Глава 1. Структура и химический состав атмосферы

Планета Земля является динамической системой, в которой непрерывно идут процессы, изменяющие её состояние. В масштабе многих поколений они незначительны. Однако в масштабе, измеряемом отрезками в десять тысяч лет, эти изменения уже заметны [19,22].

ЭВОЛЮЦИЯ АТМОСФЕРЫ

Современная теория эволюции Земли и ее атмосферы опирается на гипотезы, которые таковыми и остаются, т. к. невозможно по данным, которыми располагает наука, судить достоверно о том, что происходило миллионы и миллиарды лет назад.

Образование планеты из протопланетного пылевого облака примерно 4,5 млрд лет назад сопровождалось интенсивной вулканической деятельностью. Извержения и последующая дегазация магмы привели к образованию атмосферы, состав которой существенно отличался от состава современной атмосферы. В нее входили: пары воды Н₂О, углекислый газ СО₂, водород Н₂, метан СН₄, гелий Не, азот N₂, сероводород H₂S и некоторые другие газы такие, как хлороводород НCl. Атмосфера была восстановительной в отличие от современной окислительной атмосферы, состоящей главным образом из азота и кислорода.

По мере остывания планеты происходила конденсация паров воды и образование гидросферы. В водах мирового океана растворялись атмосферные газы.

Водные растворы углекислого газа и хлороводорода реагировали с магматическими силикатными породами, такими как анортит. Происходило образование осадочных пород (каолинита, кварца, карбонатов и др.):

C

анортит

коалинит

a[Al₂Si₂О₈](т) + 2HCl(р-р) + Н₂О(ж) = CaCl₂(р-р) + Al₂[Si₂О₅](ОН)₄(т)

C

анортит

коалинит

a[Al₂Si₂О₈](т) + 3Н₂О(ж) + 2СО₂(г) = Са(НСО₃)₂(р-р) +Al₂[Si₂О₅](ОН)₄(т)

С

карбонат кальция

а(НСО₃)₂(р-р) = СаСО₃(т) + СО₂(г) + Н₂О(ж)

В результате геохимических процессов атмосфера менялась. С одной стороны, происходило улетучивание легких газов из атмосферы в космическое пространство, с другой – водные растворы реагировали с магматическими породами.

Кардинальное изменение состава атмосферы происходило не только за счет геохимических процессов. В изменении атмосферы приняли участие появившиеся на Земле примерно 3,8 млрд лет назад фотосинтезирующие живые организмы. Поглощение растениями углекислого газа в процессе фотосинтеза привело к образованию в атмосфере кислорода:

фотосинтез

6

клеточное дыхание

СО₂(г) + 6Н₂О(ж) ⇄ С₆Н₁₂О₆ (р-р) + 6О₂(г)

Кислород вызвал интенсивные окислительно-восстановительные реакции. Органическое вещество, которое накапливалось в результате фотосинтеза, частично исчезало в результате обратного процесса – клеточного дыхания.

Часть атмосферного кислорода вступала в реакции с двухвалентным железом минерала оливина, входившего в состав горных пород:

3

оливин

магнетит

кремневая кислота

Fe₂SiO₄(т)+ O₂(г)+ 6H₂O(ж) = 2Fe₃O₄(т) + 3H₄SiO₄(т)

Кроме того, мертвое органическое вещество окислялось атмосферным кислородом, превращаясь в воду и углекислый газ.

Тем не менее, процесс накопления кислорода в атмосфере шел. Мертвое органическое вещество не только окислялось, но частично сохранялось и накапливалось в виде каменного угля, природного газа и нефти в недрах планеты. Рост биомассы привел к существенному накоплению кислорода и снижению содержания углекислого газа в атмосфере до сотых долей процента.

В результате преобразующей деятельности живых организмов состав газовой земной оболочки изменился. Азот и кислород стали основными компонентами современной атмосферы, которая из восстановительной превратилась в окислительную.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АТМОСФЕРЫ

Масса атмосферы (5,1510¹⁸ кг) небольшая в сравнении с массой Земли (5,9810²⁴ кг). Гравитационное поле Земли в состоянии удержать атмосферу, которая создает у поверхности Земли давление, равное 1,01310⁵ Па (1,01310⁵ Па = 1 атм = 760 мм рт. ст.= 101310³ бар). С высотой атмосферное давление уменьшается. Атмосферное давление – это сила, с которой столб воздуха действует на единицу площади, расположенной параллельно поверхности Земли (рис.1).

Рис. 1. Модель изменения давления столба атмосферного воздуха с высотой

Давление и плотность являются характеристиками воздуха, определяющими физические свойства атмосферы. Изменение давления и плотности воздуха с высотой влияет на распределение температуры по высотным ступеням, влажность, состав примесей, форму движения и многие другие свойства атмосферы.

Для приближенной оценки убывания атмосферного давления р с высотой h от поверхности Земли используют уравнение состояния идеального газа [17,38]:

рV = nRT , (1)

где р – давление [Па]; V – объем [м³]; n – количество вещества газа [моль]; R – газовая постоянная, равная 8,314 Дж/мольК; T – температура [К].

Количество вещества (моль) вычисляется по уравнению:

n = m/М,

где m – масса газа [кг]; М – молярная масса [кг /кмоль]

Преобразуем уравнение (1) для сухого воздуха:

рV = RT

или р = RT

=   удельный объем газа [м³/кг],

тогда р = RT. (2)

Примем среднюю молярную массу воздуха равной 29 [кг/кмоль] и вычислим константу воздуха R_В:

R_В = R = = 287 [Дж/кг К].

Получим уравнение состояния сухого воздуха:

р = R_в T. (3)

Изменение давления воздуха р на dр при изменении высоты h на dh равно:

dр =   g dh , (4)

где g – ускорение свободного падения [м/с²];  плотность воздуха [кг/м³].

 = (5)

Комбинация уравнений (3) – (5) дает уравнение (6):

dр =  g dh (6)

Интегрируем уравнение (6):

=  ,

где Н =  шкала высот

и получаем уравнение барометрического давления, связывающее атмосферное давление с высотой над уровнем моря:

р = р₀ (7)

где р₀ – атмосферное давление у поверхности Земли.

Приведенное барометрическое уравнение, определяет зависимость атмосферного давления р в гравитационном поле Земли от высоты над поверхностью планеты h при условии постоянства температуры Т и ускорения свободного падения g.

В общем случае, учитывающем зависимость давления от температуры, уравнение (7) в интегральной форме принимает вид:

ln р = ln р₀ 

и

полная барометрическая формула

ли р = р₀ (8)

Для вычисления давления на высоте h от поверхности Земли подставляют среднюю температуру Т_ср между уровнями 0 и h.

Ускорение свободного падения g также меняется по мере увеличения расстояния z от центра Земли и широты  в соответствии с уравнением:

g = g₀(1 – 2,63710^3cos 2) (1 – 3,0910^7z),

где g₀ = 9,80665 м/с² на уровне моря и на широте 45⁰, z дана в [м].

В табл.1 приведено распределение давления и температуры в зависимости от расстояния от Земли в соответствии с моделью стандартной атмосферы.

Т а б л и ц а 1