Atmosfēra. Zemes atmosfēras uzbūve un sastāvs. Atmosfēras sastāvs un struktūra Cik daudz slāpekļa ir atmosfērā

Slāpeklis- Zemes atmosfēras galvenais elements. Tās galvenā loma ir regulēt oksidācijas ātrumu, atšķaidot skābekli. Tādējādi slāpeklis ietekmē bioloģisko procesu ātrumu un intensitāti.

Ir divi savstarpēji saistīti veidi, kā iegūt slāpekli no atmosfēras:

• 1) neorganisks,
• 2) bioķīmiski.

1. attēls. Ģeoķīmiskais slāpekļa cikls (V.A. Vronskis, G.V. Voitkevičs)

Slāpekļa neorganiskā ekstrakcija no atmosfēras

Atmosfērā elektrisko izlāžu ietekmē (pērkona negaisa laikā) vai fotoķīmisko reakciju procesā (saules starojums) veidojas slāpekļa savienojumi (N 2 O, N 2 O 5, NO 2, NH 3 utt.) . Šie savienojumi, izšķīdinot lietus ūdenī, kopā ar nokrišņiem nokrīt zemē, iekrītot augsnē un ūdenī.

Bioloģiskā slāpekļa fiksācija

Atmosfēras slāpekļa bioloģiskā saistīšanās tiek veikta:

• - augsnē - mezgliņu baktērijas simbiozē ar augstākiem augiem,
• - ūdenī - planktona mikroorganismi un aļģes.

Bioloģiski saistītā slāpekļa daudzums ir daudz lielāks nekā neorganiski fiksētā slāpekļa daudzums.

Kā slāpeklis nokļūst atmosfērā?

Daudzu mikroorganismu iedarbības rezultātā dzīvo organismu atliekas sadalās. Šajā procesā slāpeklis, kas ir daļa no organismu proteīniem, tiek pakļauts virknei transformāciju:

• - olbaltumvielu sadalīšanās procesā veidojas amonjaks un tā atvasinājumi, kas pēc tam nonāk okeānu gaisā un ūdenī,
• - tālāk amonjaku un citu slāpekli saturošu vielu organiskie savienojumi baktēriju ietekmē Nitrosomonas un nitrobaktērijas veido dažādus slāpekļa oksīdus (N 2 O, NO, N 2 O 3 un N 2 O 5). Šo procesu sauc nitrifikācija,
• - Slāpekļskābe mijiedarbojoties ar metāliem, tas dod sāļus. Šiem sāļiem uzbrūk denitrificējošās baktērijas,
• - procesā denitrifikācija veidojas elementārais slāpeklis, kas atgriežas atmosfērā (piemērs ir pazemes gāzes strūklas, kas sastāv no tīra N 2).

Kur atrodams slāpeklis?

Slāpeklis atmosfērā nonāk vulkāna izvirdumu laikā amonjaka veidā. Nokļūstot atmosfēras augšējos slāņos, amonjaks (NH 3) oksidējas un izdala slāpekli (N 2).

Slāpeklis ir arī aprakts nogulumos klintis un lielos daudzumos ir sastopams bitumena atradnēs. Tomēr šis slāpeklis atmosfērā nonāk arī šo iežu reģionālās metamorfozes laikā.

• Tādējādi galvenais slāpekļa klātbūtnes veids uz mūsu planētas virsmas ir molekulārais slāpeklis (N 2) Zemes atmosfēras sastāvā.

Vismaz atmosfēras, tā izcelsme ir parādā ne tik daudz Saulei, cik dzīvības procesiem. Pastāv pārsteidzoša neatbilstība starp elementa Nr.7 saturu litosfērā (0,01%) un atmosfērā (75,6% pēc masas vai 78,09% pēc tilpuma). Kopumā mēs dzīvojam slāpekļa atmosfērā, kas ir mēreni bagātināta ar skābekli.

Tikmēr ne uz citām Saules sistēmas planētām, ne komētu vai citu aukstu kosmisko objektu sastāvā brīvs nav atrasts. Ir tā savienojumi un radikāļi - CN*, NH*, NH*2, NH*3, bet slāpekļa nav. Tiesa, Venēras atmosfērā ir reģistrēti aptuveni 2% slāpekļa, taču šis skaitlis vēl jāapstiprina.

Tiek uzskatīts, ka arī Zemes primārajā atmosfērā nebija 7. elementa. Kur tad viņš ir gaisā? Acīmredzot mūsu planētas atmosfēra sākotnēji sastāvēja no gaistošām vielām, kas veidojās zemes zarnās: H2, H2O, CO2, CH4, NH3. Brīvs, ja izplūst kā vulkāniskās aktivitātes produkts, pārvēršas amonjakā. Apstākļi tam bija vispiemērotākie: ūdeņraža pārpalikums, paaugstināta temperatūra - Zemes virsma vēl nebija atdzisusi. Tātad, ko tas nozīmē, ka slāpeklis vispirms atradās atmosfērā amonjaka veidā? Acīmredzot tā. Atcerēsimies šo faktu.

Bet tad radās dzīvība ... Vladimirs Ivanovičs Vernadskis apgalvoja, ka "zemes gāzes apvalks, mūsu gaiss, ir dzīvības radīšana". Tā bija dzīve, kas iedarbināja apbrīnojamo fotosintēzes mehānismu. Viens no šī procesa galaproduktiem - brīvais sāka aktīvi kombinēties ar amonjaku, atbrīvojot molekulāro slāpekli:

Fotosintēze

CO2 + 2H2O → HCO + NaO + O2;

4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O

Un slāpeklis, kā jūs zināt, normālos apstākļos nereaģē viens ar otru, kas ļāva zemes gaisam saglabāt sastāva "status quo". Ņemiet vērā, ka hidrosfēras veidošanās laikā ievērojama daļa amonjaka varēja būt izšķīdināta ūdenī.

Mūsdienās galvenais N2 avots atmosfērā ir vulkāniskās gāzes.

Ja pārraujat trīskāršo saiti...

Iznīcinot saistītā aktīvā slāpekļa neizsīkstošās rezerves, Dzīvā daba nostādīja sevi problēmas priekšā: kā saistīt slāpekli.Brīvā, molekulārā stāvoklī tas, kā zināms, izrādījās ļoti inerts. Iemesls tam ir tā trīskāršā molekula: N≡N.

Parasti šādas daudzveidības saites ir nestabilas. Atcerēsimies klasisks piemērs acetilēns: NS≡ CH. Tās molekulas trīskāršā saite ir ļoti trausla, kas izskaidro šīs gāzes neticamo ķīmisko aktivitāti. Bet slāpeklim šeit ir skaidra anomālija: tas trīskāršā saite veido stabilāko no visām zināmajām diatomu molekulām. Lai pārtrauktu šo saikni, ir jāpieliek daudz pūļu. Piemēram, rūpnieciskai amonjaka sintēzei nepieciešams spiediens, kas lielāks par 200 atm un temperatūra virs 500°C, un pat obligāta katalizatoru klātbūtne... Atrisinot slāpekļa fiksācijas problēmu, dabai bija jāizveido nepārtraukta ražošana. slāpekļa savienojumu ar pērkona negaisa metodi.

Statistika liecina, ka mūsu planētas atmosfērā katru gadu iespēr vairāk nekā trīs miljardi zibens. Atsevišķu izlāžu jauda sasniedz 200 miljonus kilovatu, savukārt gaiss tiek uzkarsēts (protams, lokāli) līdz 20 tūkstošiem grādu. Šādā drausmīgā temperatūrā skābekļa un slāpekļa molekulas sadalās atomos, kas, viegli reaģējot savā starpā, veido trauslu slāpekļa oksīdu:

N2 + O2 → 2NO

Pateicoties ātrai dzesēšanai (zibens izlāde ilgst desmit tūkstošdaļas), slāpekļa oksīds nesadalās un ar atmosfēras skābekli brīvi oksidējas līdz stabilākam dioksīdam.

2NO + O2 → 2NO2.

Atmosfēras mitruma un lietus pilienu klātbūtnē slāpekļa dioksīds tiek pārveidots par slāpekļskābi:

3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO

Tātad, nonākot zem svaiga pērkona lietus, mēs iegūstam iespēju peldēties vājā slāpekļskābes šķīdumā. Iekļūstot augsnē, atmosfēra ar savām vielām veido dažādus dabiskos mēslojumus.

Slāpeklis atmosfērā tiek fiksēts arī ar fotoķīmiskiem līdzekļiem: absorbējusi gaismas kvantu, N2 molekula pāriet uzbudinātā, aktivētā stāvoklī un kļūst spējīga savienoties ar skābekli.

6. lapa no 10

Slāpekļa loma Zemes atmosfērā.

Slāpeklis ir galvenais Zemes atmosfēras elements. Tās galvenā loma ir regulēt oksidācijas ātrumu, atšķaidot skābekli. Tādējādi slāpeklis ietekmē bioloģisko procesu ātrumu un intensitāti.

Ir divi savstarpēji saistīti veidi, kā iegūt slāpekli no Zemes atmosfēras:

• 1) neorganisks,
• 2) bioķīmiski.

1. attēls. Ģeoķīmiskais slāpekļa cikls (V.A. Vronskis, G.V. Voitkevičs)

Slāpekļa neorganiskā ieguve no Zemes atmosfēras.

Zemes atmosfērā elektrisko izlāžu ietekmē (pērkona negaisa laikā) vai fotoķīmisko reakciju procesā (saules starojums) veidojas slāpekļa savienojumi (N 2 O, N 2 O 5, NO 2, NH 3 u.c.). ). Šie savienojumi, izšķīdinot lietus ūdenī, kopā ar nokrišņiem nokrīt zemē, iekrītot augsnē un okeānu ūdenī.

Bioloģiskā slāpekļa fiksācija

Atmosfēras slāpekļa bioloģiskā saistīšanās tiek veikta:

• - augsnē - mezgliņu baktērijas simbiozē ar augstākiem augiem,
• - ūdenī - planktona mikroorganismi un aļģes.

Bioloģiski saistītā slāpekļa daudzums ir daudz lielāks nekā neorganiski fiksētā slāpekļa daudzums.

Kā slāpeklis nokļūst atpakaļ Zemes atmosfērā?

Daudzu mikroorganismu iedarbības rezultātā dzīvo organismu atliekas sadalās. Šajā procesā slāpeklis, kas ir daļa no organismu proteīniem, tiek pakļauts virknei transformāciju:

• - olbaltumvielu sadalīšanās procesā veidojas amonjaks un tā atvasinājumi, kas pēc tam nonāk okeānu gaisā un ūdenī,
• - turpmāk amonjaks un citi slāpekli saturoši organiskie savienojumi Nitrosomonas baktēriju un nitrobaktēriju ietekmē veido dažādus slāpekļa oksīdus (N 2 O, NO, N 2 O 3 un N 2 O 5). Šo procesu sauc nitrifikācija,
• Slāpekļskābe reaģē ar metāliem, veidojot sāļus. Šiem sāļiem uzbrūk denitrificējošās baktērijas,
• - procesā denitrifikācija veidojas elementārais slāpeklis, kas atgriežas atmosfērā (piemērs ir pazemes gāzes strūklas, kas sastāv no tīra N 2).

Kur atrodams slāpeklis?

Slāpeklis nonāk Zemes atmosfērā ar vulkāna izvirdumiem amonjaka veidā. Nokļūstot atmosfēras augšējos slāņos, amonjaks (NH 3) oksidējas un izdala slāpekli (N 2).

Slāpeklis ir aprakts arī nogulumiežu iežos un lielos daudzumos ir atrodams bitumena nogulsnēs. Tomēr šis slāpeklis atmosfērā nonāk arī šo iežu reģionālās metamorfozes laikā.

• Tādējādi galvenais slāpekļa klātbūtnes veids uz mūsu planētas virsmas ir molekulārais slāpeklis (N 2) Zemes atmosfēras sastāvā.

Šis bija raksts Slāpeklis Zemes atmosfēras sastāvā - saturs atmosfērā ir 78%. ". Lasi tālāk: « Skābeklis Zemes atmosfēras sastāvā - saturs atmosfērā ir 21%.«

Raksti par tēmu "Zemes atmosfēra":

• Zemes atmosfēras ietekme uz cilvēka ķermeni, palielinoties augstumam.
• Zemes atmosfēras augstums un robežas.

Slāpeklis ir vidēji aktīvs elements, kas vāji reaģē ar dabīgiem neorganiskiem savienojumiem. Tāpēc pastāv liela varbūtība, ka ievērojams daudzums šīs gāzes atradās primārajā atmosfērā. Šajā gadījumā ievērojama daļa mūsdienu atmosfēras slāpekļa ir relikts, kas saglabājies kopš Zemes veidošanās aptuveni pirms 4,6 miljardiem gadu, lai gan citu daļu no mantijas varētu atgāzēt jau ģeoloģiskās attīstības stadijā. mūsu planēta. Jāņem vērā, ka līdz ar dzīvības parādīšanos uz Zemes pirms aptuveni 4,0-3,8 miljardiem gadu šī gāze pastāvīgi saistījās organiskajās vielās un aprakta okeāna nogulumos un pēc dzīvības parādīšanās uz sauszemes (apmēram pirms 400 milj. ) - un kontinentālajās atradnēs. Tāpēc organismu dzīvībai svarīgā darbība sauszemes dzīvības attīstības ilgajā laikā varētu būtiski samazināt slāpekļa daļējo spiedienu. zemes atmosfēra tādējādi mainot Zemes klimatu. Aprēķinot slāpekļa absorbcijas efektu, jāņem vērā, ka okeāna nogulumu organiskais slāpeklis (Norg) kopā ar nogulumiem pastāvīgi tika izvadīts no okeāniem caur okeāna garozas drūzmēšanās zonām Arhejā vai caur plātņu zemspiedes zonām. proterozojs un fanerozojs. Pēc tam tas daļēji tika iekļauts kontinentālās garozas granīta-metamorfajos iežos vai iegāja mantijā, bet daļēji atkal degazējās un atkal iekļuva atmosfērā.

Acīmredzot papildus atmosfēras slāpekļa fiksācijas biogēnajam procesam ir diezgan efektīvs tāda paša virziena abiogēns mehānisms. Tātad, saskaņā ar J. Jung un M. McElroy aprēķiniem (Yung, McElroy, 1979), slāpekļa un slāpekļskābes veidošanās dēļ elektrisko izlāžu laikā mitrā gaisā var notikt slāpekļa fiksācija augsnēs pērkona negaisa laikā.

Aplēst no atmosfēras izvadītā slāpekļa daudzumu ir grūti, bet iespējams. Slāpekļa saturs nogulumiežu iežos parasti ir tieši saistīts ar tajos aprakto koncentrāciju organiskais ogleklis. Tāpēc okeāna nogulumos aprakto slāpekļa daudzumu acīmredzot var novērtēt pēc datiem par tajos apraktā organiskā oglekļa masu, Corg. Lai to izdarītu, jums tikai jānosaka proporcionalitātes koeficients starp H org un C org. Atklātā okeāna dibena nogulumos Corg:Norg:Porg ir aptuveni vienāds ar 106:20:0,91 (Lisitsyn and Vinogradov, 1982), bet līdz 80% slāpekļa ātri atstāj organisko vielu, tāpēc nokrišņos ir Corg:Norg attiecība. tas var palielināties līdz 1: 0,04. Saskaņā ar G. Faure (1989) šī attiecība nogulumos ir aptuveni 1:0,05. Pieņemsim, pēc A. B. Ronova un A. A. Jaroševska (1978, 1993) datiem, ka aptuveni (2,7-2,86) × 10 kontinentu nogulumi - apmēram (9,2-8,09) × 10 21 g C org. Sekojot G. Forē, mēs paņēmām attiecību Corg: Norg vērtības tuvu 20:1, tad Horga saturs okeāna dibena nogulumos un plauktos ir aptuveni vienāds ar 1,36 × 10 20 g un kontinentālajā. nogulumi - 5,0 × 10 20

Kā pirmo tuvinājumu pieņemsim, ka dzīvības attīstību okeānā ierobežo izšķīdušā fosfora saturs okeāna ūdeņos un tā koncentrācija laika gaitā mainījās nenozīmīgi (Schopf, 1982). No tā izriet, ka okeāna biomasa vienmēr ir saglabājusies aptuveni proporcionāls masaiūdens pašā okeānā. Ūdens masas attīstība Pasaules okeānā tika aplūkota attēlā. 112, 2. līkne). Ņemot vērā pieņēmumu par okeānos esošās biomasas proporcionalitāti pašu okeāna ūdeņu masai, ir iespējams aptuveni ņemt vērā Norga izvadīšanu kopā ar okeāna nogulumiem caur litosfēras plākšņu drūzmēšanās un subdukcijas zonām. Zemes ģeoloģiskās attīstības laikā. Atbilstoši aprēķini (Sorokhtin, Ushakov, 1998) parādīja, ka Zemes ģeoloģiskās attīstības laikā (t.i. pēdējo 3,8-4 miljardu gadu laikā) aplūkojamā procesa dēļ no Zemes tika izņemti aptuveni 19,2 × 10 20 g slāpekļa. atmosfēra. Šim slāpekļa daudzumam jāpievieno vēl viena Norg masa ≈ 5,0 × 10 20 g, kas saglabājusies kontinentu nogulumos un uzkrājusies tur aptuveni 400 miljonu gadu laikā. Tādējādi kopumā Zemes dzīves laikā no tās atmosfēras tika izņemti aptuveni 24,2 × 10 20 g slāpekļa, kas ir līdzvērtīgs atmosfēras spiediena samazinājumam par 474 mbar (salīdzinājumam - slāpekļa daļējais spiediens mūsdienu apstākļos atmosfēra ir 765 mbar).

Apskatīsim divus galējos gadījumus. Vispirms pieņemsim, ka slāpekļa degazēšana no mantijas vispār nenotika, tad var noteikt sākotnējo Zemes atmosfēras efektīvo spiedienu katarhejā (ti, 4,6-4,0 miljardu gadu intervālā). Izrādās, ka tas ir aptuveni vienāds ar 1,23 bāriem (1,21 atm).

Otrajā gadījumā mēs pieņemsim, kā tas tika darīts (Sorokhtins un Ušakovs, 1991), ka gandrīz viss atmosfērā esošais slāpeklis ir degazēts no mantijas pēdējo 4 miljardu gadu laikā. Slāpekļa degazācijas process no mantijas tika aprēķināts, izmantojot izteiksmes (29) un (30), ņemot vērā, ka atmosfērā šobrīd ir 3,87 × 10 21 g slāpekļa, tā saturs iežos un nogulumos sasniedz 3,42 × 10 20 g, un slāpekļa apvalkā aptuveni 4,07 × 10 21 g (Sorokhtins, Ušakovs, 1998). Slāpekļa mobilitātes indeksam laika gaitā nevajadzētu mainīties, un tas bija aptuveni vienāds ar χ(N 2) ≈ 0,934. Aprēķinot slāpekļa uzkrāšanos Zemes ārējās ģeosfērās, iegūtie rezultāti tika koriģēti attiecībā uz šīs gāzes uzsūkšanos organiskajās vielās un ierakšanos iežos un nogulumos. Atlikusī daļa raksturoja slāpekļa masas evolūciju Zemes atmosfērā tā pilnīgas degazācijas apstākļos no mantijas.

Pēc tam abiem variantiem tika aprēķinātas slāpekļa parciālā spiediena evolūcijas līknes zemes atmosfērā (117. att., 1. un 3. līkne). Reālajam šī spiediena izmaiņu attēlam tad būtu jāatbilst kādai starplīknei, kuras stāvokli var noteikt, tikai izmantojot Papildus informācija atbilstoši Zemes klimatam, kas pastāvēja iepriekšējos ģeoloģiskajos laikmetos. Šāds atskaites punkts, piemēram, var būt informācija par kontinentu grandiozākā apledojuma attīstību proterozoika sākumā, apmēram pirms 2,5-2,3 miljardiem gadu. Kā parādīts nodaļā. 8, kontinentālās masas toreiz atradās zemos platuma grādos (sk. 98. att.), bet tajā pašā laikā tās atradās augstu virs okeāna līmeņa (ar vidējiem augstumiem aptuveni 4-3 km). Tāpēc šāda apledošana varētu notikt tikai tad, ja vidējā temperatūra zemes virsma jūras līmenī tad nepārsniedza +6 ... +7 ° С, t.i. bija aptuveni 280 K.

117. attēls.
1 - saskaņā ar hipotēzi par slāpekļa atmosfēras pārākumu; 2 - pieņemts variants; 3 - saskaņā ar hipotēzi par slāpekļa atmosfēras degazēšanu no mantijas.

98. attēls.
1, tillīti un tilloīdi; 2, konsolidēta kontinentālā garoza; bultiņas uz Kanādas vairoga parāda atklātos ledāju ēnojuma virzienus; baltā krāsā - apledojuma laukums. Av - Austrālija; CAm un UAm - Ziemeļamerika un Dienvidamerika; An - Antarktīda; ZAF - Rietumāfrika; Af - Āfrika; Ev - Eiropa; Ying - Indija; K - Ķīnas ziemeļi un dienvidi; Sestdien - Sibīrija.

Tālāk tiks parādīts, ka agrajā proterozoika atmosfērā praktiski bija tikai slāpeklis ar nelielu argona piedevu, savukārt skābekļa un oglekļa dioksīda parciālais spiediens nepārsniedza attiecīgi 10 -6 un 10 -2 atm, un Saules enerģija. konstante bija S = 1,14 × 10 6 erg / cm 2 × s. Pieņemot, ka šajā aukstajā laikmetā T s ≈ 280 K ≈ 7 °С, mēs saskaņā ar adiabātisko teoriju, siltumnīcas efekts aprakstīts zemāk, konstatēja, ka slāpekļa atmosfēras spiediens tajā laikā bija aptuveni vienāds ar p N 2 = 1,09 atm, savukārt saskaņā ar hipotēzi par slāpekļa atmosfēras pārākumu tajā laikā vajadzēja būt p N 2 ≈ 1,19 atm. tajā laikā, un saskaņā ar hipotēzi slāpeklis pilnībā degazēts no mantijas p N 2 ≈ 0,99 atm. Tas parāda, ka mūsdienu atmosfēras slāpeklis ir aptuveni 54% no reliktās gāzes un tikai 46% ir degazēti no mantijas, un visticamākā slāpekļa spiediena evolūcijas likumsakarība Zemes atmosfērā ir parādīta attēlā. 117, 2. līkne.

Jāsaka, ka Zemes atmosfēras struktūra un sastāvs ne vienmēr bija nemainīgas vērtības vienā vai citā mūsu planētas attīstības periodā. Mūsdienās šī elementa vertikālo struktūru, kuras kopējais "biezums" ir 1,5-2,0 tūkstoši km, attēlo vairāki galvenie slāņi, tostarp:

1. Troposfēra.
2. tropopauze.
3. Stratosfēra.
4. Stratopauze.
5. mezosfēra un mezopauze.
6. Termosfēra.
7. eksosfēra.

Atmosfēras pamatelementi

Troposfēra ir slānis, kurā tiek novērotas spēcīgas vertikālas un horizontālas kustības, tieši šeit ir laika apstākļi, nokrišņu parādības, klimatiskie apstākļi. Tas stiepjas 7-8 kilometrus no planētas virsmas gandrīz visur, izņemot polāros apgabalus (tur - līdz 15 km). Troposfērā notiek pakāpeniska temperatūras pazemināšanās, aptuveni 6,4 ° C ar katru augstuma kilometru. Šis skaitlis var atšķirties dažādos platuma grādos un gadalaikos.

Zemes atmosfēras sastāvu šajā daļā attēlo šādi elementi un to procentuālais daudzums:

Slāpeklis - apmēram 78 procenti;

Skābeklis - gandrīz 21 procents;

Argons - apmēram viens procents;

Oglekļa dioksīds - mazāk nekā 0,05%.

Viena kompozīcija līdz 90 kilometru augstumam

Turklāt šeit atrodami putekļi, ūdens pilieni, ūdens tvaiki, sadegšanas produkti, ledus kristāli, jūras sāļi, daudzas aerosola daļiņas u.c.. Šāds Zemes atmosfēras sastāvs tiek novērots līdz aptuveni deviņdesmit kilometru augstumam, tāpēc gaiss ķīmiskajā sastāvā ir aptuveni vienāds ne tikai troposfērā, bet arī augšējos slāņos. Bet tur atmosfēra ir principiāli atšķirīga. fizikālās īpašības. Slānis, kuram ir kopīgs ķīmiskais sastāvs sauc par homosfēru.

Kādi citi elementi atrodas Zemes atmosfērā? Procentos (pēc tilpuma, sausā gaisā) tādas gāzes kā kriptons (apmēram 1,14 x 10 -4), ksenons (8,7 x 10 -7), ūdeņradis (5,0 x 10 -5), metāns (apmēram 1,7 x 10 -7). 4), slāpekļa oksīds (5,0 x 10 -5) utt. Pēc uzskaitīto komponentu masas procentiem visvairāk ir slāpekļa oksīds un ūdeņradis, kam seko hēlijs, kriptons u.c.

Dažādu atmosfēras slāņu fizikālās īpašības

Troposfēras fizikālās īpašības ir cieši saistītas ar tās piesaisti planētas virsmai. No šejienes atstarotais saules siltums infrasarkano staru veidā tiek nosūtīts atpakaļ uz augšu, ieskaitot siltuma vadīšanas un konvekcijas procesus. Tāpēc temperatūra pazeminās līdz ar attālumu no zemes virsmas. Šāda parādība tiek novērota līdz stratosfēras augstumam (11-17 kilometri), tad temperatūra praktiski nemainās līdz 34-35 km līmenim, un tad atkal notiek temperatūras paaugstināšanās līdz 50 kilometru augstumam ( stratosfēras augšējā robeža). Starp stratosfēru un troposfēru ir plāns tropopauzes starpslānis (līdz 1-2 km), kur tiek novērota nemainīga temperatūra virs ekvatora - apmēram mīnus 70 ° C un zemāk. Virs poliem tropopauze vasarā "uzsilst" līdz mīnus 45°C, ziemā temperatūra šeit svārstās ap -65°C.

Zemes atmosfēras gāzes sastāvs ietver tik svarīgu elementu kā ozons. Tās virsmas tuvumā ir salīdzinoši maz (desmit līdz mīnus sestā procenta jauda), jo gāze veidojas saules gaismas ietekmē no atomu skābekļa atmosfēras augšējos rajonos. Jo īpaši lielākā daļa ozona atrodas aptuveni 25 km augstumā, un viss "ozona ekrāns" atrodas apgabalos no 7-8 km polu reģionā, no 18 km pie ekvatora un līdz piecdesmit kilometriem. kopumā virs planētas virsmas.

Atmosfēra pasargā no saules starojuma

Gaisa sastāvam Zemes atmosfērā ir ļoti liela nozīme dzīvības saglabāšanā, jo individuāli ķīmiskie elementi un kompozīcijas veiksmīgi ierobežo saules starojuma piekļuvi zemes virsmai un uz tās dzīvojošiem cilvēkiem, dzīvniekiem un augiem. Piemēram, ūdens tvaiku molekulas efektīvi absorbē gandrīz visus infrasarkanā starojuma diapazonus, izņemot garumus diapazonā no 8 līdz 13 mikroniem. Savukārt ozons absorbē ultravioleto starojumu līdz 3100 A viļņa garumam. Bez tā plānā slāņa (vidēji 3 mm, ja to novieto uz planētas virsmas), tikai ūdens, kas atrodas vairāk nekā 10 metru dziļumā un pazemes alas, kur saules starojums nesasniedz, var apdzīvot..

Nulle pēc Celsija stratopauzē

Starp nākamajiem diviem atmosfēras līmeņiem, stratosfēru un mezosfēru, atrodas ievērojams slānis - stratopauze. Tas aptuveni atbilst ozona maksimumu augstumam un šeit ir vērojama cilvēkiem salīdzinoši ērta temperatūra - ap 0°C. Virs stratopauzes mezosfērā (sākas kaut kur 50 km augstumā un beidzas 80-90 km augstumā) atkal notiek temperatūras pazemināšanās, palielinoties attālumam no Zemes virsmas (līdz mīnus 70-80 °). C). Mezosfērā meteori parasti pilnībā izdeg.

Termosfērā - plus 2000 K!

Zemes atmosfēras ķīmiskais sastāvs termosfērā (sākas pēc mezopauzes no aptuveni 85-90 līdz 800 km augstuma) nosaka tādas parādības iespējamību kā ļoti retināta "gaisa" slāņu pakāpeniska sasilšana saules enerģijas ietekmē. starojums. Šajā planētas "gaisa vāka" daļā notiek temperatūra no 200 līdz 2000 K, kas tiek iegūta saistībā ar skābekļa jonizāciju (virs 300 km ir atomu skābeklis), kā arī skābekļa atomu rekombināciju molekulās. , ko pavada liela siltuma daudzuma izdalīšanās. Termosfēra ir vieta, kur rodas polārblāzmas.

Virs termosfēras atrodas eksosfēra – atmosfēras ārējais slānis, no kura vieglie un ātri kustīgie ūdeņraža atomi var izkļūt kosmosā. Zemes atmosfēras ķīmisko sastāvu šeit vairāk atspoguļo atsevišķi skābekļa atomi apakšējos slāņos, hēlija atomi vidū un gandrīz tikai ūdeņraža atomi augšējos slāņos. Šeit valda augsta temperatūra - aptuveni 3000 K un nav atmosfēras spiediena.

Kā veidojās Zemes atmosfēra?

Bet, kā minēts iepriekš, planētai ne vienmēr bija šāds atmosfēras sastāvs. Kopumā ir trīs šī elementa izcelsmes jēdzieni. Pirmā hipotēze paredz, ka atmosfēra tika ņemta akrecijas procesā no protoplanetāra mākoņa. Tomēr šodien šī teorija tiek nopietni kritizēta, jo šādu primāro atmosfēru noteikti ir iznīcinājis saules "vējš" no zvaigznes mūsu planētu sistēmā. Turklāt tiek pieņemts, ka pārāk augstas temperatūras dēļ gaistošie elementi nevarēja palikt planētu veidošanās zonā, piemēram, sauszemes grupa.

Zemes primārās atmosfēras sastāvs, kā liecina otrā hipotēze, varētu veidoties, aktīvi bombardējot virsmu ar asteroīdiem un komētām, kas ieradās no apkārtnes. Saules sistēma agrīnās attīstības stadijās. Šo koncepciju ir diezgan grūti apstiprināt vai atspēkot.

Eksperimentējiet IDG RAS

Visticamākā ir trešā hipotēze, kas uzskata, ka atmosfēra radusies gāzu izdalīšanās rezultātā no mantijas. zemes garoza apmēram pirms 4 miljardiem gadu. Šī koncepcija tika pārbaudīta Krievijas Zinātņu akadēmijas Ģeoloģijas un ģeoķīmijas institūtā eksperimenta "Tsarev 2" gaitā, kad vakuumā karsēja meteoriskas vielas paraugu. Tad tika reģistrēta tādu gāzu izdalīšanās kā H 2, CH 4, CO, H 2 O, N 2 uc Tāpēc zinātnieki pamatoti pieņēma, ka Zemes primārās atmosfēras ķīmiskais sastāvs ietvēra ūdeni un oglekļa dioksīds, fluorūdeņraža (HF), oglekļa monoksīda (CO), sērūdeņraža (H 2 S), slāpekļa savienojumu tvaiki, ūdeņradis, metāns (CH 4), amonjaka tvaiki (NH 3), argons utt. Ūdens tvaiki no primārās Atmosfēra piedalījās hidrosfēras veidošanā, oglekļa dioksīds izrādījās vairāk saistīts organiskajās vielās un iežos, slāpeklis pārgāja mūsdienu gaisa sastāvā un atkal nogulumiežu iežos un organiskajās vielās.

Zemes primārās atmosfēras sastāvs neļautu mūsdienu cilvēki atrasties tajā bez elpošanas aparāta, jo tad skābekļa nebija vajadzīgajā daudzumā. Šis elements ievērojamā daudzumā parādījās pirms pusotra miljarda gadu, kā tiek uzskatīts, saistībā ar fotosintēzes procesa attīstību zilaļģēs un citās aļģēs, kas ir mūsu planētas vecākās iemītnieces.

Skābekļa minimums

Par to, ka Zemes atmosfēras sastāvs sākotnēji bija gandrīz bezoksisks, liecina tas, ka senākajos (Katarhejas) iežos ir atrodams viegli oksidēts, bet neoksidēts grafīts (ogleklis). Pēc tam parādījās tā sauktās lentveida dzelzsrūdas, kas ietvēra bagātinātu dzelzs oksīdu starpslāņus, kas nozīmē spēcīga skābekļa avota parādīšanos uz planētas molekulārā formā. Bet šie elementi parādījās tikai periodiski (iespējams, tās pašas aļģes vai citi skābekļa ražotāji parādījās kā mazas salas bezskābekļa tuksnesī), kamēr pārējā pasaule bija anaeroba. Pēdējo apstiprina fakts, ka viegli oksidējams pirīts tika atrasts oļu veidā, ko plūsma apstrādā bez ķīmisku reakciju pēdām. Tā kā plūstošos ūdeņus nevar slikti aerēt, ir izveidojies uzskats, ka atmosfērā pirms Kembrija sākuma bija mazāk nekā viens procents skābekļa no mūsdienu sastāva.

Revolucionāras izmaiņas gaisa sastāvā

Apmēram proterozoika vidū (pirms 1,8 miljardiem gadu) notika “skābekļa revolūcija”, kad pasaule pārgāja uz aerobo elpošanu, kuras laikā no vienas molekulas uzturvielu(glikoze) jūs varat iegūt 38, nevis divas (kā anaerobajā elpošanā) enerģijas vienības. Zemes atmosfēras sastāvs skābekļa izteiksmē sāka pārsniegt vienu procentu no mūsdienu, sāka parādīties ozona slānis organismu aizsardzība pret radiāciju. Tieši no viņas “slēpa” zem bieziem čaumalām, piemēram, tādi seni dzīvnieki kā trilobīti. Kopš tā laika līdz mūsu laikam galvenā "elpošanas" elementa saturs pakāpeniski un lēnām ir palielinājies, nodrošinot dzīvības formu daudzveidību uz planētas.