Возникновение основных компонентов атмосферы

Основные компоненты современной атмосферы земли - это азот, кислород, углекислый газ, аргон.

В составе газов, извергаемых современными вулканами нет кислорода возможно его не было и раньше. Молекулы воды в первичной атмосфере под действием энергии ультрафиолетового излучениямогт разлагаться:

H₂O + hi ? H₂ + 1/2O₂.

Водород как легкий элемент улетучивался в космическое пространство, тогда как атомы кислорода соединялись с молекулами кислорода в озон:

O2 + O^- ? O3.

С течением времени вследствие постоянного действия защитной озоновой оболочки мощные потоки солнечной энергии не могли достигнуть нижних слоев земной атмосферы и дальнейший синтез органических соединений стал невозможен. В результате реакции фотосинтеза

mCO₂ + 11H₂O + энергия ? C_m(H₂O)n + 11O₂

свободный кислород продолжал выделяться в атмосферу. Так началось накопление кислорода.

Присутствие высокоокисленных соединений железа в красных полосах железных руд докембрия свидетельствует о наличии свободного кислорода.

В качестве основы для расчетов прошлого состава атмосферы принимается распространенность захоронения органического углерода, как прошедшего фотосинтетический этап в круговороте, связанный с высвобождением кислорода. При убывании дегазации мантии в течение геологической истории, общая масса осадочных пород постепенно приближалась к современной. При этом 4/5 углерода захоронялось в карбонатных породах, а 1 /5 приходилась на органический углерод осадочных толщ. Немецкий геохимик М. Шидловский рассчитал рост содержания свободного кислорода в течение геологической истории Земли. При этом было установлено, что примерно 39% всего кислорода, выделившегося при фотосинтезе, оказалось связанным в оксид железа (III) (Fe₂O₃), 56% сосредоточилось в сульфатах (SO₄^2-) и 5% осталось в свободном состоянии в атмосфере Земли.

В раннем докембрии практически весь освобожденный кислород быстро поглощался земной корой при окислении после того, как докембрийские океаны очистились от растворенного железа, свободный кислород стал накапливаться в гидросфере и затем в атмосфере.

Новый этап в истории биосферы характеризовался тем, что в атмосфере 2000... 1800 млн. лет назад отмечалось увеличение количества свободного кислорода. Поэтому окисление железа переместилось на поверхность древних континентов в область коры выветривания, что и привело к формированию мощных древних красноцветных толщ. Поступление двухвалентного железа в океан уменьшилось, и соответственно снизилось поглощение свободного кислорода морской средой. Азот давно обнаружен в газах вулканического происхождения. При нагревании этих пород, а также метеоритов, азот освобождается в форме молекул и в виде аммиака. В первичной мантии аммиак образовался из азота и водорода в результате реакций при нагреве в восстановительных условиях. В верхних слоях атмосферы под влиянием кислорода, освобождающегося при фотодиссоциации паров воды и других соединений, аммиак окисляется до молекулярного азота:

N₂ +3H₂ = 2NH₃,

H₂O = H₂ + 1/2O₂,

4NH₃ + 3O₂ ? 2N₂ + 6H₂O.

Большая часть атмосферного углерода как в прошлом, так и в настоящем, находилась в виде углекислого газа и значительно меньшая часть - в форме метана. В вулканических газах углерод также встречается преимущественно в форме углекислого газа и меньше - в форме угарного газа и метана.

2CO + O₂ ? 2CO₂,

CO + 3H₂ = CH₄ + H₂O,

2CO = CO₂ + C(графит),

CH₄ + O₂ ? CO₂ + 2H₂.

Вся деятельность фотосинтезирующих организмов стала направленной на интенсивное извлечение углекислого газа из атмосферы.

Геохимическая история углерода в биосфере начинается с его поступления в виде углекислого газа и угарного газа из глубинных горизонтов мантии в результате ее дегазации, выражаемой вулканическими процессами.

Поступившая из глубинных источников углекислота распределялась в биосфере, образуя в гидросфере сложную карбонатную систему. По мере выщелачивания ионов Са²+ и Mg²+ из первичной земной коры и поступления их в океан, углекислота отлагалась в виде карбонатных пород - известняков, доломитов:

Ca²⁺ + H₂CO₃ ? CaCO₃ + 2H⁺,

Mg²⁺ + H₂CO₃ ? MgCO₃ + 2H⁺.

Причем более древние известняки отличались повышенным содержанием магния. Другая часть углекислоты использовалась фотосинтезом с образованием органических веществ, испытывая в дальнейшем различные превращения, включая образование в захороненном состоянии рассеянной органики, затем углей разного типа, горючих сланцев и нефти.

Большая часть аргона земной атмосферы - радиоактивного происхождения. Это, в частности, подтверждается тем, что аргон земной атмосферы на 99,6% состоит из изотопа ⁴⁰Ar, в то время как для обычного космического аргона характерно преобладание ³⁶Ar. Радиогенный аргон возникал за счет распада ⁴⁰К путем электронного захвата и выделялся в атмосферу при общей дегазации планеты:

⁴⁰K + e ? ⁴⁰Ar.

СТРОЕНИЕ И СОСТАВ АТМОСФЕРЫ

Строение атмосферы

Атмосфера характеризуется выраженной неоднородностью. Атмосфера 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 1 4 С на уровне моря до -55 С⁰ на верхней границе тропосферы. Этому способствует охлаждение и расширение поднимающегося воздуха. На верхней границе тропосферы радиационный нагрев воздуха Солнцем уравнивается с нагревом от Земли.

Выше тропосферы существует слой с постоянной низкой температурой -тропопауза. В тропиках толщина этого слоя 1 4- 1 6 км. В полярных областях тропопауза тоньше – 8- 1 0 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∙

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

N₂ + hv ? N₂ ⁺ + e^-, О₂ + hv ? О₂⁺ + e^-.

На высоте 50 км расположена стратопауза.

В стратосфере с увеличением высоты температура возрастает В мезосфере воздух становится более разряженным и температура убывает с высотой. На высоте 80 км находится мезопауза. В мезосфере протекают следующие фотохимичекие реакции:

О∙ + hv ? О⁺ + e^-,

N2 + О₂ ? N₂⁺ + О₂ ⁺

О⁺ + О₂ ? О∙ + О₂⁺,

О⁺ + N₂ ? NO⁺ + N

В термосфере происходит новый нагрев воздуха достигая 1500-2000 К, он также связан с поглощением ультрафиолетового излучения и сопровождается ионизацией атмосферы:

О∙ + hv ? О⁺ + e^-,

N₂ + hv ? 2N∙ ,

О⁺ + N₂ ? NO⁺ + N∙ ,

NО⁺ + e^- ? N∙ + О∙ ,

N₂⁺ + O∙ ? NO⁺ + N∙

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 притяженияЗемли.

Вследствие разряженности столкновения атомов становятся все реже, а величина свободного пробега значительно возрастает. Так, например, на высоте 1 00 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.

По мере удаления от Земли средняя скорость частиц увеличивается, для межзвездного газа температура равна 10 000 °С.

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

Химические реакции в атмосфере

Реакции, протекающие в атмосфере, можно классифицировать следующим образом.

Реакции фотодиссоциации. Фотодиссоциация - это распад молекул с образованием свободных радикалов в результате поглощения фотона:

О₂ + hv ? 2О∙.

Н₂О + hv ? Н∙ + ОН∙

НО∙ + hv ? Н∙ + О∙

Реакции фотоионизации. Фотоионизация - это образование ионов из молекул и атомов под действием квантов света:

N₂ + hv ? N₂⁺ + e^-,

О2 + hv ? О₂⁺ + е^-,

О∙ + hv ? О⁺ + е^-,

NO + hv ? NO⁺ + е^-.

Реакции между ионами. Реакции диссоциативной рекомбинации - это реакции иона с электронами с образованием нейтральных молекул, которые в разряженных условиях верхней атмосферы будут быстро диссоциировать:

N₂ ⁺ + е^- ? N₂ ? N∙ + N∙

O₂⁺ + е^- ? O₂ ? O∙ + O∙

NO⁺ + е^- ? NO ? N∙ + O∙

Перенос заряда - это реакция молекулярного иона с нейтральной частицей, сопровождающаяся переносом электрона. Перенос заряда возможен, если энергия ионизации нейтральной молекулы меньше, чем энергия ионизации образующейся. К реакциям с переносом заряда относятся:

N₂⁺ + O₂ ? N₂ + O₂⁺,

O⁺ + O₂ ? O∙ + O₂⁺.

Реакции обмена - это реакции сопровождающиеся разрывом связей. Например, следующие реакции:

N2⁺ + O∙ ? NО⁺ + N∙

O⁺ + N₂ ? NО⁺ + N ∙

За счет всех выше перечисленных реакций в верхних слоях (выше 50 км) атмосфера становится электропроводной, и создаются слои отражающие радиоволны. Это позволяет проводить дальнюю радиосвязь вокруг Земли.