2.2 Атмосфера

2.2.1 Происхождение и кларки атмосферы

Атмосфера — газовая оболочка массой около 5,2 ·10¹⁵ т. Состав у поверхности Земли: 78 % азота, 21% кислорода, 0,9% аргона, около 0,04% углекислого газа, в незначительных долях процента — водород, гелий, неон, метан, диоксид серы, оксиды азота и другие газы. В нижних 20 км содержатся пары воды (0,02 – 4%). На высоте 20-25 км расположен озоновый слой. Выше 100 км возрастает доля легких газов; на очень больших высотах преобладают гелий и водород, часть молекул разлагается на атомы и ионы, образуя ионосферу. Давление и плотность воздуха в атмосфере Земли с высотой убывают. Атмосферу подразделяют на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу. Атмосфера обладает электрическим полем. Неравномерность нагревания способствует общей циркуляции атмосферы, которая влияет на погоду и климат Земли.

Современные процессы образования газов (более 80% их входит в состав биосферы) делятся на три основные группы: физико-химические, биогенные и техногенные.

В процес­се образования газовой оболочки Земли главенству­ющая роль принадлежит физико-химическим процессам. Они не только господствуют в глубоких частях земной коры и в мантии, но и широ­ко распространены в биосфере. К ним относятся радиоактив­ный распад (образование Ar, He, Rn), радиолиз воды (Н₂, О₂), ядерные реакции в атмосфере (¹⁴С, ³Н), разрушение минералов при выветривании (выделяются газы включений), различные окислительно-восстановительные реакции (СО₂, H₂S), и т.д. Мощными локальными источниками неорганических газов в атмосфере являются вулканы. Они вносят основной вклад естественных выбросов в атмосферу серосодержащих (H₂S, SO₂, CS₂) и галогенсодержащих (HCl, HF, HBr) соединений. В процессе извержений выделяются также значительные количества H₂O, CO₂, CO, CH₄, Hg, других газов, летучих соединений и аэрозольных частиц. Однако современный состав атмосферы невозможно предста­вить без биогенных процессов. С ними связано поступление в ат­мосферу почти всего О₂, а также значительных количеств СО₂, N₂, H₂S, CH₄ и многих других газов. Атмосфера Земли сформировалась в ходе длительной эволюции планеты в результате действия эндогенных и экзогенных процессов. На раннем этапе развития ее состав определялся планетарной дегаза­цией водорода, азота, водяных паров, метана, аргона, оксидов углерода, соединений серы и других компонентов, рассеиванием гелия. С появлением фотосинтезирующих организмов началось накопление кислорода, что привело к постепенной смене восстановительной обстановки в атмосфере окислительной. Живое вещество стало главным фактором, поддер­живающим постоянство состава атмосферного воздуха на протя­жении эры явной жизни (фанерозоя).

Вода, играющая чрезвычайно важную роль в тепловом балансе Земли, присутствует в воздухе в газообразном, жидком и твердом состоянии. Концентрация ее паров изменчива. В среднем пары во­ды занимают менее 2% от общего объема атмосферы. Помимо пе­рераспределения тепловой энергии, происходящего при поглоще­нии и рассеяния солнечного излучения парами воды, при испаре­нии и конденсации, вода в атмосфере участвует в газофазных и гетерофазных химических и фотохимических реакциях, а в аэрозоль­ном жидко-капельном состоянии растворяет многие газообразные, жидкие и твердые следовые вещества и тем самым обеспечивает действие одного из основных механизмов самоочищения атмос­феры.

Особое значение имеет присутствие в атмосфере озона (О₃). Распреде­лен он неравномерно: у поверхности Земли его содержание обыч­но не превышает 10^-6 %, а наибольшая концентрация наблюдает­ся на высоте 20—25 км. Мощность озонового слоя при нормальных условиях составляет 1,7—4 мм. Несмотря на столь незначитель­ное содержание, роль атмосферного озона в развитии живых ор­ганизмов чрезвычайно велика. Для него характерна сильная аб­сорбция света с длиной волн 200-300 нм, т.е. губительных для организмов (разрушающих клетки) ультрафиолетовых лучей. За­держивая коротковолновую радиацию солнца, озоновый слой де­лает возможным существование биосферы.