§ 2.3. Формирование газовой оболочки

Считается, что газовая оболочка Земли формировалась главным образом при дегазации астеносферы. Ведь сразу после своего образования Земля не была окружена мощным слоем газов, потому что они не удерживались тогда нашей планетой, которая не набрала ещё настолько достаточной массы, чтобы легчайшие молекулы не покидали её сравнительно слабое гравитационное поле. При увеличении размеров земного шара и разогревании недр, когда газовые компоненты земных пород выходили на поверхность и образовывали атмосферу, которая стала вторичной и более прочной её газовой оболочкой, состоящей в основном из углеводородных газов, аммиака, углекислоты и свободного водорода, все запасы живительного кислорода шли на окисление химических веществ, а водяной пар - рабочее вещество главной тепловой машины Земли, превращающей солнечные лучи в движение живой и косной материи географической оболочки, - конденсировался в облака. Учёные полагают, что водяной пар и метан образовывались при взаимодействии водорода с углекислотой.

Постепенно атмосфера стала средой образования сложных углеродных соединений и жизненным пространством, благоприятным для обитания микроорганизмов. С самого начала и по сей день из состава атмосферных газов уходит молекулярный водород, который по мере развития атмосферы стал удерживаться молекулярным кислородом. Существует понятие точки Пастера, когда организмы переходят от использования энергии ферментативного (анаэробного) брожения к энергетически более выгодному, эффективнее в три-пять десятков раз, аэробному окислению при дыхании. Установлено, что период такого перехода на Земле наступил около 600 млн лет назад, в конце венда.

Это нарушение древнего кислородного равновесия в сторону увеличения концентрации свободного животворного газа привело в начале фанерозоя к биосферной революции, утвердившей массовое распространение практически всех, кроме хордовых, типов животных. Л. Беркнер и Л. Маршал полагают, что около 400 млн лет назад, когда содержание кислорода в атмосфере соответствовало 10 % современного уровня, образовался озоновый экран, после чего в течение нескольких десятков миллионов лет благодаря бурному фотосинтезу зелёной массы лесов содержание трёхатомного кислорода достигло современных величин.

Теперь концентрация кислорода атмосферы находится в физическом равновесии с кислородом, растворённым в водах гидро- и океаносферы, хотя равновесное его содержание в воде в несколько десятков раз меньше, чем в воздухе. Кислород окружающей нас среды регулируется биотой океанов и пресноводными организмами суши, главным образом почвенной биотой (биотой – от гр. biote – жизнь – называют исторически сложившуюся совокупность организмов, объединённых общей областью распространения). К избыточной атмосферной концентрации кислорода наземным растениям приходится приспосабливаться с помощью выработанных в продолжение эволюции механизмов, и если бы травы, кустарники и деревья можно было избавить от лишнего содержания этого живительного газа, то они увеличили бы свою продуктивность. В отличие от атмосферного, растворённый в воде кислород регулируется обитающими в ней организмами. Подсчитано, что при реальных условиях разницы между коэффициентами диффузии в воде и воздухе, составляющей 4 порядка, физические потоки кислорода в воде на 6 порядков, то есть в миллион раз меньше, чем в воздухе.

В наше время чистый и сухой воздух атмосферы до высоты 100-120 км при общей толщине газовой оболочки 1800-2000 км состоит из 78 % азота (в переводе с гр. "безжизненный", на самом деле совершенно необходимый для жизни организмов, на латинском - "нитрогениум" - рождающий селитру, т. е. азотнокислые соли калия, натрия, аммония, бария и др., применяемые в качестве удобрений, а также для многих производств, связанных с изготовлением взрывчатых веществ, консервирования, очищения драгоценных металлов и пр.), 21 % кислорода, 0,9 % аргона и 0,03 % углекислоты. Из основных газов наибольшую значимость для живого населения имеют: кислород, потому что без него невозможен процесс дыхания, углекислый газ, излишки которого могут привести к изменению климата, и водяной пар - рабочее вещество тепловой машины океан–атмосфера, содержащееся, на первый взгляд, в ничтожных количествах (в основном от 0,3 до 3,0 % относительной влажности воздуха), но, как будет показано в дальнейшем, играющее основную роль в общем круговороте всех веществ географической оболочки, главным образом воздушной тропосферы.

Предваряющая современную атмосфера по своему составу была близка к глубинным газам (водород, метан, аммиак, сероводород, углекислота, вулканические дымы). Фотолиз (от гр. photos - свет, lysis - расщеплять) изменил состав атмосферы. Молекула воды диссоциировала на атом водорода и радикал гидроксила. В результате участия в процессах органического синтеза образовывались молекулы кислорода, достаточно тяжёлые, чтобы притягиваться ближе к поверхности Земли, а лёгкие, свободные атомы водорода поднимались вверх, образуя протоносферу и диссипируя в космос.

Химически активный атмосферный кислород принял участие в окислении глубинных газов. Окислы выпадали в осадок. Процесс фотолитического образования атмосферного кислорода положил начало геологической эволюции: по мере очищения от глубинных газов, появления углекислоты и двуокиси азота вторичной атмосферы, создавались условия для фотосинтезирующих растений типа сине-зелёных водорослей (цианобактерий, самых древних (3,5 млрд лет) одноклеточных примитивных организмов, широко распространённых в почве, на влажных поверхностях скал и деревьях). Теперь процесс насыщения атмосферы кислородом значительно ускорился: образование кислорода стало происходить благодаря ассимиляции углекислоты зелёными растениями. Аналогичным образом, почвенные бактерии стали производить азот из его двуокиси. Неустойчивая вторичная атмосфера, таким образом, перешла в третичную её форму.

В связи с тем, что атмосфера представляет собой плод взаимодействия живого вещества со всеми остальными геосферами, небезынтересно привести наименования составляющих биосферу частей - три подсферы: «аэробиосферу, населённую аэробионтами, субстратом жизни которых служит влага воздуха; гидробиосферу - глобальный мир воды (водная оболочка Земли без подземных вод), населённый гидробионтами; геобиосферу - верхнюю часть земной коры (литосфера), населённую геобионтами». Гидробиосфера распадается на аквабиосферу и маринобиосферу, геобиосфера - на террабиосферу, фитобиосферу (от поверхности земли до верхушек деревьев), и педосферу (почвы и кора выветривания), из литобиосферы (организмы, живущие в порах горных пород). В свою очередь, в гидробиосфере выделяют три слоя: фотосферу, дисфотосферу (сумеречный слой, до 1 % солнечной инсоляции) и афотосферу (абсолютная темнота, где фотосинтез исключён). В аэробиосфере жизнь лимитируется температурой, наличием капель и аэрозолей, в ней выделяют тропобиосферу, выше которой лежит альтобиосфера, над которой простирается парабиосфера, куда жизнь проникает лишь случайно и где организмы уже не могут размножаться. Аналогом парабиосферы является гипобиосфера, находящаяся на глубинах литосферы более 3-7 км, куда проникает жизнь в неактивных формах; ещё глубже располагается метабиосфера - следы былых геосфер. Весь слой нынешнего и прошлого воздействия жизни на природу Земли называют мегабиосферой, а вместе с артебиосферой (пространством человеческой экспансии в околоземный космос) - панбиосферой.

Стратификация атмосферы определяется гравитационным расслоением и взаимоотношениями газов с солнечной радиацией. В настоящее время выделяют четыре слоя: тропо- , страто-, мезо- и термосфера. Тропосфера, как приземный слой атмосферного воздуха, простирается до высоты 12-18 км. В нём содержится 80 % массы всей атмосферы. Атмосферное давление на уровне моря составляет 760 мм ртутного столба, 1000 Мб или 1013,32 гПа, а на верхней границе тропосферы не превышает 26 гПа или менее 0,03 стандартной атмосферы. Солнечная энергия в форме светового и теплового излучений, рассеиваясь главным образом облаками, частицами пыли и газов, в основном достигает поверхности нашей планеты. Стратосфера занимает сверху от тропосферы пространство до высоты 50-55 км. Температура воздуха здесь почти неизменна и составляет 220 К. Давление понижено, на верхней границе оно уменьшается до 3 гПа. А температура воздуха в самой верхней части стратосферы повышается до 270 К (т. е. около 0 ° С) - это связано с выделением тепла при фотохимической реакции разложения молекул озона. Озоновый слой служит главной защитой живых организмов от губительного ультрафиолета. Именно поэтому высотой озонового слоя иногда ограничивают сверху географическую оболочку. Мезосфера находится в промежутке 50-85 км и характеризуется низкими температурами (до минус 100-130 ° С) и ничтожным давлением (7 Па). Сюда совсем не поступает тепло в виде инфракрасного излучения, отраженного от поверхности Земли. Термосфера. Выше 85 км температура начинает расти и достигает максимального значения в 1000   К (в период повышенной солнечной активности она может почти вдвое превышать эту величину) на высоте 400 км. Выше этого уровня температура не меняется. Эта область изотермии и называется термосферой, которую иногда называют ионосферой, потому что в ней газ представляет собой слабоионизированную п лазму, образующуюся под действием жесткого ультрафиолетового излучения, путем ионизации атомарного кислорода.

Профиль температуры воздуха на вертикальном разрезе атмосферы.

Термосфера простирается до высоты 1200 км и далее до 20 тыс. переходит в протоносферу - водородную корону Земли. Плотность газов (ионизированный водород с незначительной примесью гелия), из которых состоит протоносфера исчезающе мала, а давление уменьшается до 10^-9 Па (10^-14 атм.). Эта сфера существует лишь за счёт интенсивного фотолиза молекул воды (тяжелые молекулы кислорода в поле тяготения пополняют атмосферу, а лёгкий водород - диссипирует и улетучивается в космос) и если бы он вдруг прекратился, протоносфера рассеялась бы и исчезла через полчаса.

Молекулы трёхатомного кислорода, содержащиеся высоко в воздухе, как известно, уберегают живые существа от смертоносного ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовое излучение (2−3 тыс. ангстрем) почти полностью (99 %) абсорбируется молекулами О₃ озонового слоя. Кроме того, озон играет определённую роль в регуляции температурного режима атмосферы. Участок стратосферы от 15 до 45 км, называемый озоносферой, на высотах порядка 20-25 км содержит озоновый слой, толщина которого, приведённая к нормальным условиям (нулевой, по Цельсию, температуре и давлению 760 мм рт. ст.), в среднем для всей Земли составляет около трёх миллиметров с минимумом в экваториальных широтах (2 мм) и максимумом (4 мм) в заполярье. Как видим, процентное содержание озона в атмосфере совсем незначительно, поэтому уменьшение содержания защитного трёхатомного газа вызывает тревогу экологов, назвавших места уменьшенного до 40-50 % его содержания озоновыми дырами, предлагая залатать опасные прорехи в географической оболочке Земли запретами на выброс в атмосферу галогеносодержащих соединений, аэрозолей и других «загрязнителей». Озон обеззараживает воздух, но повышенные его концентрации токсичны для человека.

Магнитосфера, как область околопланетного пространства, простирается на 64 тыс. км к Солнцу, с другой стороны образует магнитный хвост. Она тоже имеет большое значение в существовании биоты Земли, особенно при появлении возмущений в солнечном ветре, отзывающихся эхом суббури в магнитном поле нашей планеты. Наложение суббури вызывают магнитосферные ураганы, сопровождающиеся выделением джоулевой теплоты в ионосферных токах, внедрением в верхнюю атмосферу Земли потоков заряженных и нейтральных частиц, приводящих к возникновению интенсивных полярных сияний на высотах 100-200 км. Под влиянием геомагнитного поля заряженные частицы закручиваются вокруг магнитных силовых линий, образуя выше атмосферы радиационные пояса. Различают магнитосферы: собственную, обладающую таким магнитным моментом, который обеспечивает уравновешивание давления солнечного ветра, наведённую, с незначительным магнитным полем и плотной ионосферой, и комбинированную, имеющую собственное магнитное поле, соизмеримое с наведённым. Там, где силовые линии входят в Землю ближе к магнитному полюсу, частицы ионизируют верхние слои атмосферы и возникают сполохи, интенсивность которых зависит от величины напряжённости магнитного поля; суббури рождаются при максимальной напряжённости.

Воздушные массы являются крупнейшими вместилищами электрических зарядов, поскольку содержат аэрозоли, пыль, осадки, которые заряжены в различной степени, в зависимости от воздействия природных и антропогенных факторов: районы гроз, смерчей, пыльных бурь, извержений вулканов, штормового разбрызгивания морских волн, распыления мельчайших частичек воды крупных водопадов, а также стихийных пожаров и промышленных дымовых выбросов имеют более сильные электрические поля по сравнению с областями ясной погоды и мест, не подверженных влиянию перечисленных атмосферных, литосферных, гидросферных и техносферных явлений. В атмосфере всегда происходит перераспределение зарядов разного рода, и никогда их алгебраическая сумма не изменяется, то есть существует закон сохранения заряда, подобный известному закону сохранения вещества. Огромное энергетическое (превращение электромагнитной волны в тепло биоткани) и информационное (излучение низкой интенсивности) воздействие на организмы присуще электромагнитным возмущениям, связанным не только с естественными солнечно-земными геофизическими полями, но и с широко распространёнными в настоящее время техногенными источниками, излучающими, например волны миллиметрового диапазона. Всем известен вред мощных передающих устройств, но и естественные аномалии электромагнитных полей (геомагнитные бури) вызывают патологии внутренних органов и нервной системы людей, обладающих повышенной чувствительностью к космическим и метеорологическим сюрпризам.