Состав атмосферы

Тема 8. АТМОСФЕРА И КЛИМАТЫ ЗЕМЛИ

И приливное трение

Движение двойной планеты Земля-Луна

Всемирное тяготение уравновешивается всемирным отталкиванием. Суть тяготения (гравитации) заключается в том, что все тела притягиваются друг к другу пропорционально их массам и обратно пропорционально квадрату расстояния. Отталкивание – это центробежная сила, возникающая при вращении и обращении небесных тел. Земля и Луна взаимно притягиваются, но Луна не может упасть на Землю, так как она вращается вокруг Земли и тем самым стремится от нее уйти.

Соответствие притяжения и отталкивания относительное, не полное. Расстояние между Землей и Луной таково, что силы их взаимного притяжения точно равны центробежной силе, возникающей при движении этих планет вокруг общего центра тяжести. Луна в 81,5 раза меньше Земли, поэтому общий центр тяжести системы Земля-Луна расположен не между ними, а внутри Земли, в удалении от центра Земли на 0,73 земного радиуса.

Равновесие притяжения и отталкивания справедливо для центров планет, но оно не распространяется на отдельные точки поверхности Земли. Поэтому происходит возмущение поля силы тяжести, вызывающее приливы и отливы.

Притяжение Луны действует на каждую точку поверхности Земли и всюду направлено в сторону Луны. Но из-за больших размеров земного шара величина его, обратно пропорциональная квадрату расстояния, всюду различна. Сторона Земли, в данный момент обращенная к Луне, притягивается сильнее всего. На противоположной стороне притяжение слабее. Разница в притяжении составляет около 10 %.

Взаимодействующая двух сил – силы притяжения и центробежной силы – и есть приливообразующая сила.

Лучше всего приливы выражены в Мировом океане. Но на приливообразующую силу реагирует и мантия, а следовательно, и земная кора, и, вероятно, ядро.

Установлено, что в Москве, например, приливообразующая сила достигает 50 см. Это значит, что дважды в сутки земная поверхность плавно поднимается на полметра, а затем также плавно опускается.

Приливной волне сопротивляются силы сцепления. Частицы взаимно перемещаются, преодолевая внутреннее трение. Это и есть приливное трение. На него расходуется энергия вращения Земли, которое постепенно в геологическом времени замедляется. В архее сутки продолжались, вероятно, 20 часов. В зависимости от уменьшения скорости вращения перестраивается фигура Земли и изменяется рельеф литосферы.

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

Азот – 78, 08 %,

Кислород – 20, 94 %,

Аргон - 0, 93 %,

Углекислый газ – 0, 03 %,

Прочие газы – 0, 02 %.

___________________

Всего: 100 %

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

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

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

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

Процесс фотосинтеза схематически можно выразить в следующем виде:

CO₂ + 4 H₂O = CH₂O + 3H₂O + O₂

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

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

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

О₂ = О + О, О₂ + О = О₃.

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

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

4 NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Дата добавления: 2014-11-20