Физические свойства и строение атмосферы

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Состав первичной и современной атмосферы.

2. Размер и масса атмосферы

1. Состав первичной и современной атмосферы. Атмосфера — это газовая оболочка Земли, представляющая собой механическую смесь газов различного происхождения и неодинакового возраста. По физическим свойствам атмосфера неоднородна как по вертикали, так и по горизонтали.

Данные о составе, строении и физических характеристиках атмосферы получены в результате исследований с помощью аэростатов, шаров-зондов, радиозондов и других методов. В последние 30—40 лет исследование верхних слоев атмосферы ведется с помощью ракет и искусственных спутников Земли.

В жизни Земли атмосфера играет особую роль. Если бы ее не было, Земля была бы мертвой — ни облаков, ни дождя или снега, палящий солнечный зной на освещенной солнцем стороне Земли и ледяной холод космического пространства — на ночной, абсолютная тишина, а на поверхности — огромные и мелкие воронки от падающих метеоритов.

Первичная атмосфера. Эволюция атмосферы имеет довольно длительную и сложную историю. В общих чертах путь, пройденный атмосферой с момента ее зарождения до наших дней, таков. Первоначально, по механическому составу атмосфера существенно отличалась от современной атмосферы. Главное ее отличие заключалось в почти полном отсутствии кислорода (не более 0,1% нынешнего количест­ва) и, по-видимому, в отсутствии значительного количества углекислого газа (СО₂), о чем свидетельствуют следы больших оледенений в древнейших слоях Земли.

Первичная атмосфера представляла собой смесь водорода (Н₂), метана (СН₄), аммиака (NH₃), паров воды и некоторых сильных кислот. Все эти газы выделялись из глубин Земли постепенно, в течение значительной части геологической истории нашей планеты или были преобразованы в самой атмосфере в результате химических процессов. Газы поступали в атмосферу при вулканических процессах по крупным разломам земной коры, просачивались через рыхлые и пористые породы. Гравитационное поле Земли удерживало эти газы, и постепенно плотность первичной атмосферы повышалась за счет их непрерывного поступления из земных недр. Лишь очень легкие газы (Н₂, Не) рассеивались в космосе. Некоторая часть газов (Не, Аг) образовалась ядерным путем при распаде радиоактивных элементов. Позднее, примерно 3,5 млрд лет назад, атмосфера стала азотно-аммиачно-углекислой с содержанием углекислого газа до 50—60%.

Еще позже, в раннем протерозое (2,6—1,9 млрд лет назад), состав первичной атмосферы стал изменяться в ре­зультате процессов гидратации океанической коры океаническими водами. С этого времени начал действовать мощный механизм связывания углекислого газа в карбонатах, поступающих из рифтовых зон срединно-океанических хребтов. Они связали в себе весь тот углекислый газ, который перед этим накопился в первичной атмосфере. Произошло это примерно 3,5—2,6 млрд лет назад. Одновременно с карбонатами из рифтовых зон выносилось двухвалентное железо. На мелководье оно постепенно окислялось до трехвалентного за счет усиленного поглощения кислорода, вырабатываемого микроводорослями. Лишь после полного исчезновения свободного железа в мантии (570 млн лет назад), кислород начал накапливаться в атмосфере.

Свободный кислород, выделяемый из земных недр, практически весь затрачивался на окисление металлов верхней толщи Земли и на окисление атмосферных газов: метана, аммиака и сероводорода (Н₂S). Процесс распада молекул водяного пара на кислород и водород под воздействием ультрафиолетовых лучей Солнца и космических лучей в верх­них слоях атмосферы не давал достаточного количества кислорода.

Основная масса кислорода образовывалась при разло­жении СО₂ в процессе фотосинтеза, особенно за счет тако­го мощного источника, каким является морской фитопланк­тон. По данным академика Л. С. Берга, фотосинтез начался в архейскую эпоху. Тогда-то, с появлением жизни на Земле, первичная атмосфера стала пополняться кислородом. По данным М. И. Будыко, рост кислорода был неравномерным. Более 500 млн лет назад масса кислорода составляла около 33% его современной массы и постепенно увеличивалась. Первое резкое повышение произошло в девоне — карбоне (350— 300 млн лет назад). Затем содержание кислорода постепенно уменьшалось, и в триасе (около 200 млн лет назад) количество его стало таким же, каким оно было в начале фанерозоя. Второе резкое повышение массы кислорода произошло в средине.мезозойской эры (примерно 150 млн лет 1азад).

Гидратация— присоединение воды к различным веществам, нахолящимся как в растворенном, так и в свободном состояниях.

Современная (вторичная) атмосфера. С появлением кислорода состав первичной атмосферы резко изменился: метан и аммиак окислились до СО₂ и N2. Но углекислый газ в атмосфере не накапливался, так как поглощался океаном, растворяясь в его водах. Связываясь в живых организмах морей и осаждаясь в виде угольной кислоты Н₂СО₃, угле-кислый газ способствовал образованию известняковых толщ. постепенно в атмосфере Земли стали преобладать азот и кислород. Так, около 200 млн лет назад сформировалась со­временная (вторичная) атмосфера.

Еще в начале XVIII в. было установлено, что атмосферный воздух у земной поверхности представляет собой смесь газов, основными из которых являются азот и.кислород, конце XIV в. были получены данные об углекислом газе, инертных газах. Это гелий (Не), аргон (Аг), криптон (Кг), ксенон (Хе) и неон (Ne). В последующем было определено, что сухой (.без водяного пара) и чистый атмосферный воздух вблизи земной поверхности имеет состав, в котором по объему преобладают азот (более 3/4) и кислород (1/5). На долю остальных восьми газов приходит-менее 1%, в том числе 0,033% — на углекислый газ. Вследствие энергичного перемешивания состав сухого воздуха в нижней атмосфере обладает большим постоянством если не считать колебаний содержания углекислого газа в приземном слое воздуха, обусловленных характером подстилающей поверхности, наличием растительных масси­вов, индустриальных центров и т. п. Поэтому процентное со­держание составных частей сухого воздуха в нижних ста километрах с высотой почти не изменяется. Однако выше 100 км начинается и постепенно увеличивается с высотой расслоение газов. Примерно до высоты 200 км преобладающим газом остается азот. Выше начинает преобладать кислород в атомарном состоянии. Выше 1000 км атмосфера со стоит главным образом из гелия и водорода, лричем водород-преобладает в атомарном состоянии.

Из всех атмосферных газов важнейшая биологическая и геофизическая роль принадлежит азоту, кислороду, угле­кислому газу, озону и водяному пару.

Свободного азота в атмосфере содержится примерно 4 10¹⁸ кг. Химически он мало активен. Являясь составной частью белков и их производных, азот тем не менее усваи­вается большинством живых организмов не непосредственно из воздуха, а через азотофиксирующие бактерии и водоросли.

Свободного кислорода в атмосфере около 1,2-10¹⁸ кг. В связанной виде кислород входит в состав водяного пара, капель воды в облаках, ледяных кристаллов и снежинок. Основной источник поступления кислорода — процесс фотосинтеза. Подсчеты показывают, что в результате фотосинтеза растения ежегодно поставляют в атмосферу 2 10¹³ кг кислорода. Расходуется кислород на дыхание, окисление минералов и поступающих из земных недр газов. Кроме то­го, и это жизненно важно, атмосфера питает 'кислородом во­ды океанов, озер и рек.

Разделив общее количество свободного кислорода в ат­мосфере на ежегодное его поступление в результате фото­синтеза растений, получим, что время одного оборота мас­сы О₂ равно примерно 6 тыс. лет.

В отличие от азота и кислорода содержание в атмосфе­ре трех крайне важных для жизни газов — углекислого га­за, водяного пара и озона не остается постоянным.

Углекислого газа в атмосфере немного, но его роль в функционировании географической оболочки исключительно велика. Он служит основным материалом для построения растениями органического вещества и основой для их жизнедеятельности. Углекислый газ является своеобразным утеплителем атмосферы. Он легко пропускает к земной по­верхности коротковолновое излучение Солнца и с трудом — длинноволновое тепловое излучение, что создает так назы­ваемый парниковый эффект, обусловливающий повышение температуры воздуха вблизи поверхности Земли.

Образуется углекислый газ при различных процессах окисления органических веществ, сжигании топлива, дыхании.и т. д. В больших количествах он выделяется при извержении вулканов и из воды минеральных источников, а также при работе.промышленных предприятий и т. д. Расходование СО₂ из атмосферы происходит за счет использования его растениями для обеспечения своей жизнедеятельности. Поскольку фотосинтез происходит толь­ко в светлое время суток, то и наибольшее его расходование наблюдается в дневное время. В ночное время содержание О₂ в приземном слое атмосферы возрастает на 15—20% по сравнению со среднесуточными его значениями.

Основная концентрация СО₂ сосредоточена на высоте -2 км над сушей и несколько ниже — 0,5—2 км — над океанами, так как океаны поглощают огромное его количе­ство. В среднем содержание СО₂ (по объему) над поверхностью морей и океанов не более 0,012—0,015%, а в промышленных центрах и районах вулканической деятельности не­редко.приближается к 0,04%.

Количество водяного пара в атмосфере также не постоянно и зависит от характера подстилающей поверхности и температуры воздуха. Ежегодно с поверхности океанов, морей и суши испаряется около 577 • 10³ км³ воды и такое же количество возвращается в виде осадков на земную поверхность. Среднее содержание водяного пара в атмосфере составляет около 14-10³ км³, продолжительность полного оборота — 10 дней. По объему содержание водяного пара у зем-ной поверхности колеблется в среднем от 0,2% в полярных широтах до 2,5% — в экваториальных. В отдельных случа­ях оно уменьшается до 0,01% или возрастает до 4%. Чем выше температура воздуха, тем больше абсолютное содержание водяного пара из-за более интенсивного испарения.

Основная масса водяного пара сосредоточена в нижних слоях атмосферы до высоты 2—3 км. С ростом высоты его количество уменьшается: на высоте 5—6 км содержание водяных паров в воздухе в 10 раз меньше, чем у земной по­верхности, а на высоте 10—12 км — в сто раз меньше. Вы­ше 10—15 км содержание водяного пара в воздухе ничтож­но мало. Не остается постоянным содержание водяного па­ра в атмосфере в течение года: максимум приходится на са­мый теплый месяц, минимум — самый холодный.

Водяной пар атмосферы играет большую роль в ряде физических процессов. Прежде всего он поддерживает парниковый эффект, так как задерживает до 60% длинновол­нового теплового излучения земной поверхности и тем са­мым способствует отеплению Земли. С водяным паром свя­зано образование осадков, выделение и поглощение тепла при фазовых переходах воды. Кроме того, водяной пар яв­ляется хорошим теплоносителем и играет существенную роль в энергетическом балансе Земли, а также представляет основное звено в круговороте влаги. Наличие водяного пара имеет важное значение для физиологических процессов. Состав сухого воздуха в стратосфере (11—50 км) отли­чается важной особенностью — возрастанием с высотой как общей концентрации, так и относительного содержания озона. Процесс образования озона из кислорода происходит в слоях от 70 до 15 км при.поглощении кислородом ультра­фиолетовой солнечной радиации. Часть двухатомных моле­кул кислорода разлагается на атомы, а атомы присоединя­ются к сохранившимся молекулам, образуя трехатомные молекулы озона (О₃). Одновременно идет обратный процесс превращения озона в кислород.

Концентрация озона достигает максимума на высоте 25 км, а его объемное содержание максимально на уровне стратопаузы, т. е. на высоте 40 км, где оно равно 0,000006%. На высотах около 70 км содержание озона сходит на нет. В слои ниже 15 км озон заносится из вышележащих слоев при перемешивании воздуха. У земной поверхности озон со­держится в ничтожных количествах. Если бы было возмож­ным сосредоточить весь атмосферный озон под нормальным давлением, он образовал бы слой толщиной около 3 мм. Для Земли в целом среднее содержание озона оценивается в 3,36-10¹² кг.

Несмотря на ничтожное количество, роль озона в ат­мосфере исключительно велика вследствие чрезвычайно сильного поглощения им как солнечной радиации, та/к и земного излучения. Благодаря озоновому слою смертоносное для живых организмов ультрафиолетовое излучение Солнца очень мало проникает в тропосферу. Ультрафиолетовую радиацию с длинами волн от 1,5 до 2,9 МКм озон поглощает целиком, а именно она оказывает физиологически вредное действие. Кроме того, поглощая солнечную радиацию, озон, повышает температуру тех слоев атмосферы, в которых он находится.

Количество озона изменяется с широтой места, достигая максимума в полярных областях и минимума на экваторе. В годовом ходе максимум содержания озона приходится на весну, а минимум — на осень.

Контролирует содержание озона в атмосфере в первую очередь Солнце. Оно является источником того улътрафиолетового излучения, которое необходимо для образования озона. Косвенным образом Солнце управляет и процессами уничтожения озона. Интенсивность видимого солнечного из­лучения меняется во времени очень незначительно (на несколько десятых процента за год), а вот в ультрафиолето­вой, невидимой, части солнечного спектра могут происходить очень заметные и сравнительно быстрые изменения. Наблю­дения показывают, что похожие изменения характерны и для общего содержания озона.

В последнее время возникла существенная угроза антропогенного воздействия на атмосферный озон. Химическое ^производство, работа холодильных установок, испарение всевозможных аэрозолей — все это приводит к появлению в верхней атмосфере соединений хлора, фреонов и т. п. В результате озон вступает в реакции со многими веществами, его концентрация может и уменьшаться, и увеличиваться. зависимости от конкретных условий. Наблюдающееся в Антарктиде понижение концентрации озона (так называемые Озоновые дыры) вполне может быть связано с антропогенным воздействием на верхнюю атмосферу.

Состав воздуха термосферы (90—450 км) существенно отличается от наземного. Под влиянием ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 230 мкм в термосфере про­исходит диссоциация молекул кислорода на атомы. Поэтому в термосфере на высотах более 100 км кислород почти пол­ностью диссоциирован, т. е. состоит из отдельных атомов. В отличие от кислорода, азот очень трудно диссоциируется.

Третичная атмосфера. В атмосфере пока не отмечено.заметного изменения содержания основных газов — азота и кислорода. Однако это не означает что со временем она не подвержена постепенной эволюции и превращению в тре­тичную атмосферу. Уже сейчас ежегодно на сжигание различного вида топлива и при лесных пожарах расходуется около 10^ЕЗ кг свободного кислорода атмосферы. Убыль кислорода за все время существования человека оценивается в 0,0182% его содержания в атмосфере, в том числе 0,0164% за последние 50 лет. Ожидается что к 2020 г. будет израс­ходовано уже около 0,77% того 'количества кислорода, кото­рый содержится в атмосфере и гидросфере в настоящее время.

Израсходованный кислород частично соединяется с уг­леродом и образовывает углекислый газ, а частично — с во­дородом и возвращается в атмосферу в виде водяного пара. Это прибавило атмосфере 288 млн т. водяного пара и увели­чило его содержание в воздухе на 12%. Количество углекис­лого газа в атмосфере в результате хозяйственной деятель­ности человека и извержения вулканов за последние 60—70 лет увеличилось примерно на 10—12%. Увеличивается со­держание и других газов и примесей.

И все же глобальные изменения в атмосфере произой­дут не столько в результате антропогенной деятельности, скольно из-за остывания Земли. При этом с течением дли­тельного времени в ней будут накапливаться в еще боль­шем количестве азот и аргон и уменьшаться содержание ки­слорода. По-видимому, основными газами третичной атмос­феры будут азот, аргон и, возможно, углекислый газ.

2. Размер и масса атмосферы. В противоположность укоренившемуся мнению о шарообразности атмосферы, в действительности воздушная обо­лочка Земли не представляет собой идеальной сферы. Фор­ма атмосферы несимметрична относительно центра. Земли. По мнению академика В. Г. Фесенкова, в центре эклиптики (сечения небесной сферы плоскостью орбиты Земли) атмосфера имеет выступ, состоящий из светящегося скопления азота и кислорода. Этот выступ направлен из атмосферы в сторону, противоположную Солнцу. Длина своеобразного «газового хвоста» атмосферы около 120 тыс. км. Таким об­разом, по форме атмосфера Земли близка к эллипсоиду вра­щения, большая полуось которого в 1,2 раза больше малой полуоси.

Нижней границей атмосферы является поверхность ма­териков и океанов. Точной верхней ее границы указать нельзя, так как плотность воздуха монотонно убывает с вы­сотой и на высоте 60—70 тыс. км над земной поверхностью приближается к плотности межпланетного газа (10~²¹ кг/м³), состоящего в основном из водорода.

Первые исследования с помощью ракет и спутников показали, что параметры верхней атмосферы не постоянны, а изменяются в зависимости от многих различных факторов: солнечной и геомагнитной активности, времени суток и т. д.)ти изменения оказываются очень большими. Так, на высо­те 300 км плотность воздуха меняется ото дня к ночи в 4 раза, а на высоте 600 км — в 10 раз.

Если на уровне моря молекула воздуха не может пробежать и нескольких миллионных долей сантиметра, чтобы столкнуться с другой молекулой, то длина свободного |пробега на высоте 100 км достигает 1 м, а на высоте 300 км — 10 км. На высоте 120 км лежит граница рассеяния света и тишины межпланетного пространства. Выше небо становится совершенно черным, а звук распространяться не может, так как длина свободного пробега молекул превосходит длину звуковых волн. На еще больших высотах плотность воздуха различна днем и ночью. Представить себе столь разряженный воздух очень трудно, но тем не менее играет огромную роль в нашей повседневной жизни. Это щит, защищающий от смертоносных излучений, и среда, которая очень важна для радиосвязи, высотных полетов, запуска ракет и искусственных спутников Земли.

Присутствие воздуха — чем выше, тем более разряженного обнаруживается до очень больших высот. Так, полярные сияния указывают на наличие атмосферы на высотах до 1000 км. Полеты спутников на высотах в несколько тысяч километров также проходят в атмосфере, хотя и чрезвычайно разряженной. Из наблюдений с помощью ракет следует,. что атмосфера простирается при все убывающей плотности до высоты порядка 20 тыс. км. Но даже на этой высоте кон­центрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз больше, чем в межпланетном Пространстве.

Общая масса атмосферы равна 5,27-10¹⁸ кг, что примерно в миллион раз меньше массы самого земного шара. В результате планетарного тепло- и массообмена в период с января по июль из Северного полушария.переходит в Южное около 4-10¹⁵ кг воздуха. Во второй половине года с тропическими муссонными ветрами около 0,08% массы атмосферы совершает обратный путь из Южного полушария в Се­верное. Измерения давления, произведенные с помощью ра­зондов и ракет, показали, что около 50% массы атмос­феры сосредоточено в нижнем 5-километровом слое, 75% — до высоты 10 км, 90% — до 16 км, 95% — до 20 км, около 99% находится в нижнем З0-и километровом слое.

Лекция № 11

Дата добавления: 2014-01-11