Происхождение и постоянный состав земной атмосферы

Атмосфера Земли- это газообразная оболочка нашей планеты. Ее масса составляет около 5270000 млрд. тон (т.е. около 1/ 1000000 массы Земли). Она состоит в основном из  78.08% азота, 20.95% кислорода, 0.93% аргона и 0.03% углекислого газа. В небольших количествах содержатся также водород, неон, гелий, озон, криптон, ксенон, метан, радон, иод и др. газы. Также в атмосфере содержится значительное количество водяного пара , пыли, коллоидных частиц, а над океанами и морями- ионов натрия и других веществ, испаряющихся с их поверхности.

Экологическая роль атмосферы состоит в следующем:

- «подушка безопасности» предохраняющая земную поверхность от непрерывной бомбардировки весьма быстрыми, мелкими метеоритами и частицами космической пыли;

- экран, защищающий земную поверхность от воздействия опасных коротковолновых составляющих солнечной радиации;

- «стабилизатор» и «регулятор» температурного режима;

- через атмосферу замыкаются круговороты веществ в природе, в том числе  загрязняющие вещества, выделяющиеся в нее с одних участков земной поверхности могут поступать на другие ее участки;

- среда обитания наземных организмов и источник кислорода для дыхания аэробов;

- формирует погоду и поток суммарной солнечной радиации, поступающий в экосистему.

Современная атмосфера нашей планеты сформировалась в результате взаимодействия с другими физико-географическими оболочками нашей планеты. Наибольшее влияние на изменения ее состава оказало взаимодействие с биосферой, происходившее на всех этапах ее эволюции.

Первичная атмосфера нашей планеты сформировалась в результате частичной дегазации вещества, образовавшего ее путем гравитационной аккреции газопылевого облака, захваченного Солнцем, более 4 миллиардов лет тому назад. В состав вещества этого газопылевого облака, входили наряду с прочими компонентами также замерзшие газы – диоксид углерода, водяной пар, а также аммиак, которые и ныне входят в состав газовых оболочек комет.

Причиной дегазации первичного вещества планеты был разогрев ее поверхности, происходивший в результате ее многочисленных столкновений с крупными и мелкими небесными телами, образовавшимися из того же облака. При подобном разогреве средняя температура поверхности планеты повысилась до сотен градусов, что вызвало переход многих веществ в газообразное состояние. Поскольку среди них были вода и углекислый газ, весьма сильным был и парниковый эффект. Условия на земной поверхности были близкими к существующим ныне на Венере, где биосфера так и не сформировалась. Там средняя температура поверхности ныне составляет +450^оС, что напоминает даже не сауну, а ад.  

Именно выделившиеся с дегазируемой поверхности Земли диоксид углерода, водяной пар, а также аммиак и образовали ее первичную атмосферу.

Взаимодействие углекислого газа с водой приводило к образованию угольной кислоты, при реакции которой с кальцием, а позже (когда температуры стали ниже +320^оС) и с магнием формировались их карбонаты – нерастворимые в воде соли, слагающие ныне земную кору. При этом концентрация углекислого газа в атмосфере уменьшалась, ослабевал и парниковый эффект. Это со временем привело к понижению температур на земной поверхности до уровней, при которых вода могла существовать в жидком состоянии. При этом все большая часть воды начала накапливаться на поверхности планеты, формируя ее гидросферу, в которой в дальнейшем смогла возникнуть живая материя. Далее развитие атмосферы и гидросферы происходило взаимосвязано.

В истории образования и эволюции атмосферы и гидросферы можно выделить 4 этапа

Архей(4-2 млрд. лет тому назад).

Данный этап отмечен очень частым падением на Землю крупных комет, приносивших с собой много воды. Вызванные их ударами процессы кратонизации и вулканизма носили повсеместный и мощный характер, температуры на земной поверхности не позволяли прибывшей воде длительное время задерживаться на планете. В этот период были широко распространены процессы излияния магмы и гидратации пород земной коры, которые резко снижали время существования в литосфере свободной воды. Атмосфера содержала основную часть присутствующей на нашей планете воды и была бескислородной. Не было и озонового слоя.

Примерно 4 -3.8 млрд. лет назад приземные температуры в результате ослабления парникового эффекта снижаются, и впервые возникают благоприятные условия для накопления воды на земной поверхности.

Имеющиеся данные свидетельствуют, что жидкой воды на планете сначала было немного. Была она пресной и главным образом скапливалась в сравнительно узких ( ~ 10 км) и протяженных бассейнах, которые обрамляли соседние кратоны и служили местом сноса осадков. Глубина водоемов могла достигать 1.5 - 2.0 км. Значительная часть жидкой воды в архее включалась в состав магматических расплавов и участвовала в вулканических процессах.

Протерозой (2-0.75 млрд. лет тому назад).

Об эволюции гидросферы и атмосферы в протерозое можно высказаться с большей определенностью.

В этот период режимы гидросферы неоднократно менялся. Эпохи заполнения водных бассейнов и расцвета в них жизни сменялись длительными периодами высыхания водоемов и угнетения живых существ. Поэтому принято считать, что для развития гидросферы в протерозое характерны два основных режима: «водный» и «безводный».

Для первого режима было свойственно присутствие на поверхности достаточно больших количеств воды. Данный режим инициировался массовыми падениями на Землю крупных астероидов. Вследствие чего часть связанной до того в породах воды переходила в подвижное состояние и поступала в океан. Одновременно, из-за формирования облачного слоя, экранировавшего лучи Солнца, приземные температуры настолько снижались, и могли даже возникать покровные оледенения. Судя по бурному расцвету в то время на Земле биоты, эти условия были для нее достаточно комфортными.

Второй режим функционирования гидросферы, наоборот, отличали высокие температуры и почти полное высыхание водоемов. Судить об этом режиме позволяют данные, касающиеся условий формирования месторождений железистых кварцитов (джеспилитов).

Крупные месторождения джеспилитов формировались в мелководных бассейнах за счет сноса в них продуктов выветривания пород суши и перехода большого количества железа и кремнезема в коллоидном виде в раствор. В период интенсивной коагуляции температура вод составляла ~ 100 ° С . Воды, образующие гидросферу и в протерозое были пресными, парциальное давление кислорода в них низкое < 0.2 атм. Величина рН воды не превышала 6 .

Атмосфера в протерозое постепенно приобрела кислород и азот, лишилась основной части углекислого газа и воды, став результате этого менее плотной и более холодной. Небо на планете впервые стало голубым.

Палеозой и мезозой (0.75-0.04 млрд. лет тому назад).

Это геологические эпохи, образующие начало фанерозоя, изучены лучше, чем протерозой.

К началу фанерозоя литосфера планеты остывает настолько, что большая часть воды постоянно остается на земной поверхности.  Развитие Мирового океана становится стабильным (водоемы перестают пересыхать). На эволюцию гидросферы продолжает влиять кометная бомбардировка земной поверхности, доставляющая много воды. Тем не менее, она существенно «стихает».

Интенсивность кометных бомбардировок в различные периоды фанерозоя  сильно изменялась. В частности, на границах ордовика и триаса на нашу планету падало значительно большее число комет, чем в другие эпохи. Поступавшая с кометами вода вызывала сильный размыв пород земной поверхности. Однако накапливалась она не в Мировом океане, а преимущественно в подземной гидросфере, где входила в состав магматических расплавов. С данным обстоятельством, вероятно, можно связать высокую тектономагматическую активность Земли в ордовике и триасе, а также малое количество биогенного углерода, сохранившегося в осадочных породах того времени .

Последующее перераспределение воды между подземной гидросферой и Мировым океаном в ордовике происходило, по-видимому, быстрее, чем в триасе. В последнем случае оно заняло десятки миллионов лет, вызвав сильнейшую трансгрессию (подъем уровня Мирового океана) в юрском и меловом периодах.

По некоторым оценкам уровень вод Мирового океана тогда повысился  вдвое. Столь большая прибавка воды и продолжительность ее поступления в океан, указывают на выделение этой воды при дегидратации пород земной коры.

Взаимодействие атмосферы и гидросферы проявлялось не только в перераспределении веществ, ранее содержавшихся в атмосфере. В гидросфере зародилась жизнь, которая начала все ощутимее влиять на этот процесс.

 В процессе эволюции живая материя изменяла среду своего обитания, делая ее более комфортной для себя, а также загрязняя отходами своей жизнедеятельности. Одним из таких загрязняющих веществ являлся кислород, возникающий в процессе жизнедеятельности древнейших микроорганизмов, получавших необходимую для жизни энергию, превращая входящее в состав окислов, трехвалентное железо в двухвалентное. При этом содержание кислорода в гидросфере все более возрастало. Из гидросферы кислород поступал в атмосферу.

Аналогичным путем из атмосферы древнейшие денитрифицирующие микроорганизмы изымали аммиак, преобразовывая его в молекулярный азот, являющийся основой современной атмосферы.

Аргон, также являющийся одним из компонентов постоянного состава земной атмосферы, образовался как продукт радиоактивного распада радионуклида K₄₀. Этот изотоп калия весьма распространен в природе, но имеет период полураспада 1.5 млрд. лет. Соединения К преимущественно растворимы в воде. Поэтому поверхностный сток постепенно собрал основную часть существовавших на нашей планете атомов К в Мировом океане. Именно в нем при этом сосредоточились и атомы K_40. При их радиоактивном распаде формировался аргон, который из вод Мирового океана и выделялся в атмосферу.          

В результате этого в палеозое и мезозое содержания кислорода, азота, аргона, а также водяного пара и диоксида углерода в атмосфере достигли современных уровней. Атмосфера приобрела современную структуру. В ней образовался стабильный озоновый слой, что позволило жизни освоить материки планеты.  

Кайнозой. В отличие от более ранних эпох, режим круговорота вод гидросферы в кайнозое приобрел достаточно стабильный характер. Уровень океана возрастал, главным образом, не за счет поступления новой кометной воды, а вследствие процессов дегидратации, вызванных нагревом пород литосферы под действием падений комет. Данный вывод, в частности, подтверждается современной скоростью дегидратации пород земной коры, хорошо согласующейся с происходящим ныне увеличением глубины Мирового океана.

Современными стали характеристики круговоротов и многих других важнейших веществ. Климат на планете в кайнозое становился все более и более холодным, пока 2 миллиона лет назад не начались периодические всемирные оледенения. Именно в это время – в позднем плиоцене (плейстоцене) глобальная атмосферная циркуляция на планете приобрела современную структуру, а также появился человек.

Структура земной атмосферы

Современная атмосфера Земли имеет слоистое строение. До высоты 16-18 км над экваториальными и 8-10 км над полярными районами простирается тропосфера. Это наиболее плотный слой атмосферы, содержащий более 80% ее массы. В тропосфере температура понижается с высотой в среднем на 0.6^оС, на каждые 100 м. В тропосфере сосредоточена основная часть водяного пара и пыли, а также облаков. Особенностью тропосферы является зависимость температуры воздуха в ее слоях не только от времени года, но и от времени суток. Именно в тропосфере формируется погода и происходит перенос всех веществ, выделяющихся и поступающих на земную поверхность. Именно тропосфера является средой обитания всех наземных форм живой материи, существующих на нашей планете, и ныне наиболее сильно загрязняется человеком.

Над тропосферой находится переходный слой воздуха- тропопауза. Над ней до высоты 50-55 км расположена стратосфера. В отличие от тропосферы, здесь температура воздуха от времени суток практически не зависит, изменяясь лишь при смене времен года. В нижней части стратосферы (до высоты 25 км) уменьшение температуры с высотой продолжается. В верхних ее слоях температура воздуха начинает возрастать на 1-2 градуса на каждый километр. Максимум температуры (+25-36 С) расположен на высоте 50-55 км в слое называемом стратопаузой. Здесь температура может достигать 20-35 градусов по Цельсию. В стратопаузе расположен также максимум скорости звука, поэтому этот слой обладает свойством отражать звуковые волны.

В стратосфере наблюдаются очень сильные горизонтальные движения воздуха, связанные с метеорологическими явлениями, происходящими в тропосфере. В стратосфере атмосферное давление по мере увеличения высоты снижается от 50 до 0.7 мм ртутного столба.

Стратосфера, благодаря особенностям изменения в ней температуры воздуха, имеет ярко выраженное слоистое строение (слово страта означает слой). В ней расположены:

- на высоте 13-17 км слой Юнга, содержащий аэрозоли серной кислоты;

- на высотах 20 – 50 км озоновый слой , а также  слои NO, NO₂ (с максимумами концентраций на высотах 23- 28 км).

В стратосфере встречаются перламутровые облака, возникающие после крупных извержений вулканов.

Над стратопаузой от 55 до 80 км расположен слой воздуха, называемый мезосферой, в пределах которого температура вновь, как и в тропосфере, начинает понижаться достигая на высоте 90 км -75- -90 градусов С. Атмосферное давление в мезосфере с ростом высоты также снижается от 0.7 до 0.01 мм .ртутного столба. Именно здесь в атмосфере начинаются ее плотные слои. Поэтому на верхней границе мезосферы, как правило,  начинают гореть и разрушаться, входящие в нее метеориты и космические аппараты. В верхних слоях мезосферы образуются серебристые облака, возникающие после мощных вспышек на Солнце. В верхней части мезосферы расположен второй озоновый слой, содержащий озон преимущественно в ионизированном состоянии.

Над верхней границей мезосферы (80 км) расположен слой абсолютного минимума температуры воздуха, называемый мезопаузой. В мезопаузе происходит резкое снижение концентрации ионов озона, а кислород присутствует в основном в атомарном состоянии. Поэтому она обладает свойством отражать средние радиоволны.

Выше мезопаузы расположена ионосфера Земли, которую принято делить на два слоя. Внутренний- термосфера, расположен на высотах 80-800 км . Он характеризуется резким возрастанием температуры, достигающей на высотах 500- 600 км +1500 градусов С. В пределах термосферы расположены ионосферные слои , отражающие короткие радиоволны. На высоте 120 км находится слой Е, отражающий ультракороткие и короткие радиоволны. На высоте 180 км- слой F1, а на высоте 300 км- слой F2.

В термосфере на высотах 120-160 км , а также 500-600 км наблюдаются полярные сияния, возникающие в результате излучения света атомами азота и кислорода, под воздействием входящих в земную атмосферу космических элементарных частиц (электронов и протонов).

Плотность воздуха и атмосферное давление в термосфере с высотой резко уменьшаются (с 0.01 до 0.000000001 мм ртутного столба). Поэтому основная часть захватываемой Землей космической пыли сгорает на высотах 100-200 км, в нижней термосфере.

Выше термосферы расположена т.н. “экзосфера”, где частицы газов очень редки, а их температуры достигают +2000 градусов . Ее верхнюю границу условно проводят на высоте 2000 км.

В начале 19 – го века Дальтоном был открыт закон, гласящий, что всякий газ распространяется в пространстве независимо от присутствия или отсутствия других газов. Сразу же вслед за этим возникли представления о том, что азот, кислород , другие газы и водяной пар образуют самостоятельные атмосферы, как бы проникающие одна в другую.

Если газы в атмосфере распределяются независимо, но по одному и тому же закону, то можно было предполагать, что парциальное давление более тяжелых газов (кислорода, углекислоты) с ростом высоты должно убывать быстрее, чем менее тяжелых (водород, гелий).

Этот эффект, называемый эффектом разделения, в реальной атмосфере наблюдается лишь на высотах более 30 км. Ниже для большинства газов (кроме азона) перемешивание сводит его влияние к нулю.