5. Атмосфера земли

5.1. Образование атмосферы и ее состав

Состав атмосферы Земли определяется, прежде всего, геологической историей планеты. У Протоземли, как и у других планет земной группы, вначале атмосферы не было. Под действием высоких давлений и температур в первичном веществе планет происходили химические реакции. При этом более тяжелые продукты реакций опускались вниз, образуя мантию и ядро, более легкие образовали земную кору, а летучие продукты реакций создали первичную атмосферу, состав которой сильно отличался от современного. Этот состав, возможно, был близок к настоящему составу атмосферы Венеры, в которой помимо паров воды также в заметном количестве содержатся углекислый газ, сернистый газ, хлористый водород и другие кислотные окислы. Все эти малоприятные окислы и сегодня выбрасываются в нашу атмосферу действующими вулканами. Однако в земной атмосфере, как известно, преобладают молекулярные азот (78%) и кислород (21%), а азотной и серной кислот в нашей атмосфере практически нет. Чем же отличается история атмосферы нашей планеты от истории атмосферы Венеры? Главное отличие состоит в том, что уже на ранней стадии (в начале архея, примерно 3,5 – 4 млрд. лет назад), когда начала формироваться первичная земная кора, на поверхности Земли стал образовываться океан. До сих пор не понятно, почему у молодой Земли паров воды в ее первичной атмосфере оказалось в избытке, чего не наблюдается у Венеры. Когда появился Мировой океан (вначале довольно мелкий и разорванный на сеть практически изолированных водоемов), то в нем стали растворяться кислотные окислы, образуя кислоты. Кислоты, взаимодействуя с основными окислами земной коры, образуют соли. Растворимые соли растворяются в воде, а нерастворимые выпадают в осадок, образуя осадочные породы. Это химическое равновесие газов атмосферы с океаном и с веществом земной коры сохраняется в настоящее время.

Главная же особенность атмосферы Земли состоит в наличие в ее составе большого количества кислорода, которого практически нет в атмосферах других планет, нет его и в вулканических газах. Основной источник кислорода на нашей планете – это растительность. Хлорофилл растений под действием солнечных лучей перерабатывает углекислоту. Ее углерод входит в органические соединения растений, а кислород поступает в атмосферу. В позднеархейском или раннепротерозойском Мировом океане зародилась жизнь в форме сине-зеленых водорослей, которые с течением времени смогли выработать столько кислорода, чтобы окислить весь метан и аммиак первичной атмосферы, чтобы окислить породы земной коры и привести все в состояние химического равновесия. В настоящее время растения производят порядка 10¹⁴ кг кислорода в год или 3∙10⁶ кг в секунду. Однако содержание кислорода в атмосфере сейчас не увеличивается – весь кислород, создаваемый растениями, расходуется на дыхание животных, на процессы окисления газов и твердых тел, горение и гниение мертвых растений.

Массу атмосферы можно легко оценить по ее давлению у поверхности. Здесь и далееR – радиус Земли.

.

Для сравнения масса воды на нашей планете (98% в океанах и 2% в ледниках Антарктиды и Гренландии, все остальное пренебрежимо мало) составляет 1,4∙10²¹ кг.

Температуру атмосферы у поверхности можно оценить по закону Стефана-Больцмана (излучение абсолютно черного тела). Принимая альбедо Земли равным A = 0,28, солнечную постоянную S = 1362 Вт/м² и постоянную Стефана-Больцмана , получаем

.

Данная оценка сильно противоречит реальной средней температуре земной поверхности, которая больше нуля по Цельсию (около 15⁰С). Все дело в парниковом эффекте. Если максимум излучения Солнца приходится на оптический диапазон (λ ~ 500 нм), то максимум теплового излучения Земли по закону Вина приходится на длину волны , а это далекий инфракрасный диапазон. Электромагнитное излучение с такой длиной волны эффективно рассеивается на пыли, аэрозолях и больших молекулах воздуха.

Рассмотрим изменение состава атмосферы с высотой h. Давление атмосферы по закону Дальтона равно сумме парциальных давлений составляющих ее газов. Рассмотрим два уравнения для парциального давления какой-либо газовой составляющей атмосферы – основное уравнение состояния идеального газа и уравнение гидростатического равновесия:

.

Здесь n – концентрация, k – постоянная Больцмана, N_A – число Авогадро, – объем одного моля, μ – молярная масса. Исключая из этих уравненийи интегрируя, получаем так называемую барометрическую формулу

.

Величина называется шкалой высот изотермической атмосферы. На высотеH давление (и плотность соответственно) данной газовой составляющей уменьшается в e раз. В частности, для молекулярного кислорода

.

Для молекулярного водорода . Таким образом, кислород, азот и другие, более тяжелые газы сосредоточены, в основном, в приземном (толщиной в несколько км) слое, а на высотах в десятки и более км атмосфера состоит преимущественно из водорода и гелия.

Для того чтобы у планеты существовала атмосфера, необходимо, чтобы потенциальная энергия гравитационного притяжения планетой молекул атмосферы была много больше энергии их теплового движения, т.е.

.

Для земной преимущественно азотной атмосферы

.

Параметр ξ должен быть много больше единицы (даже много больше 10) по той причине, что kT – это средняя энергия теплового движения молекул, среди которых имеется значительное количество молекул с энергией, существенно превышающей среднюю энергию (распределение Максвелла по энергиям). Эти быстрые молекулы будут ускользать из поля притяжения планеты, ее атмосфера неизбежно должна худеть. Так произошло с атмосферой Марса.