Происхождение атмосферы

Введение. 
 
Возможность жизни на любой планете зависит, прежде всего, от того, есть ли там атмосфера, т. е. воздушная оболочка. Только благодаря наличию атмосферы возникла и могла развиться жизнь на Земле. Это она словно куполом прикрыла Землю, с её растительным и животным миром, защищая от пагубного действия ультрафиолетовой и космической радиации, щедро посылаемых Солнцем и Вселенной, а также от всевозможных заряженных частиц, излучаемых космическим пространством. Пропуская лучи Солнца, атмосфера задерживает часть радиации, отражаемой земной поверхностью, а также излучаемой последней, как всяким нагретым телом. Это предохраняет Землю от охлаждения и резких колебаний температуры в течение суток. 
 
Без атмосферы наша планета была бы такой же мертвой, как и её спутница Луна. Освещённая Солнцем поверхность Земли раскалялась бы до губительного зноя, в то время как на затемнённой её части господствовал бы леденящий холод. Вместо великолепной гаммы красок неба, рождаемой солнечным светом, проходящим через атмосферу, Землю окутывал бы бездонный мрак. На черном фоне такого неба Солнце и звезды сверкали бы одновременно немигающим светом. Солнце выглядело бы необычайно ярким шаром с резко очерчёнными краями, из которых вздымаются огненные языки протуберанцев. 
 
Не было бы утренних зорь и вечерних закатов, радуги и полярных сияний, как и других многочисленных световых явлений. Великое множество их создаётся лучами Солнца, которые проходят через различные по плотности слои атмосферы и многократно преломляются в плавающих в ней кристаллах льда и водяных капель. Это из них состоят разнообразные по форме облака, вечно меняющиеся, от тонких нежно-белых до мощных мрачных громад, из которых выпадают обильные осадки в виде дождя, снега, крупы и града.  
 
Неравномерное прогревание земной поверхности приводит к возникновению движения воздуха, развитию вихрей большого и малого масштабов, а также сложных атмосферных процессов, определяющих изменения погоды в различных районах Земли.  
 
Атмосфера – воздушная оболочка между земной корой и космосом, является внешней по отношению к главному источнику энергии (солнечной). Атмосфера составляет по массе одну миллионную часть Земли, т. е. масса атмосферы примерно равна 5,15 * 1015т.  
 
Атмосфера представляет собой физическую смесь газов, жидкости (капли воды), твёрдых веществ (пыль, снег, град), аэрозолей.  

Глава 1. Происхождение атмосферы. 
 
Так как водород и гелий, – наиболее распространённые элементы в космосе, то они, несомненно, входили и в состав протопланетного газово-пылевого облака, из которого возникла Земля. Вследствие очень низкой температуры этого облака (10-20К) самая первая земная атмосфера (если для её удержания масса Земли была достаточна) только и могла состоять из водорода и гелия, так как все другие вещества, из которых слагалось облако, могли быть только в твёрдом состоянии. 
 
Затем последовал разогрев Земли: тепло порождалось гравитационным сжатием планеты и распадом внутри неё радиоактивных элементов. Это послужило стимулом двух процессов: постепенной диссипации водорода и гелия и дегазации мантии Земли. Земля потеряла водородно-гелиевую атмосферу и создала свою собственную первичную атмосферу из газов, выделившихся из её недр. По мнению А.П.Виноградова (1959), в этой атмосфере больше всего было Н2О, затем СО2, СО, НCl, HF, Н2S, N2, NH4Cl и CH4 (примерно таков же состав и современных вулканических газов). В.А.Соколов полагает, что здесь был также Н2 и NH3 (как и прочие соединения водорода, наследие водородной атмосферы самого первого этапа). Кислород отсутствовал. В атмосфере господствовали восстановительные условия. 
 
Следующий этап развития атмосферы был переходным – от абиогенного к биогенному, от востановительных условий к окислительным. Главными составными частями газовой оболочки Земли стали N2, CO2, CO, в качестве побочных примесей – СН4, О2. Кислород возникал, по-видимому, в результате диссоциации молекул воды в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетовых лучей Солнца; мог он выделяться и из тех окислов, из каких состояла земная кора. Но подавляющая часть его уходила вновь на окисление минералов земной коры (в докембрийских отложениях есть окислы железа и сульфатов кальция) или на окисление водорода и его соединений в атмосфере. Оттого свободного кислорода в атмосфере было мало. 
 
Последний этап развития атмосферы связан с появлением жизни на Земле и, стало быть, с возникновением механизма фотосинтеза. Постепенно содержание свободного кислорода – на этот раз биогенного – стало возрастать. Параллельно с этим атмосфера почти полностью потеряла двуокись углерода. Часть последнего вошла в огромные залежи угля и карбонатов; в карбонатных породах содержание СО2 в 15000 раз больше, чем в нынешней атмосфере (Рухин, 1959, с.277); если бы вернуть весь СО2 из карбонатов в атмосферу, то давление воздуха на поверхность Земли повысилось бы примерно в 40 раз. 
 
Таков путь от водородно-гелиевой атмосферы до современной, главную роль в которой играют теперь N2 и О2, а в качестве примесей присутствуют Ar и CO2. Современный азот тоже биогенного происхождения. Возраст образования кислородной атмосферы – 1,5 – 2,0 млрд. лет. 
 
Отсутствие кислорода в первичной атмосфере одно время считали условием, неблагоприятным для возникновения жизни, так как ультрафиолетовые лучи, не поглащаемые молекулами кислорода, беспрепятственно достигали земной поверхности. Но, как теперь выяснилось, именно под действием ультрафиолетовых лучей (опыты А.Н.Теренина и других учёных) мог весьма успешно происходить фотосинтез альдегидов и аминокислот из газов первобытной атмосферы (NH3, H2O, CH4, CO2); в дальнейшем, попав в воду, эти соединения защищались от жёсткой радиации слоем воды. 
 

Глава 2. Состав атмосферы. 
 
Воздух – смесь газов, отличающаяся, за исключением водяных паров, постоянством химического состава. В сухом воздухе у земной поверхности содержится (% по объёму): азот – 78,08; кислород – 20,96; аргон – 0,93; углекислый газ – 0,03. Есть в воз- духе и другие газы (криптон, ксенон, неон, гелий, водород, йод, радон, метан и некоторые другие), но их содержание ничтожно – тысячные и миллионные доли процента. Таким образом, химический состав воздуха, состоящего более чем на 3/4 из азота, резко отличен от земной коры, бедной азотом. 
 
Пять основных компонентов воздушной тропосферы – азот, кислород, аргон, углекислый газ, водяной пар – различны по своим свойствам, а отсюда – и функциональной роли в географической оболочке. Один из них – аргон – принадлежит к группе инертных газов и не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на процессы, протекающие в географической оболочке. 
 
Азот, самый распространённый газ в воздушной тропосфере, химически мало активен. Являясь составной частью белков и их производных, он, тем не менее, усваивается большинством живых организмов не непосредственно из воздуха, а посредством азотфиксирующих бактерий и водорослей.  
 
Кислород, в отличие от азота, химически очень активный элемент. И наличие большой массы свободного (несвязанного) кислорода в современной атмосфере представляется парадоксальным явлением. Парадокс этот находит объяснение в захоронении органического углерода в процессе фотосинтеза растений. Атмосфера питает кислородом воды океанов, озёр и рек. Специфическая функция кислорода – окисление органического вещества гетеротрофных организмов, горных пород и недоокислённых газов, выбрасываемых в атмосферу вулканами. Без кислорода не было бы разложения мёртвого органического вещества. 
 
Подсчёты показывают, что в результате фотосинтеза в атмосферу ежегодно поступает 20 * 1016г. кислорода. При общем его содержании в атмосфере 1,2 * 1021 г. время одного оборота массы О2 в атмосфере равно примерно 6 тыс. лет. 
 
^ Углекислого газа в атмосфере немного, но его роль в функционировании географической оболочки исключительно велика. Он представляет основной строительный материал для создания органического вещества при фотосинтезе: 
 
6СО2 + 6Н2О + Энергия = С6Н12О6 + О2. 
 
В процессе фотосинтеза используется углекислый газ не только атмосферы, но и океана. При деструкции органического вещества большая часть углекислого газа, затраченного на его создание, возвращается обратно в атмосферу и гидросферу. Меньшая часть его захороняется в земной коре в виде каменного угля, нефти, горючих газов и рассеянного органического вещества. Возникающий дисбаланс углекислого газа в атмосфере исправляется выносом его из недр Земли вулканами. 
 
Значение углекислого газа атмосферы для географической оболочки не ограничивается его участием в создании органического вещества. Важные последствия имеет свойство углекислого газа пропускать коротковолновую солнечную радиацию и поглощать часть теплового длинноволнового излучения, что создаёт так называемый парниковый эффект, выраженный в повышении температуры воздуха вблизи поверхности Земли. 
 
В нижних 20 км. содержится водяной пар. В отличие от других газов содержание водяного пара во влажном воздухе не постоянно и зависит от температуры воздуха и характера подстилающей поверхности. Его содержание у земной поверхности колеблется в среднем от 0,2% в полярных широтах до 2,5% в экваториальных. 
 
При оценке водяного пара следует иметь в виду, что он:

1.  
   поддерживает парниковый эффект, так как задерживает длинно- волновое тепловое излучение земной поверхности;
2.  
   представляет основное звено больших и малых круговоротов влаги;
3.  
   влияет на климат, повышая температуру воздуха при конденсации водяных паров.

 
Соотношение газов в сухом воздухе в тропосфере почти не изменяется с высотой. Что касается водяного пара, то его процентное содержание с высотой уменьшается. 
 
На высоте 20 – 30 км. («озоновая завеса») расположен слой озона (О3). Озон образуется под действием ультрафиолетовых лучей Солнца, и хотя общее количество его незначительно, играет важную роль в атмосфере. Озон обладает способностью поглощать ультрафиолетовую радиацию Солнца и тем самым предохраняет животный и растительный мир от её губительного действия.

Глава 3. Строение атмосферы. 
 
Атмосфера простирается вверх на много сотен километров. Верхняя её граница, на высоте около 2000 – 3000 км, в известной мере условна, так как газы, её составляющие, постепенно разрежаясь, переходят в мировое пространство. С высотой меняются химический состав атмосферы, давление, плотность, температура и другие её физические свойства. Химический состав воздуха до высоты 100 км. существенно не меняется. Несколько выше атмосфера также состоит главным образом из азота и кислорода. Но на высотах 100 – 110 км., под действием ультрафиолетовой радиации солнца, молекулы кислорода расщепляются на атомы и появляется атомарный кислород. Выше 110 – 120 км. кислород почти весь становится атомарным. Предполагается, что выше 400 – 500 км. газы, составляющие атмосферу, также находится в атомарном состоянии. 
 
Давление и плотность воздуха с высотой быстро уменьшаются. Хотя атмосфера простирается вверх на сотни километров, основная масса её размещается в довольно тонком слое, прилегающем к поверхности земли в самых нижних её частях. Так, в слое между уровнем моря и высотами 5 – 6 км. сосредоточена половина массы атмосферы, в слое 0 – 16 км. – 90%, а в слое 0 – 30 км. – 99%. Такое же быстрое уменьшение массы воздуха происходит выше 30 км. Если вес 1 м³ воздуха у поверхности земли равен 1033 г., то на высоте 20 км. он равен 43 г., а на высоте 40 км. лишь 4 г.  
 
На высоте 300 – 400 км. и выше воздух настолько разрежён, что в течение суток плотность его изменяется во много раз. Исследования показали, что это изменение плотности связано с положением Солнца. Наибольшая плотность воздуха около полудня, наименьшая – ночью. Объясняется это отчасти тем, что верхние слои атмосферы реагируют на изменение электромагнитного излучения Солнца. 
 
Изменение температуры воздуха с высотой происходит также неодинаково. По характеру изменения температуры с высотой атмосфера делится на несколько сфер, между которыми располагаются переходные слои, так называемые паузы, где температура с высотой мало изменяется. 
 
В таблице приведены наименования и главные характеристики сфер и переходных слоёв:

3.1.Тропосфера. 

Физические свойства тропосферы в значительной степени определяются влиянием земной поверхности, которая является её нижней границей. Наибольшая высота тропосферы наблюдается в экваториальной и тропической зонах. Здесь она достигает 16 – 18 км. и сравнительно мало подвергается суточным и сезонным изменениям. Над приполюсными и смежными областями верхняя граница тропосферы лежит в среднем на уровне 8 – 10 км. В средних широтах она колеблется от 6 – 8 до 14 – 16 км. 
 
В тропосфере сосредоточено более ⁴/₅ массы земной атмосферы и почти весь содержащийся в ней водяной пар. Кроме того, от поверхности земли до верхней границы тропосферы температура понижается в среднем на 0,65° на каждые 100 м. Это объясняется тем, что воздух в тропосфере нагревается и охлаждается преимущественно от поверхности земли. 
 
В соответствии с притоком солнечной энергии температура понижается от экватора к полюсам. Так, средняя температура воздуха у поверхности земли на экваторе достигает +26^о, над полярными областями зимой -34°, -36°, а летом около 0°С. Таким образом, разность температур экватор – полюс зимой составляет 60°, а летом лишь 26°. 
 
 
 

3.2. Стратосфера. 

Простирается от высот 8 – 17 до 50 – 55 км. Она была открыта в начале нашего века. По физическим свойствам стратосфера резко отличается от тропосферы уже тем, что темпера- тура воздуха здесь, как правило, повышается в среднем на 1°–2° на километр поднятия и на верхней границе, на высоте 50 – 55 км, становится даже положительной: +10^о. Повышение температуры в этой сфере вызвано наличием здесь озона (О₃), который образуется под влиянием ультрафиолетовой радиации Солнца. Слой озона занимает почти всю стратосферу. Этот слой, границы которого приблизительно соответствуют границам стратосферы, называют озоносферой. Это слой 10 – 60 км, содержащий озон с максимумом на высоте 22- 25 км. 
 
Количество озона неодинаково над различными частями Земли. Озона больше в высоких широтах, меньше в средних и низких широтах и изменяется это количество в зависимости от смены сезонов года. Весной озона больше, осенью меньше. Кроме того, происходят непериодические его колебания в зависимости от горизонтальной и вертикальной циркуляции атмосферы. Многие атмосферные процессы тесно связаны с содержанием озона, так как он оказывает непосредственное влияние на поле температуры. 
 
Зимой, в условиях полярной ночи, в высоких широтах в слое озона происходит излучение и охлаждение воздуха. В результате в стратосфере высоких широт (в Арктике и Антарктике) зимой формируется область холода, стратосферный циклонический вихрь с большими горизонтальными градиентами температуры и давления, обуславливающий западные ветры над средними широтами земного шара. 
 
Летом, в условиях полярного дня, в высоких широтах в слое озона происходит поглощение солнечного тепла и прогревание воздуха. В результате повышения температуры в стратосфере высоких широт формируется область тепла и стратосферный анти- циклонический вихрь. Поэтому над средними широтами земного шара выше 20 км. летом в стратосфере преобладают восточные ветры, с максимальными скоростями до 70 м/с. на высоте 55–60 км. 
 
Стратосфера очень бедна водяным паром. Здесь не происходит бурных процессов облакообразования и не выпадают осадки. 
 
Ещё совсем недавно предполагали, что стратосфера является сравнительно спокойной средой, где не происходит перемешивания воздуха, как в тропосфере. Поэтому считали, что газы в стратосфере разделены по слоям, в соответствии со своими удельными весами. Отсюда и название стратосферы («стратус» – слоистый). Полагали также, что температура в стратосфере формируется под действием лучистого равновесия, т.е. при равенстве поглощённой и отражённой радиации. 
 
Новые данные, полученные с помощью радиозондов и метеорологических ракет, показали, что в стратосфере, как и в верхней тропосфере, осуществляется интенсивная циркуляция воздуха с большими изменениями температуры и ветра. Здесь, как и в тропосфере, воздух испытывает значительные вертикальные перемешивания, турбулентные движения при сильных горизонталь- ных воздушных течениях. Всё это – результат неоднородного распределения температуры. 
 
Переходным слоем между стратосферой и вышележащей сферой является стратопауза.  
 

3.3. Мезосфера. 

Наблюдениями с помощью метеорологических ра-кет и другими способами установлено, что общее повышение температуры, наблюдающееся в стратосфере, заканчивается на высотах 50 – 55 км. Выше этого слоя температура вновь понижается и у верхней границы мезосферы (около 80 км.) достигает -75°,-90°. Давление воздуха вверху мезосферы примерно в 200 раз меньше, чем у земной поверхности. На уровне 80 км. от поверхности Земли заключено свыше 99,5% всей массы атмосферы. Далее вновь происходит повышение температуры с высотой. 
 
Интересно отметить, что характерное для мезосферы понижение температуры с высотой происходит неодинаково на различных широтах и в течение года. В низких широтах падение температуры происходит более медленно, чем в высоких: средний для мезосферы вертикальный градиент температуры равен соответственно 0,23°— 0,31° на 100 м. или 2,3°— 3,1° на 1 км. Летом он значительно больше, чем зимой. Как показали новейшие исследования в высоких широтах, температура на верхней границе мезосферы летом на несколько десятков градусов ниже, чем зимой. 
 
В верхней мезосфере на высоте около 80 км. в слое мезопаузы понижение температуры с высотой прекращается и начинается её повышение. Здесь под инверсионным слоем в сумерки или перед восходом солнца при ясной погоде наблюдаются блестящие тонкие облака, освещенные солнцем, находящимся за горизонтом. На темном фоне неба они светятся серебристо-синим светом. Поэтому эти облака названы серебристыми. 
 
Природа серебристых облаков ещё недостаточно изучена. Долгое время полагали, что они состоят из вулканической пыли. Однако отсутствие оптических явлений, свойственных настоящим вулканическим облакам, привело к отказу от этой гипотезы. Затем было высказано предположение, что, серебристые облака состоят из космической пыли. В последние годы предложена гипотеза, согласно которой эти облака состоят из ледяных кристаллов, подобно обычным перистым облакам. Уровень расположения се- ребристых облаков определяется задерживающим слоем в связи с инверсией температуры ¹ при переходе из мезосферы в термосферу на высоте около 80 км. Так как в подынверсионном слое температура достигает -80° и ниже, то здесь создаются наиболее благоприятные условия для конденсации водяного пара, который попадает сюда из стратосферы в результате вертикального движения или путём турбулентной диффузии. Серебристые облака обычно наблюдаются в летний период, иногда в очень большом количестве и в течение нескольких месяцев. 
 
Наблюдениями за серебристыми облаками установлено, что летом на их уровне ветры обладают большой изменчивостью. Скорости ветра колеблются в больших пределах: от 50—100 до нескольких сотен километров в час.  
 
¹ Инверсией температуры в атмосфере называется слой воздуха, где температура с высотой повышается вместо обычного понижения.