных процессов

Уменьшение прозрачности атмосферы за счет появления в ней аэрозольных частиц и твердой пыли влияет на распределение солнечной радиации, увеличивая альбедо или отражательную способность. К такому же результату приводят и разнообразные химические реакции, вызывающие разложение озона и генерацию "перламутровых" облаков, состоящих из водяного пара. Глобальное изменение отражательной способности, так же как изменения газового состава атмосферы, главным образом парниковых газов, являются причиной климатических изменений.

Неравномерное нагревание, вызывающее различия в атмосферном давлении над разными участками земной поверхности, приводит к атмосферной циркуляции, которая является отличительной чертой тропосферы. При возникновении разности в давлении воздух устремляется из областей повышенного давления в область пониженных давлений. Эти перемещения воздушных масс вместе с влажностью и температурой определяют основные эколого-геологические особенности атмосферных процессов.

В зависимости от скорости ветер производит на земной поверхности различную геологическую работу. При скорости 10 м/с он качает толстые ветви деревьев, поднимает и переносит пыль и мелкий песок; со скоростью 20 м/с ломает ветви деревьев, переносит песок и гравий; со скоростью 30 м/с (буря) срывает крыши домов, вырывает с корнем деревья, ломает столбы, передвигает гальку и переносит мелкий щебень, а ураганный ветер со скоростью 40 м/с разрушает дома, ломает и сносит столбы линий электропередач, вырывает с корнем крупные деревья.

Большое негативное экологическое воздействие с катастрофическими последствиями оказывают шквальные бури и смерчи (торнадо) - атмосферные вихри, возникающие в теплое время года на мощных атмосферных фронтах, имеющие скорость до 100 м/с. Шквалы - это горизонтальные вихри с ураганной скоростью ветра (до 60-80 м/с). Они часто сопровождаются мощными ливнями и грозами продолжительностью от нескольких минут до получаса. Шквалы охватывают территории шириной до 50 км и проходят расстояние в 200-250 км. Шквальная буря в Москве и Подмосковье в 1998 г. повредила крыши многих домов и повалила деревья.

Смерчи, называемые в Северной Америке торнадо, представляют собой мощные воронкообразные атмосферные вихри, часто связанные с грозовыми облаками. Это суживающиеся в середине столбы воздуха диаметром от нескольких десятков до сотен метров. Смерч имеет вид воронки, очень похожей на хобот слона, спускающейся с облаков или поднимающейся с поверхности земли. Обладая сильной разреженностью и высокой скоростью вращения, смерч проходит путь до нескольких сотен километров, втягивая в себя пыль, воду из водоемов и различные предметы. Мощные смерчи сопровождаются грозой, дождем и обладают большой разрушительной силой.

Смерчи редко возникают в приполярных или экваториальных областях, где постоянно холодно или жарко. Мало смерчей в открытом океане. Смерчи происходят в Европе, Японии, Австралии, США, а в России особенно часты в Центрально-Черноземном районе, в Московской, Ярославской, Нижегородской и Ивановской областях.

Смерчи поднимают и перемещают автомобили, дома, вагоны, мосты. Особенно разрушительные смерчи (торнадо) наблюдаются в США. Ежегодно отмечается от 450 до 1500 торнадо с числом жертв в среднем около 100 человек. Смерчи относятся к быстродействующим катастрофическим атмосферным процессам. Они формируются всего за 20-30 мин, а время их существования 30 мин. Поэтому предсказать время и место возникновения смерчей практически невозможно.

Другими разрушительными, но действующими продолжительное время атмосферными вихрями являются циклоны. Они образуются из-за перепада давления, которое в определенных условиях способствует возникновению кругового движения воздушных потоков. Атмосферные вихри зарождаются вокруг мощных восходящих потоков влажного теплого воздуха и с большой скоростью вращаются по часовой стрелке в южном полушарии и против часовой - в северном. Циклоны в отличие от смерчей зарождаются над океанами и производят свои разрушительные действия над материками. Основными разрушительными факторами являются сильные ветры, интенсивные осадки в виде снегопада, ливней, града и нагонные наводнения. Ветры со скоростями 19 - 30 м/с образуют бурю, 30 - 35 м/с - шторм, а более 35 м/с - ураган.

Тропические циклоны - ураганы и тайфуны - имеют среднюю ширину в несколько сот километров. Скорость ветра внутри циклона достигает ураганной силы. Длятся тропические циклоны от нескольких дней до нескольких недель, перемещаясь со скоростью от 50 до 200 км/ч. Циклоны средних широт имеют больший диаметр. Поперечные размеры их составляют от тысячи до нескольких тысяч километров, скорость ветра штормовая. Движутся в северном полушарии с запада и сопровождаются градом и снегопадом, имеющими катастрофический характер. По числу жертв и наносимому ущербу циклоны и связанные с ними ураганы и тайфуны являются самыми крупными после наводнений атмосферными стихийными явлениями. В густонаселенных районах Азии число жертв во время ураганов измеряется тысячами. В 1991 г. в Бангладеш во время урагана, который вызвал образование морских волн высотой 6 м, погибло 125 тыс. человек. Большой ущерб наносят тайфуны территории США. При этом гибнут десятки и сотни людей. В Западной Европе ураганы приносят меньший ущерб.

Катастрофическим атмосферным явлением считаются грозы. Они возникают при очень быстром поднятии теплого влажного воздуха. На границе тропического и субтропического поясов грозы происходят по 90-100 дней в году, в умеренном поясе по 10-30 дней. В нашей стране наибольшее количество гроз случается на Северном Кавказе.

Грозы обычно продолжаются менее часа. Особую опасность представляют интенсивные ливни, градобития, удары молнии, порывы ветра, вертикальные потоки воздуха. Опасность градобития определяется размерами градин. На Северном Кавказе масса градин однажды достигала 0,5 кг, а в Индии отмечены градины массой 7 кг. Наиболее градоопасные районы у нас в стране находятся на Северном Кавказе. В июле 1992 г. град повредил в аэропорту "Минеральные Воды" 18 самолетов.

К опасным атмосферным явлениям относятся молнии. Они убивают людей, скот, вызывают пожары, повреждают электросеть. От гроз и их последствий ежегодно в мире гибнет около 10 000 человек. Причем в некоторых районах Африки, во Франции и США число жертв от молний больше, чем от других стихийных явлений. Ежегодный экономический ущерб от гроз в США составляет не менее 700 млн. долларов.

Засухи характерны для пустынных, степных и лесостепных регионов. Недостаток атмосферных осадков вызывает иссушение почвы, понижение уровня подземных вод и в водоемах до полного их высыхания. Дефицит влаги приводит к гибели растительности и посевов. Особенно сильными бывают засухи в Африке, на Ближнем и Среднем Востоке, в Центральной Азии и на юге Северной Америки.

Засухи изменяют условия жизнедеятельности человека, оказывают неблагоприятное воздействие на природную среду через такие процессы, как осолонение почвы, суховеи, пыльные бури, эрозия почвы и лесные пожары. Особенно сильными пожары бывают во время засухи в таежных районах, тропических и субтропических лесах и саваннах.

Засухи относятся к кратковременным процессам, которые продолжаются в течение одного сезона. В том случае, когда засухи длятся более двух сезонов, возникает угроза голода и массовой смертности. Обычно действие засухи распространяется на территорию одной или нескольких стран. Особенно часто продолжительные засухи с трагическими последствиями возникают в Сахельской области Африки.

Большой ущерб приносят такие атмосферные явления, как снегопады, кратковременные ливневые дожди и продолжительные затяжные дожди. Снегопады вызывают массовые сходы лавин в горах, а быстрое таяние выпавшего снега и ливневые продолжительные дожди приводят к наводнениям. Огромная масса воды, падающая на земную поверхность, особенно в безлесных районах, вызывает сильную эрозию почвенного покрова. Происходит интенсивный рост овражно-балочных систем. Наводнения возникают в результате крупных паводков в период обильного выпадения атмосферных осадков или половодья после внезапно наступившего потепления или весеннего таяния снега и, следовательно, по происхождению относятся к атмосферным явлениям (они рассматриваются в главе, посвященной экологической роли гидросферы).

3.1 Примеси в атмосфере

В атмосферном воздухе содержатся различные примеси - пыль, газы и т.д. Часть этих примесей имеет природное происхождение. Например, вулканическая и почвенная пыль, пыль лесных пожаров и т.д. Гниение органических веществ ведет к поступлению в атмосферу сероводорода, аммиака; брожение углеродсодержащих веществ - к выделению метана. В атмосфере имеются различные неорганические соли, которые попадают в нее из океанов и морей в результате испарения и разбрызгивания во время волнения. При испарении воды соли поступают в воздух в молекулярно-дисперсном состоянии. С 1 м 3 воды уносится 0,5 г соли. При испарении со всей поверхности Мирового океана (500 тыс. км 2) в атмосферу ежегодно переходит с водяным паром примерно 250 млн. т растворенных веществ, в состав которых входят такие элементы: йод, бром, свинец, цинк, медь, никель и др. Например, ежегодно из морской воды в атмосферу испаряется около 50 000 т йода. Но главным природным источником металлов в атмосфере является пыль, образуемая при выветривании горных пород и переносимая ветровыми потоками. Некоторое количество металлов приносит космическая пыль, 1 млн. т которой ежегодно оседает на поверхность Земли. В настоящее время главным поставщиком металлов в атмосферу являются антропогенные источники, приносящие в воздух в 18 раз больше свинца, в 9 - больше кадмия и в 7 раз больше цинка.

За последнее десятилетие в атмосферу поступило свинца больше, чем за всю историю цивилизации до 1900 г. Количество углекислого газа, ежегодно образующегося в сфере товарного производства, в 100-200 раз больше, чем его поступление при извержении вулканов. Под действием земного радиоактивного излучения и космических лучей в атмосфере образуется много ионов. В 1 см 3 воздуха их может содержаться от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч.

Непосредственными составляющими атмосферы природного происхождения являются S0 2 , HF, HC1 (вулканического происхождения), а также H 2 S (из природного газа). В атмосфере всегда присутствует водяной пар. Количество водяного пара в тропосфере зависит от времени года и географической широты. Масса воды, содержащейся в атмосфере, достигает 13,25 10 12 т.

В тропосферу непрерывно поступает пыль различного происхождения - космическая, вулканическая, почвенная, пыль лесных пожаров. Обычно в естественных условиях на 1 км 2 ежегодно выпадает около 5 т пыли.

Химический состав атмосферы остается практически постоянным на протяжении многих миллионов лет. Это можно объяснить тем, что ее состав регулируется биологическими процессами, происходящими в направлении оптимизации условий развития биосферы. Как писал В.И. Вернадский, жизнь создает в окружающей ее среде условия, благоприятные для своего существования.

атмосфера земля антропогенный природный

Заключение

Согласно современным представлениям, основывающимся на определении содержания изотопов свинца в древнейших урановых породах, наша планета образовалась около 4,6 млрд. лет назад из газопылевого облака, рассеянного в околосолнечном пространстве. Прежде чем приобрести современные свои свойства и состав, земная атмосфера прошла несколько стадий развития.

С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза, сопровождавшийся выделением кислорода. Этот газ, особенно после диффузии в верхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли от опасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Согласно теоретическим оценкам, содержание кислорода, в 25 000 раз меньшее, чем сейчас, уже могло привести к формированию слоя озона со всего лишь вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией. Однако этого уже достаточно, чтобы обеспечить весьма существенную защиту организмов от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей.

Вопрос об эволюции атмосферы Земли в течение различных геологических эпох решается с помощью данных о составе горных пород, о процессах их образования, о содержании в них различных газов. Процессы, влиявшие на формирование атмосферы земли в прошлом, т.е. расщепление молекул под влиянием солнечного излучения, вулканическая деятельность, взаимодействие атмосферы с почвой, водной поверхностью, растительным покровом, продолжают действовать и сейчас. Существующая современная атмосфера Земли является результатом многообразных географических и биологических процессов, которые продолжаются и в настоящее время.

Использованная литература

1. Аганбегян А.Г., Социально-экономическое развитие России. М., 2003

2. Акопова Е.С., Мировая экономика и международные экономические отношения, М., 2005

3. Арустамова. - М.: Издательский Дом "Дашков и Кє", 2001. - 236 с.

4. Арустамов Э.В. и др. Природопользование: Учебник. - 6-е изд. - М.: "Дашков и Кє", 2004. - 312 с.

5. Вронский В.А. Прикладная экология: учебное пособие. - Ростов н/Д.: Изд-во "Феникс". 1996. - 512 с.

6. Гуральник И.И., Дубинский Г.П. Метеорология: Учебник. - Л.: Гидрометеоиздат. 1972 - 416 с.

7. Делятицкий С., Экологический словарь, М., 1993

8. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. - Ростов н/Д, 2001, - 576 с.

9. Лопатин В.Н., Экологическая безопасность России: Проблемы правоприменительной практики. М., 2003

10. Мышко Ф.Г., Экологическая безопасность. М., 2003

11. Новиков Ю.В. Природа и человек. - М.: Просвещение, 1991. - 223 с.

12. Погорелецкий А.И., Экономика зарубежных стран, М., 2001

13. Протасов В.Ф., Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России, М., 1999

14. Ситаров В.А., Пустовойтов В.В. Социальная экология: учеб. пособие. - М.: "Академия", 2000. - 280 с.

15. Хотунцев Ю.Л., Экология и экологическая безопасность. М., 2004

16. Чернобаев И.П. Химия окружающей среды: Учебное пособие. - К.: Выща шк., 1990. - 191 с.

17. Шмидхейни С. "Смена курса. Перспективы развития и проблемы окружающей среды: подход предпринимателя" М., 1994

18. Экологические основы природопользования: Учебное пособие/ Под ред.Э. А.

19. Экология. Учебник. М., 2005

20. Экологический словарь. М., 2006

21. Экология. Учебник. М., 2006

22. Global Environmental Outlook 1997

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Исследования газового состава атмосферы. Атмосферная химия. Спутниковый мониторинг атмосферы. Прогнозирование изменений состава атмосферы и климата Земли. Явление парникового эффекта атмосферы. Влияние увеличивающейся концентрации СО2.

реферат , добавлен 27.12.2002


Последствия загрязнения приземной атмосферы. Отрицательное влияние загрязненной атмосферы на почвенно-растительный покров. Состав и расчет выбросов загрязняющих веществ. Трансграничное загрязнение, озоновый слой Земли. Кислотность атмосферных осадков.

реферат , добавлен 12.01.2013


Озоносфера как важнейшая составная часть атмосферы, влияющая на климат и защищающая все живое на Земле от ультрафиолетового излучения Солнца. Образование озоновых дыр в озоновом слое Земли. Химические и геологические источники загрязнения атмосферы.

реферат , добавлен 05.06.2012


Строение и состав атмосферы. Загрязнение атмосферы. Качество атмосферы и особенности ее загрязнения. Основные химические примеси, загрязняющие атмосферу. Методы и средства защиты атмосферы. Классификация систем очистки воздуха и их параметры.

реферат , добавлен 09.11.2006


Загрязнение атмосферы в результате антропогенной деятельности, изменение химического состава атмосферного воздуха. Природное загрязнение атмосферы. Классификация загрязнения атмосферы. Вторичные и первичные промышленные выбросы, источники загрязнения.

реферат , добавлен 05.12.2010


Основные загрязнители атмосферного воздуха и глобальные последствия загрязнения атмосферы. Естественные и антропогенные источники загрязнения. Факторы самоочищения атмосферы и методы очистки воздуха. Классификация типов выбросов и их источников.

презентация , добавлен 27.11.2011


Виды антропогенные воздействий на биосферу. Атмосфера – элемент биосферы. Источники загрязнения и влияние атмосферных загрязнений на здоровье населения. Современный газовый состав атмосферы. Основные виды вмешательства человека в экологические процессы.

презентация , добавлен 15.10.2015


контрольная работа , добавлен 03.02.2011


Атмосферный воздух, важнейшая жизнеобеспечивающая природная среда, представляет собой смесь газов и аэрозолей приземного слоя атмосферы. Масса атмосферы нашей планеты. Газовый состав атмосферы - результат длительного исторического развития земного шара.

контрольная работа , добавлен 01.02.2009


Атмосфера, как часть природной среды. Естественные и искусственны источники загрязнения атмосферы. Последствия загрязнения атмосферы. Меры по охране атмосферы от загрязнения.

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

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

Первичная атмосфера Земли. Восстановительная.

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

Вторичная атмосфера Земли. Окислительная.

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

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

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

Таким образом, атмосфера из восстановительной постепенно превратилась в окислительную.

Образование и эволюция углекислого газа в первичной и вторичной атмосфере.

Источники углекислого газа на ранних этапах образования атмосферы:

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

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

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

Образование и эволюция кислорода в первичной и вторичной атмосфере.

Источники кислорода на ранних этапах образования атмосферы :

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

Изменение концентрации кислорода в атмосфере.

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

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

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

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

Образование и эволюция азота в первичной и вторичной атмосфере.

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

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

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

Таблица 1. Состав первичной и современной атмосферы Земли.

Газы	Состав земной атмосферы
	Первичная атмосфера, %	Современная атмосфера, %
Кислород О 2
Углекислый газ СО 2
Оксид углерода СО

Водяной пар

Состав атмосферы не всегда был таким, как сейчас. Предполагают, что первичная атмосфера состояла из водорода и гелия, которые были самыми распространенными газами в Космосе и входили в состав протопланетного газово-пылевого облака.

Результаты исследований М.И. Будыко с количественными оценками изменения массы кислорода и углекислого газа на протяжении жизни Земли дают основание считать, что историю вторичной атмосферы можно разделить на два этапа: бескислородной атмосферы и кислородной атмосферы – на рубеже примерно 2 млрд. лет тому назад.

Первый этап начался после завершения образования планеты, когда началось разделение первичного земного вещества на тяжелые (преимущественно железо) и относительно легкие (в основном кремний) элементы. Первые образовали земное ядро, вторые – мантию. Эта реакция сопровождалась выделением тепла, в результате чего стала происходить дегазация мантии – из нее стали выделяться различные газы. Сила тяготения Земли оказалась способной удержать их возле планеты, где они стали скапливаться и образовали атмосферу Земли. Состав этой начальной атмосферы существенно отличался от современного состава воздуха (табл. 1)

Таблица 1

Состав воздуха при образовании атмосферы Земли в сравнении с современным составом атмосферы (по в.А. Вронскому г.В. Войткевичу)

Газ	Его состав	Состав атмосферы Земли
		при образовании	современный
Кислород
Углекислый газ
Оксид углерода
Водяной пар

Кроме этих газов в атмосфере присутствовали метан, аммиак, водород и др.

Характерной чертой этого этапа было убывание углекислого газа и накопление азота, который к концу эпохи бескислородной атмосферы стал основным компонентом воздуха. Согласно исследованиям В.И. Бгатова тогда же появился в качестве примеси и эндогенный кислород, возникший при дегазации базальтовых лав. Кислород возникал и в результате диссоциации молекул воды в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетовых лучей. Однако весь кислород уходил на окисление минералов земной коры, и его не хватало на накопление в атмосфере.

Более 2 млрд. лет назад появились фотосинтезирующие сине-зеленые водоросли, которые для синтеза органического вещества стали использовать световую энергию Солнца. В реакции фотосинтеза использовался углекислый газ, а выделяется свободный кислород. Вначале он расходовался на окисление железосодержащих элементов литосферы, но около 2 млрд. лет назад этот процесс завершился, и свободный кислород начал накапливаться в атмосфере. Начался второй этап развития атмосферы – кислородный.

Сначала рост содержания кислорода в атмосфере был медленным: около 1 млрд. лет назад оно достигло 1% от современного (точка Пастера), но этого оказалось достаточным для появления вторичных гетеротрофных организмов (животных), потребляющих кислород для дыхания. С появлением растительного покрова на континентах во второй половине палеозоя прирост кислорода в атмосфере составляло около 10 % от современного, а уже в карбоне кислорода было столько же, сколько и сейчас. Фотосинтетический кислород вызвал большие изменения и в атмосфере, и в живых организмах планеты. Содержание углекислого газа в процессе эволюции атмосферы существенно снизилось, так как значительная его часть вошла в состав углей и карбонатов.

На водород и гелий, широко распространенный во Вселенной, в атмосфере Земли приходится соответственно 0,00005 и 0,0005%. Земная атмосфера, т.о., является геохимической аномалией в космосе. Ее исключительный состав формировался параллельно с развитием Земли в специфических, присущих только ей космических условиях: гравитационное поле, удерживающее большую массу воздуха, магнитное поле, предохраняющее ее от солнечного ветра, и вращение планеты, обеспечивающее благоприятный тепловой режим. Формирование атмосферы шло параллельно с формированием гидросферы и рассмотрено выше.

Первичная гелиево-водородная атмосфера была утеряна при разогреве планеты. В начале геологической истории Земли, когда происходили интенсивные вулканические и горообразовательные процессы, атмосфера была насыщена аммиаком, водяными парами и углекислым газом. Эта оболочка имела температуру около 100С. При понижении температуры произошло разделение на гидросферу и атмосферу. В этой вторичной углекислой атмосфере зародилась жизнь. С прогрессивным развитием живого вещества развивалась и атмосфера. Когда биосфера достигла стадии зеленых растений, и они вышли из воды на сушу, начался процесс фотосинтеза, что привело к формированию современной кислородной атмосферы.

12.4 Взаимодействие атмосферы с другими оболочками. Атмосфера развивается со всей природой земной поверхности – с ГО. Растения и животные используют атмосферу для фотосинтеза и дыхания. Магнитосфера, ионосфера и озоновый экран изолируют биосферу от космоса. Верхняя граница ГО – биосферы лежит на высотах в 20-25 км. Атмосферные газы вверху покидают Землю, а недра Земли пополняют воздушную оболочку, поставляя до 1 млн. т. газов в год. Атмосфера задерживает инфракрасное излучение Земли, создавая благоприятный тепловой режим. В атмосфере переносится влага, образуются облака и осадки – формируются погодно-климатические условия. Она предохраняет Землю от падающих на нее метеоритов.

12.5 Солнечная энергия, солнечная радиация – лучистая энергия Солнца. Солнце излучает электромагнитные волны и корпускулярный поток. Электромагнитное излучение - особый вид материи, отличный от вещества, распространяется со скоростью 300 000 км/сек. (скорость света). Корпускулярное излучение (солнечный ветер) – поток заряженных частиц: протонов, электронов и др., распространяется со скоростями 400-2000 км/сек. Корпускулярный поток, достигая З., возмущает ее магнитное поле, вызывая ряд явлений в атмосфере (полярные сияния, магнитные бури и др.).

Электромагнитное излучение представляет собой тепловую (инфракрасную, 47%), световую (46%) и ультрафиолетовую (7%) радиацию, в зависимости от длины волн. Все три вида энергии играют большую роль в ГО. Ультрафиолетовое излучение в основном задерживается озоновым экраном и это хорошо, т.к. жесткое ультрафиолетовое излучение губительно действует на живые организмы, но то небольшое количество его, достигающее поверхности Земли, оказывает дезинфицирующее влияние. Под ультрафиолетовыми лучами загорает кожа человека.

Влияние света общеизвестно. Не только потому, что свет позволяет нам видеть окружающий мир, но при солнечном освещении происходят процессы фотосинтеза, о чем мы еще будем говорить позже. Наконец, тепловой поток определяет температурные условия ГО.

Единицей измерения солнечной энергии является солнечная постоянная( I 0 ) – 2 кал/см 2 /мин. (столько тепла получает 1 кв. см абсолютно черной поверхности за минуту при перпендикулярном падении лучей). При перпендикулярном падении лучей земная поверхность получает максимум солнечной энергии, а чем меньше угол падения, тем меньше поступает ее на подстилающую поверхность. Количество приходящей энергии на ту или иную широту рассчитывается по формуле: I 1 =I 0 хSin h o , где h o – высота Солнца над горизонтом. Атмосфера ослабляет и перераспределяет солнечный поток при различиях в усвоении его земной поверхностью.

Если к верхней границе атмосфере приходит 1,36 х 10 24 кал/год, то до земной поверхности доходит на 25% меньше, вследствие того, что при прохождении через атмосферу происходит ослабление потока солнечной энергии. Эта энергия во взаимодействии с силой тяжести обуславливает циркуляцию атмосферы и гидросферы. Приводя в действие разнообразные процессы, протекающие в ГО, солнечная радиация почти полностью превращается в тепло и в виде теплового потока возвращается в Космос.

Изменение солнечной радиации в атмосфере. При прохождении лучистой энергии через атмосферу происходит ее ослабление, вызванное поглощением и рассеиванием энергии. В области видимой части спектра преобладает рассеяние, а в ультрафиолетовой и инфракрасной областях атмосфера является в основном средой поглощения.

Благодаря рассеиванию получается тот дневной свет, который освещает предметы, если на них не попадают непосредственно солнечные лучи. Рассеивание обуславливает и голубой цвет неба. В больших городах, в пустынных областях, где высока запыленность воздуха, рассевание ослабляет силу радиации на 30-45%.

Основные газы, входящие в состав воздуха, поглощают лучистую энергию мало, зато большой поглотительной способностью отличаются: водяной пар (инфракрасные лучи), озон (ультрафиолетовые лучи), углекислый газ и пыль (инфракрасные лучи).

Величина ослабления солнечной радиации зависит от коэффициента прозрачности (к.п.), который показывает, какая доля радиации доходит до земной поверхности.

Если бы атмосфера состояла из газов, то к.п. =0,9, т.е. она пропускала бы 90% идущей к Земле радиации. Но атмосфера содержит примеси, в т.ч. облака и фактор мутности снижает прозрачность до 0,7-0,8 (зависит от погоды). В целом атмосфера поглощает и рассеивает около 25% идущей к земной поверхности лучистой энергии, причем ослабление потока радиации для различных широт Земли неодинаково. Различия эти зависят от угла падения лучей. При зенитальном положении Солнца лучи пересекают атмосферу кратчайшим путем, с уменьшением угла падения путь лучей удлиняется, и ослабление солнечной радиации становится более значительным.

Если угол падения лучей равен:

а) 90, степень ослабления 25%;

б) 30, степень ослабления 44%;

в) 10, степень ослабления 80%;

г) 0, степень ослабления 100%.

Значительная часть солнечной радиации, достигающая земной поверхности в виде параллельного пучка лучей, идущих от Солнца, называется прямой солнечной радиацией.

Радиация, приходящая к земной поверхности в виде миллионов лучиков от всех точек небесного свода вследствие рассеяния, - рассеянная солнечная радиация.

Рассеянная радиация летом в средних широтах составляет 40%, а зимой – 70% общего ее поступления, в тропических широтах она составляет около 30%, а в полярных – 70% общего потока лучистой энергии.

Прямая солнечная радиация и рассеянная в сумме дают так называемую суммарную радиацию . Для практических целей чаще всего требуются данные о полной сумме энергии, приходящей к земной поверхности, т.е. сумме суммарной радиации за какой-либо промежуток времени (сутки, месяц, год) на единицу площади, поэтому карты сумм суммарной радиации широко используются.

Максимум суммарной радиации приходится на тропические широты (180-200 ккал/см 2 в год), что связанно с малой облачностью, обуславливающей большую долю прямой радиации. Экваториальные широты получают меньше солнечной энергии, около 100-140 ккал/см 2 в год, в силу высокой облачности, несмотря на более высокий угол высоты Солнца над горизонтом; умеренные широты (55-65 с.ш.) получает 80 ккал/см 2 за год, а на широтах 70-80 с.ш. – получает 60 ккал/см 2 /год.

Приходящая к земной поверхности солнечная радиация частично поглощается (поглощенная радиация ), частично отражается (отраженная радиация ) в атмосферу и в межпланетное пространство. Отношение величины солнечной радиации, отраженной данной поверхностью, к величине потока лучистой энергии, падающей на эту поверхность, называется альбедо .

Альбедо выражается в процентах и характеризует отражательную способность данного участка поверхности. Отражательная способность зависит от характера поверхности (цвета, шероховатости) и от величины угла падения лучей. Абсолютно черное тело усваивает всю радиацию, а зеркальная поверхность отражает 100% лучей и не нагревается. Свежевыпавший снег отражает 80-90% радиации, чернозем – 5-18%, светлый песок 35-40%, лес – 10-20%, верхняя поверхность облаков – 50-60%.

С уменьшением высоты Солнца альбедо увеличивается, следовательно, в его суточном ходе наименьшее значение наблюдается в околополуденные часы. Годовой ход альбедо определяется изменением характера подстилающей поверхности по сезонам года. В умеренных и северных широтах обычно отмечается увеличение альбедо от теплой половины года к холодной.

Высокое альбедо снегов в Арктике и Антарктике обуславливает низкие летние температуры, несмотря на значительную величину солнечной инсоляции в летние месяцы при круглосуточно незаходящем Солнце. В основном солнечная радиация отражается облаками.

Альбедо влияет на температуры переходных периодов в умеренных широтах: в сентябре и марте Солнце находится на одной высоте, но мартовские лучи отражаются (и идут на таяние снега), поэтому март холоднее сентября.

Планетарное альбедо 35-%.

Поглощенная радиация затрачивается на испарение воды и нагревание подстилающей поверхности.

Земля, получая солнечную энергию, сама становится источником излучения тепла в мировое пространство. Энергия, излучаемая земной поверхностью называется земной радиацией .

Изучение земной поверхности происходит днем и ночью. Интенсивность излучения тем больше, чем выше температура излучаемого тепла в соответствии с законом Стефана-Больцмана: всякое тело теряет лучеиспусканием количество тепла пропорциональное 4 ой степени абсолютной температуры: (Ет=Т 4 кал/см 2 мин), где – постоянная Стефана-Больцмана.

Земное излучение выражается в тех же единицах, что и солнечное.

Каждый объем воздуха, как и атмосфера в целом, имея температуру, отличную от температуры абсолютного нуля, также излучает тепловую радиацию, это – атмосферная радиация , которая направлена в разные стороны. Часть ее, направленная к земной поверхности –встречное излучение .

Разность собственного излучения подстилающей поверхности и встречного излучения называют эффективным излучением земной поверхности (Е 2 =Е 5 -Еа).

Эффективное излучение зависит от температуры излучающей поверхности и воздуха, от влажности и стратификации приземного слоя атмосферы.

В общем, земная поверхность в средних широтах теряет эффективным излучением примерно половину того количества тепла, которое она получает от поглощенной радиации.

Эффективное излучение – фактические потери тепла излучением. Особенно велики эти потери в ясные ночи - ночное выхолаживание. Водные пары задерживают тепло. В горах эффективное излучение больше, чем на равнинах, его снижает растительный покров. Пустыни, арктические широты – окна потерь тепла излучением.

Поглощая земное излучение и посылая встречное к земной поверхности, атмосфера тем самым уменьшает охлаждение последней в ночное время. Днем же она мало препятствует нагреванию земной поверхности земной радиацией. Это влияние на тепловой режим земной поверхности носит название тепличного (оранжерейного) эффекта , и земная поверхность имеет среднюю температуру +17,3С вместо – 22С.

Длинноволновое излучение земной поверхности и атмосферы, уходящее в космос, называют уходящей радиацией (65%, из них земная поверхность теряет 10%, атмосфера 55%). Вместе с отраженной (35%) эта уходящая радиация компенсирует приток солнечной радиации к Земле.

Таким образом, Земля вместе с атмосферой теряет столько же радиации, сколько получает, т.е. находится в состоянии лучистого (радиационного) равновесия.

В результате перераспределения тепла и холода преимущественно воздушными и водными течениями получаем значительное смягчение контрастов температур между экватором и полюсами: без влияния атмосферы и гидросферы на экваторе была бы среднегодовая температура +39 0 С (фактически +25,4), на полюсах -44 0 С (фактически на северном полюсе -23 0 , на южном -33 0).

12.6 Радиационный баланс (остаточная радиация) земной поверхности – это разность между приходом (суммарная радиация и встречное излучение) и расходом (альбедо и земное излучение) тепла.

R=Q (прямая) +D (рассеянная) +E (встречная) =C (отраженная)-U (земная)

Радиационный баланс (R) может быть положительным и отрицательным. Ночью везде отрицателен, переходит от ночных отрицательных значений к дневным положительным после восхода Солнца (когда угол падения лучей не превышает 10-15), от положительных к отрицательным – перед заходом Солнца при такой же высоте над горизонтом.

Днем R растет с увеличением высоты Солнца и убывает с уменьшением ее. В ночные часы, когда суммарная радиация отсутствует, R равен эффективному излучению и потому мало меняется в течение ночи, если облачность не меняется.

Распределение R зонально, т.к. зональна суммарная радиация. Эффективное излучение распределяется более равномерно.

R земной поверхности за год положителен для всех мест Земли, кроме ледяных плато Гренландии и Антарктиды, т.е. годовой приток поглощенной радиации больше, чем эффективное излучение за то же время. Но это вовсе не означает, что земная поверхность год от года становится теплее. Дело в том, что превышение поглощенной радиации над излучением уравновешивается передачей тепла от земной поверхности в воздух и почвогрунт путем теплопроводности и при фазовых превращениях воды (при испарении - конденсации).

Т.о., хотя для земной поверхности не существует равновесия в получении и отдаче радиации, но существует тепловое равновесие , что выражается формулой теплового баланса : P=P+B+LE, где P - турбулентный поток тепла между земной поверхностью и атмосферой, B – теплообмен между Землей и нижележащими слоями почвы и воды, L – удельная теплота парообразования, E – количество испарившейся влаги за год. Приток тепла к земной поверхности радиационным путем уравновешивается его отдаче другими способами.

R на широтах 60северной и южной широты составляет 20-30 ккал/см 2 , откуда к более высоким широтам уменьшается до –5,-10 ккал/см 2 на материке Антарктиды. К низким широтам возрастает: между 40северной широты 40южной широты годовые величины р.б. 60 ккал/см 2 , а между 20северной и южной широтами 100 ккал/см 2 . На океанах R больше, чем на суше в тех же широтах, т.к. океаны аккумулируют много тепла, а при большой теплоемкости вода нагревается до меньших значений, чем суша.

12.7 Температура воздуха. Воздух нагревается и охлаждается от поверхности суши и водоемов. Будучи плохим проводником тепла, он нагревается только в нижнем слое, непосредственно касающемся земной поверхности. Основным же путем передачи тепла вверх служит турбулентное перемешивание. Благодаря этому к нагретой поверхности подходят все новые и новые массы воздуха, нагреваются и поднимаются.

Так как источник тепла для воздуха – земная поверхность, то очевидно, что с высотой температура его убывает, амплитуда колебаний становится меньше, максимум и минимум в суточном ходе наступают позднее, чем на почве. Высота измерения температуры воздуха едина для всех стран – 2 м. Для специальных целей температура измеряется и на других высотах.

Другой источник нагревания и охлаждения воздуха – адиабатические процессы , когда температура воздушной массы повышается или понижается без притока тепла извне. При опускании воздуха из верхних слоев тропосферы в нижние газы уплотняются, и механическая энергия сжатия переходит в тепловую. Температура при этом повышается на 1С на 100 м высоты.

Охлаждение воздуха связанно с адиабатическим поднятием, при котором воздух поднимается и расширяется. Тепловая энергия и в этом случае превращается в кинетическую. На каждые 100 м подъема сухой воздух охлаждается на 1 0 С. Если адиабатические превращения происходят в сухом воздухе, процессы называют сухоадиабатическими. Но воздух обычно содержит водяные пары. Охлаждение влажного воздуха при поднятии сопровождается конденсацией влаги. Выделяющаяся при этом теплота уменьшает величину охлаждения в среднем до 0,6С на 100 м высоты (влажноадиабатический процесс). При подъеме воздуха преобладают влажноадиабатические процессы, при опускании – сухоадиабатические.

Другой способ охлаждения воздуха – непосредственная потеря тепла излучением . Это происходит в Арктике и Антарктиде, в пустынях по ночам, в умеренных широтах при безоблачном небе зимой и в ясные ночи летом.

Важным источником тепла для воздуха служит теплота конденсации, которая выделяется в атмосферу.

12.8 Тепловые пояса. Тропики и полярные круги, ограничивающие пояса освещенности, нельзя считать границами тепловых (температурных) поясов. На распределение температуры, кроме фигуры и положения Земли, сказывается влияние ряда факторов: распределение суши и воды, теплые и холодные морские и воздушные течения. Поэтому за границы тепловых поясов принимают изотермы. Существует семь тепловых поясов:

жаркий расположен между годовыми изотермами 20С северного и южного полушарий;

два умеренных ограничены со стороны экватора годовой изотермой 20С, со стороны полюсов изотермой 10С самого теплого месяца. С этими изотермами совпадает граница распределения древесной растительности;

два холодных находятся между изотермами 10С и 0С самого теплого месяца;

два пояса мороза расположены у полюсов и ограничены изотермой 0С самого теплого месяца. В северном полушарии – это Гренландия и пространство Северного Ледовитого океана, в южном – область к югу от параллели 60 ю. ш.

Термические условия поясов нарушают горные страны. Вследствие уменьшения температуры с высотой в горах прослеживается вертикальная температурная и климатическая поясность.

Для определения температуры воздуха используют термометры (ртутные, спиртовые и др.), аспирационные психрометры, термографы.

Образование атмосферы Земли. Эволюция атмосферы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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