1.4. Вопросы для самоконтроля

1. Какие две различные гипотезы образования атмосферы существуют? Приведите аргументы подтверждающие каждую из них. Противоречат ли обе теории друг другу?

2. Напишите основные химические реакции, описывающие образование основных компонентов современной атмосферы.

3. Приведите доказательства того, что первичная атмосфера Земли была восстановительной. Вспомните, что представляет собой процесс восстановления, а что – процесс окисления.

4. В чем причина устойчивости молекул азота с точки зрения теории связи?

5. Напишите реакции синтеза нескольких α-аминокислот из простейших газов первичной атмосферы. Составьте из полученных аминокислот молекулу полипептида.

6. Каковы пути поступления инертных газов в атмосферу Земли? В чем особенность строения атомов этих газов?

2. Строение и состав атмосферы

2.1. Строение атмосферы

Атмосфера характеризуется выраженной неоднородностью строения. Газовая оболочка Земли состоит из нескольких слоев, между которыми расположены паузы. Все слои отличаются между собой температурой. В атмосфере протекают различные фотохимические реакции, которые для разных слоев в различной степени вносят вклад в нагревание атмосферы.

Нижний слой атмосферы – тропосфера – нагревается от поверхности Земли, которая в свою очередь нагревается за счет энергии Солнца. Нагрев воздуха за счет поглощения в десятки раз меньше. С высотой нагрев уменьшается, и это понижает температуру воздуха в среднем от 14 ˚С на уровне моря до –55 ˚С на верхней границе тропосферы. Этому способствует охлаждение и расширение поднимающегося воздуха, а препятствует выделение тепла при конденсации водяных паров. На верхней границе тропосферы радиационный нагрев воздуха Солнцем уравнивается с нагревом от Земли [6].

Выше тропосферы существует слой с постоянной низкой температурой – тропопауза. В тропиках толщина этого слоя 14…16 км. В полярных областях тропопауза тоньше – 8…10 км.

Выше тропопаузы воздух с высотой вначале медленно, а потом все быстрее нагревается примерно до –3 ˚С на высоте около 50 км. Этот слой называется стратосферой. Стратосфера нагревается за счет поглощения ультрафиолетового излучения озоном (О₃). Возможно протекание фотохимической реакции

О₃ + hv → О₂ + О•. (2.1)

Кроме того, в стратосфере могут протекать и некоторые другие фотохимические реакции, например [7]:

N₂ + hv → N₂⁺ + e^–, (2.2)

О₂ + hv → О₂⁺ + e^–. (2.3)

На высоте 50 км расположена стратопауза.

В мезосфере температура вновь убывает с высотой, так как воздух становится более разряженным. На высоте 80 км находится мезопауза. В мезосфере протекают следующие фотохимичекие реакции [7]:

О• + hv → О⁺ + e^–, (2.4)

N₂ + О₂ → N₂⁺ + О₂⁺, (2.5)

О⁺ + О₂ → О• + О₂⁺, (2.6)

О⁺ + N₂ → NО⁺ + N•. (2.7)

Новый нагрев воздуха происходит еще выше, в термосфере. Он также связан с поглощением ультрафиолетового излучения и сопровождается ионизацией атмосферы [7]:

О• + hv → О⁺ + e^–, (2.8)

N₂ + hv → 2N•, (2.9)

О⁺ + N₂ → NО⁺ + N•, (2.10)

NО⁺ + e^– → N• + О•, (2.11)

N₂⁺ + O• → NО⁺ + N•. (2.12)

Наиболее удалена от поверхности Земли экзосфера (выше 1000 км). В ней еще обнаруживаются атмосферные газы до высоты приблизительно 2000 км, хотя верхняя граница атмосферы отсутствует. В экзосфере сила притяжения Земли уже недостаточны и происходит диссипация частиц. Диссипация – это процесс преодоления атомами и ионами поля притяжения Земли.

Вследствие разряженности столкновения атомов становятся все реже, а величина свободного пробега значительно возрастает. Так, например, на высоте 100 км величина свободного пробега составляет 10 см, а на высоте 220 км достигает 870 м. Кинетическая энергия таких столкновений становится настолько большой, что температура повышается на сотни градусов. Если скорость атомов и ионов при соударении превышает 11 км/с, то атомы и ионы могут легко покинуть поле притяжения Земли.

Из кинетической теории газов следует, что температура газа теоретически определяется средней энергией движения составляющих его частиц

, (2.13)

где  – абсолютная температура,  – средняя масса частицы,  – средняя скорость частицы,  – константа Больцмана.

По мере удаления от Земли средняя скорость частиц увеличивается, для межзвездного газа температура равна 10 000 °С. Это не значит, что термометр, помещенный в межзвездное пространство, показал бы такую температуру. Наоборот он покажет –270 °С. Термометр регистрирует не энергию каждой отдельной частицы, а общую энергию, сообщаемую ударами окружающих частиц. Таких ударов за единицу времени тем больше, чем значительнее число молекул в единице объема газа. Каждый кубический сантиметр межзвездного пространства содержит всего лишь несколько частиц, тогда как у поверхности Земли их 27·10¹⁸ частиц в кубическом сантиметре. Таким образом, межзвездное пространство одновременно и очень «горячо», и очень «холодно».

Поскольку при реакциях выделяются ионы, верхнюю часть атмосферы (мезосферу, термосферу и экзосферу) называют также ионосферой [6].