Как се е образувала кислородната атмосфера на земята. Атмосфера на Земята Как се е образувала кислородната атмосфера на Земята

Според най-разпространената теория атмосферата
Земята е била в три различни състава през времето.
Първоначално се състои от леки газове (водород и
хелий), уловен от междупланетното пространство. вярно е
наречена първична атмосфера (около четири милиарда
преди години).

На следващия етап активна вулканична дейност
доведе до насищане на атмосферата с други газове, с изключение на
водород (въглероден диоксид, амоняк, водна пара). И така
образува се вторична атмосфера (около три милиарда
години до наши дни). Тази атмосфера беше възстановяваща.
След това процесът на образуване на атмосферата беше определен, както следва:
фактори:
- изтичане на леки газове (водород и хелий) в междупланетното пространство
пространство;
- химични реакции, протичащи в атмосферата под въздействието на
намаляване на ултравиолетовото лъчение, гръмотевичните разряди и
някои други фактори.
Постепенно тези фактори доведоха до формирането на третич
атмосфера, характеризиращ се с много по-ниско съдържание
налягането на водорода и много по-голямо - на азота и въглеродния диоксид
газ (образуван в резултат на химични реакции от амоняк
и въглеводороди).
Съставът на атмосферата започна да се променя радикално с появата на
Ние ядем живи организми на Земята в резултат на фотосинтеза, ко-
придружен от освобождаване на кислород и абсорбция на въглерод
хлориден газ.
първоначално е изразходван кислород
за окисляване на редуцирани съединения - амоняк, въглерод
водород, желязната форма на желязото, открита в океаните
и т.н. В края на този етап съдържанието на кислород
започна да расте в атмосферата. Постепенно модерното
студена атмосфера с окислителни свойства.
Защото предизвика големи и драстични промени
много процеси, протичащи в атмосферата, литосферата и
биосфера, това събитие беше наречено кислороден катализатор
строфа.
В момента атмосферата на Земята се състои основно от
газове и различни примеси (прах, водни капки, кристали
лед, морски соли, продукти от горенето). концентрация на газ,
компонентите на атмосферата са практически постоянни, с изключение на
концентрацията на вода (H 2 O) и въглероден диоксид (CO 2).

Източник: class.rambler.ru

Следователно формирането на съвременната (кислородна) атмосфера на Земята е немислимо без живи системи, т.е. наличието на кислород е следствие от развитието на биосферата. Блестящата визия на В. И. Вернадски за ролята на биосферата, трансформираща лицето на Земята, все повече се потвърждава. Пътят на произхода на живота обаче все още не ни е ясен. V.I. Vernadsky каза: „Хиляди поколения сме били изправени пред една неразрешена, но фундаментално разрешима загадка - загадката на живота.

Биолозите смятат, че спонтанното възникване на живот е възможно само в редуцираща среда, но според идеите на един от тях, М. Рутен, съдържанието на кислород в газова смес до 0,02% все още не пречи на възникването на абиогенни синтези. По този начин геохимиците и биолозите имат различни концепции за редуцирането и окисляването на атмосферата. Нека наречем неутрална атмосферата, съдържаща следи от кислород, в която могат да се появят първите протеинови натрупвания, които по принцип могат да използват (асимилират) абиогенни аминокиселини за своето хранене, може би по някаква причина само изомери.

Въпросът обаче не е как са се хранили тези аминохетеротрофи (организми, които използват аминокиселини като храна), а как може да се образува самоорганизираща се материя, чиято еволюция има отрицателна ентропия. Последното обаче не е толкова рядко във Вселената. Формирането на Слънчевата система и нашата Земя в частност не върви ли срещу потока на ентропията? Талес от Мица пише в своя трактат: „Водата е първопричината за всички неща“. Всъщност хидросферата трябваше да се формира първо, за да стане люлката на живота. В. И. Вернадски и други велики учени на нашето време говориха много за това.

За V.I. Vernadsky не беше напълно ясно защо живата материя е представена само от леви изомери на органични молекули и защо при всеки неорганичен синтез получаваме приблизително еднаква смес от леви и десни изомери. И дори да получим обогатяване (например в поляризирана светлина) чрез определени техники, не можем да ги изолираме в чист вид.

Как биха могли да се образуват доста сложни органични съединения като протеини, протеини, нуклеинови киселини и други комплекси от организирани елементи, състоящи се само от леви изомери?

Източник: pochemuha.ru

Основни свойства на земната атмосфера

Атмосферата е нашият защитен купол от всякакви заплахи от космоса. Той изгаря повечето метеорити, които падат на планетата, а озоновият му слой служи като филтър срещу ултравиолетовото лъчение на Слънцето, чиято енергия е фатална за живите същества. В допълнение, атмосферата е тази, която поддържа комфортна температура на повърхността на Земята - ако не беше парниковият ефект, постигнат чрез многократно отразяване на слънчевите лъчи от облаците, Земята би била средно с 20-30 градуса по-студена. Циркулацията на водата в атмосферата и движението на въздушните маси не само балансират температурата и влажността, но и създават земното разнообразие от ландшафтни форми и минерали - такова богатство не може да се намери никъде другаде в Слънчевата система.

Масата на атмосферата е 5,2 × 10 18 килограма. Въпреки че газовите обвивки се простират на много хиляди километри от Земята, само тези, които се въртят около ос със скорост, равна на скоростта на въртене на планетата, се считат за нейна атмосфера. Така височината на земната атмосфера е около 1000 километра, плавно преминавайки в открития космос в горния слой, екзосферата (от гръцката „външна сфера“).

Състав на земната атмосфера. История на развитието

Въпреки че въздухът изглежда хомогенен, той е смес от различни газове. Ако вземем само тези, които заемат поне една хилядна от обема на атмосферата, те вече ще бъдат 12, ако погледнем общата картина, тогава цялата периодична таблица е във въздуха едновременно!

Земята обаче не успя да постигне такова разнообразие веднага. Само благодарение на уникалните съвпадения на химичните елементи и наличието на живот атмосферата на Земята стана толкова сложна. Нашата планета е запазила геоложки следи от тези процеси, което ни позволява да погледнем милиарди години назад:

Първите газове, покрили младата Земя преди 4,3 милиарда години, бяха водород и хелий, основни съставки на атмосферата на газови гиганти като Юпитер.
за най-елементарните вещества - те се състоят от остатъците от мъглявината, родила Слънцето и околните планети, и се утаяват обилно около гравитационните центрове-планети. Тяхната концентрация не е била много висока, а ниската им атомна маса им позволява да избягат в космоса, което правят и днес. Днес общото им специфично тегло е 0,00052% от общата маса на земната атмосфера (0,00002% водород и 0,0005% хелий), което е много малко.
Но вътре в самата Земя имаше много вещества, които се опитваха да избягат от горещите недра. Огромно количество газове бяха отделени от вулканите - предимно амоняк, метан и въглероден диоксид, както и сяра. Амонякът и метанът впоследствие се разлагат на азот, който сега заема лъвския дял от масата на земната атмосфера - 78%.

Но истинската революция в състава на земната атмосфера настъпи с пристигането на кислород. Освен това се появи естествено - горещата мантия на младата планета активно се освобождаваше от газове, задържани под земната кора. В допълнение, водните пари, изпускани от вулканите, се разделят на водород и кислород под въздействието на слънчевата ултравиолетова радиация.

Такъв кислород обаче не може да се задържи дълго в атмосферата. Той реагира с въглероден окис, свободно желязо, сяра и много други елементи на повърхността на планетата - а високите температури и слънчевата радиация катализират химичните процеси. Тази ситуация беше променена само от появата на живи организми.

Първо, те започнаха да отделят толкова много кислород, че той не само окисли всички вещества на повърхността, но и започна да се натрупва - за няколко милиарда години количеството му нарасна от нула до 21% от общата маса на атмосферата.
Второ, живите организми активно използваха атмосферния въглерод, за да изградят свои собствени скелети. В резултат на тяхната дейност земната кора беше попълнена с цели геоложки слоеве от органични материали и вкаменелости, а въглеродният диоксид стана много по-малко

И накрая, излишъкът от кислород образува озоновия слой, който започна да защитава живите организми от ултравиолетовото лъчение. Животът започна да се развива по-активно и да придобива нови, по-сложни форми - сред бактериите и водораслите започнаха да се появяват високоорганизирани същества. Днес озонът заема само 0,00001% от общата маса на Земята.

Сигурно вече знаете, че синият цвят на небето на Земята също се създава от кислорода – от целия дъгов спектър на Слънцето той най-добре разпръсква късите вълни светлина, отговорни за синия цвят. Същият ефект действа и в космоса - от разстояние Земята изглежда като обвита в синя мъгла, а от разстояние напълно се превръща в синя точка.

Освен това благородните газове присъстват в значителни количества в атмосферата. Сред тях най-много е аргонът, чийто дял в атмосферата е 0,9–1%. Неговият източник са ядрени процеси в дълбините на Земята, а достига до повърхността през микропукнатини в литосферните плочи и вулканични изригвания (така се появява хелият в атмосферата). Поради физическите си характеристики благородните газове се издигат до горните слоеве на атмосферата, откъдето излизат в открития космос.

Както виждаме, съставът на земната атмосфера се е променял повече от веднъж, при това много силно - но са били необходими милиони години. От друга страна, жизнените явления са много стабилни - озоновият слой ще съществува и ще функционира, дори ако на Земята има 100 пъти по-малко кислород. На фона на общата история на планетата човешката дейност не е оставила сериозни следи. В локален мащаб обаче цивилизацията е способна да създава проблеми – поне за себе си. Замърсителите на въздуха вече направиха живота опасен за жителите на Пекин, Китай - и огромни облаци мръсна мъгла над големите градове се виждат дори от космоса.

Структура на атмосферата

Екзосферата обаче не е единственият специален слой на нашата атмосфера. Има много от тях и всеки от тях има свои собствени уникални характеристики. Нека да разгледаме няколко основни:

Тропосфера

Най-долният и най-плътен слой на атмосферата се нарича тропосфера. Читателят на статията сега е точно в неговата „долна“ част - освен ако, разбира се, не е един от 500-те хиляди души, които летят в самолет в момента. Горната граница на тропосферата зависи от географската ширина (помните ли центробежната сила на въртенето на Земята, която прави планетата по-широка на екватора?) и варира от 7 километра на полюсите до 20 километра на екватора. Също така размерът на тропосферата зависи от сезона - колкото по-топъл е въздухът, толкова по-високо се издига горната граница.

Името "тропосфера" идва от старогръцката дума "tropos", което се превежда като "завъртане, промяна". Това доста точно отразява свойствата на атмосферния слой - той е най-динамичният и продуктивен. Именно в тропосферата се събират облаци и циркулира вода, създават се циклони и антициклони и се генерират ветрове - протичат всички онези процеси, които наричаме "време" и "климат". В допълнение, това е най-масивният и плътен слой - той представлява 80% от масата на атмосферата и почти цялото й водно съдържание. Повечето живи организми живеят тук.

Всеки знае, че колкото по-високо се издигаш, толкова по-студено става. Това е вярно - на всеки 100 метра нагоре температурата на въздуха пада с 0,5-0,7 градуса. Принципът обаче работи само в тропосферата - тогава температурата започва да се повишава с увеличаване на надморската височина. Зоната между тропосферата и стратосферата, където температурата остава постоянна, се нарича тропопауза. А с височината вятърът се ускорява - с 2–3 km/s на километър нагоре. Следователно пара- и делтапланерите предпочитат издигнати плата и планини за полети - те винаги ще могат да „хванат вълна“ там.

Вече споменатото въздушно дъно, където атмосферата е в контакт с литосферата, се нарича повърхностен граничен слой. Неговата роля в атмосферната циркулация е невероятно голяма - преносът на топлина и радиация от повърхността създава ветрове и разлики в налягането, а планините и други неравности на терена ги насочват и разделят. Обменът на вода става незабавно - в рамките на 8–12 дни цялата вода, взета от океаните и повърхността, се връща обратно, превръщайки тропосферата в своеобразен воден филтър.

Интересен факт е, че важен процес в живота на растенията, транспирацията, се основава на обмена на вода с атмосферата. С негова помощ флората на планетата активно влияе върху климата - например големите зелени площи смекчават времето и температурните промени. Растенията в наситени с вода райони изпаряват 99% от водата, взета от почвата. Например един хектар пшеница отделя 2-3 хиляди тона вода в атмосферата през лятото - това е значително повече, отколкото може да отдели безжизнената почва.

Нормалното налягане на повърхността на Земята е около 1000 милибара. Стандартът се счита за налягане от 1013 mbar, което е една „атмосфера“ - вероятно вече сте срещали тази мерна единица. С увеличаване на надморската височина налягането бързо пада: на границите на тропосферата (на надморска височина от 12 километра) вече е 200 mBar, а на надморска височина от 45 километра напълно пада до 1 mBar. Следователно не е странно, че именно в наситената тропосфера се събират 80% от цялата маса на земната атмосфера.

Стратосфера

Слоят от атмосферата, разположен между 8 km надморска височина (на полюса) и 50 km (на екватора), се нарича стратосфера. Името идва от другата гръцка дума “stratos”, която означава “подова настилка, слой”. Това е изключително разредена зона на земната атмосфера, в която почти няма водни пари. Налягането на въздуха в долната част на стратосферата е 10 пъти по-малко от повърхностното, а в горната част е 100 пъти по-малко.

В нашия разговор за тропосферата вече научихме, че температурата в нея намалява в зависимост от надморската височина. В стратосферата всичко се случва точно обратното - с увеличаване на надморската височина температурата се повишава от –56°C до 0–1°C. Нагряването спира в стратопаузата, границата между стратосферата и мезосферата.

Животът и човекът в стратосферата

Пътническите самолети и свръхзвуковите самолети обикновено летят в долните слоеве на стратосферата - това не само ги предпазва от нестабилността на въздушните потоци в тропосферата, но и опростява движението им поради ниското аеродинамично съпротивление. А ниските температури и разреденият въздух правят възможно оптимизирането на разхода на гориво, което е особено важно при полети на дълги разстояния.

Има обаче техническо ограничение на височината на самолета - въздушният поток, който е толкова малък в стратосферата, е необходим за работата на реактивните двигатели. Съответно, за да се постигне необходимото налягане на въздуха в турбината, самолетът трябва да се движи по-бързо от скоростта на звука. Следователно само бойни превозни средства и свръхзвукови самолети като Concordes могат да се движат високо в стратосферата (на височина 18–30 километра). Така че основните „жители“ на стратосферата са метеорологични сонди, прикрепени към балони - те могат да останат там дълго време, събирайки информация за динамиката на основната тропосфера.

Читателят вероятно вече знае, че микроорганизмите - така нареченият аеропланктон - се намират в атмосферата чак до озоновия слой. Но не само бактериите могат да оцелеят в стратосферата. И така, един ден африкански лешояд, специален вид лешояд, влезе в двигателя на самолет на височина 11,5 хиляди метра. А някои патици спокойно летят над Еверест по време на миграцията си.

Но най-голямото същество, което е било в стратосферата, си остава човекът. Настоящият рекорд за височина е поставен от Алън Юстас, вицепрезидент на Google. В деня на скока той беше на 57 години! В специален балон той се издигна на височина от 41 километра над морското равнище, а след това скочи с парашут. Скоростта, която достига в пика на падането си, е 1342 км/ч – повече от скоростта на звука! В същото време Юстас стана първият човек, който самостоятелно преодоля прага на скоростта на звука (без да броим космическия костюм за поддържане на живота и парашутите за кацане в неговата цялост).

Интересен факт е, че за да се отдели от балона, Юстас се нуждаеше от взривно устройство - като това, което използват космическите ракети при отделяне на степени.

Озонов слой

А на границата между стратосферата и мезосферата се намира известният озонов слой. Той предпазва земната повърхност от въздействието на ултравиолетовите лъчи и в същото време служи като горна граница на разпространението на живота на планетата - над нея температурата, налягането и космическата радиация бързо ще сложат край дори на най-упоритите бактерии.

Откъде идва този щит? Отговорът е невероятен - създаден е от живи организми, по-точно от кислород, който различни бактерии, водорасли и растения отделят от незапомнени времена. Издигайки се високо в атмосферата, кислородът влиза в контакт с ултравиолетовото лъчение и влиза във фотохимична реакция. В резултат на това обикновеният кислород, който дишаме, O 2, произвежда озон - O 3.

Парадоксално, но озонът, създаден от радиацията на Слънцето, ни предпазва от същата радиация! Озонът също не отразява, а абсорбира ултравиолетовото лъчение - като по този начин нагрява атмосферата около него.

Мезосфера

Вече споменахме, че над стратосферата - по-точно над стратопаузата, граничния слой със стабилна температура - е мезосферата. Този относително малък слой се намира между 40–45 и 90 километра надморска височина и е най-студеното място на нашата планета – в мезопаузата, горния слой на мезосферата, въздухът се охлажда до –143°C.

Мезосферата е най-слабо проучената част от земната атмосфера. Изключително ниското налягане на газа, което е от хиляда до десет хиляди пъти по-ниско от налягането на повърхността, ограничава движението на балоните - тяхната повдигаща сила достига нула и те просто се реят на място. Същото се случва и с реактивните самолети - аеродинамиката на крилото и корпуса на самолета губят смисъл. Следователно в мезосферата могат да летят или ракети, или самолети с ракетни двигатели - ракетоплани. Сред тях е ракетопланът X-15, който държи позицията на най-бързия самолет в света: той достигна височина от 108 километра и скорост от 7200 km/h - 6,72 пъти скоростта на звука.

Рекордният полет на X-15 обаче е само 15 минути. Това символизира общия проблем на превозните средства, движещи се в мезосферата - те са твърде бързи, за да проведат задълбочени изследвания и не остават на дадена височина за дълго, летят по-високо или падат. Освен това мезосферата не може да бъде изследвана с помощта на сателити или суборбитални сонди - въпреки че налягането в този слой на атмосферата е ниско, то забавя (и понякога изгаря) космическите кораби. Поради тези трудности учените често наричат мезосферата „игноросфера“ (от английски „ignorosphere“, където „ignorance“ означава невежество, липса на знания).

Също така в мезосферата изгарят повечето метеори, падащи на Земята - там избухва метеорният поток Персеиди, известен като „Августовския метеорен дъжд“. Светлинният ефект възниква при навлизане на космическо тяло в земната атмосфера под остър ъгъл със скорост над 11 км/ч – метеоритът светва от триене.

Загубили масата си в мезосферата, останките на „извънземните“ се установяват на Земята под формата на космически прах - всеки ден на планетата падат от 100 до 10 хиляди тона метеоритна материя. Тъй като отделните прашинки са много леки, отнема им до един месец, за да достигнат повърхността на Земята! Когато попаднат в облаците, те ги правят по-тежки и понякога дори причиняват дъжд – точно както вулканичната пепел или частиците от ядрени експлозии ги причиняват. Въпреки това влиянието на космическия прах върху образуването на дъжд се счита за малко - дори 10 хиляди тона не са достатъчни, за да променят сериозно естествената циркулация на земната атмосфера.

Термосфера

Над мезосферата, на височина 100 километра над морското равнище, преминава линията на Карман - условната граница между Земята и космоса. Въпреки че там има газове, които се въртят със Земята и технически навлизат в атмосферата, тяхното количество над линията на Карман е невидимо малко. Следователно всеки полет, който надхвърля надморска височина от 100 километра, вече се счита за космос.

Долната граница на най-дългия слой на атмосферата, термосферата, съвпада с линията на Карман. Издига се на надморска височина от 800 километра и се характеризира с изключително високи температури – на височина от 400 километра достига максимум 1800°C!

Горещо е, нали? При температура от 1538°C желязото започва да се топи - тогава как космическите кораби остават непокътнати в термосферата? Всичко се дължи на изключително ниската концентрация на газове в горните слоеве на атмосферата - налягането в средата на термосферата е с 1 000 000 по-малко от концентрацията на въздуха на повърхността на Земята! Енергията на отделните частици е висока - но разстоянието между тях е огромно и космическите кораби са по същество във вакуум. Това обаче не им помага да се освободят от топлината, която отделят механизмите - за да разсейват топлината, всички космически кораби са оборудвани с радиатори, които излъчват излишна енергия.

Само една бележка. Когато става въпрос за високи температури, винаги си струва да вземете предвид плътността на горещата материя - например учените от адронния колайдер действително могат да загреят материята до температурата на Слънцето. Но е очевидно, че това ще бъдат отделни молекули - един грам звездна материя би бил достатъчен за мощна експлозия. Затова не трябва да вярваме на жълтата преса, която ни обещава скорошния край на света от „ръцете” на Колайдера, както не трябва да се страхуваме от топлината в термосферата.

Термосфера и космонавтика

Термосферата всъщност е открит космос - в нейните граници лежеше орбитата на първия съветски спутник. Там беше и апоцентърът - най-високата точка над Земята - на полета на космическия кораб "Восток-1" с Юрий Гагарин на борда. На тази височина се изстрелват и много изкуствени спътници за изучаване на земната повърхност, океан и атмосфера, като сателитите на Google Maps. Следователно, ако говорим за LEO (Low Reference Orbit, често срещан термин в космонавтиката), в 99% от случаите той е в термосферата.

Орбиталните полети на хора и животни не се случват само в термосферата. Факт е, че в горната му част, на надморска височина от 500 километра, се простират радиационните пояси на Земята. Това е мястото, където заредените частици от слънчевия вятър се улавят и натрупват от магнитосферата. Продължителният престой в радиационните пояси причинява непоправима вреда на живите организми и дори на електрониката - следователно всички високоорбитални превозни средства са защитени от радиация.

Полярни сияния

В полярните ширини често се появява грандиозен и грандиозен спектакъл - полярни сияния. Те изглеждат като дълги светещи дъги с различни цветове и форми, които блестят в небето. Земята дължи появата си на своята магнитосфера – или по-точно на дупките в нея близо до полюсите. Заредените частици от слънчевия вятър нахлуват, карайки атмосферата да свети. Можете да се полюбувате на най-ефектните светлини и да научите повече за техния произход тук.

В наши дни полярните сияния са нещо обичайно за жителите на циркумполярни страни като Канада или Норвегия, както и задължителен елемент в маршрута на всеки турист - но преди това им се приписваха свръхестествени свойства. Хората от древни времена са виждали цветни светлини като врати към рая, митични същества и огньове на духове, а поведението им се е смятало за пророчества. И нашите предци могат да бъдат разбрани - дори образованието и вярата в собствения им ум понякога не могат да обуздаят преклонението им пред природните сили.

Екзосфера

Последният слой на земната атмосфера, чиято долна граница минава на надморска височина от 700 километра, е екзосферата (от др. гръцки морбили "екзо" - отвън, отвън). Той е невероятно разпръснат и се състои главно от атоми на най-лекия елемент - водорода; Има и отделни атоми на кислорода и азота, които са силно йонизирани от всепроникващата радиация на Слънцето.

Размерите на земната екзосфера са невероятно големи - тя прераства в земната корона, геокорона, която се простира на 100 хиляди километра от планетата. Той е много разреден - концентрацията на частици е милиони пъти по-малка от плътността на обикновения въздух. Но ако Луната скрие Земята за далечен космически кораб, тогава короната на нашата планета ще бъде видима, точно както короната на Слънцето е видима за нас по време на неговото затъмнение. Това явление обаче все още не е наблюдавано.

Изветряне на атмосферата

Също така в екзосферата се случва изветряването на земната атмосфера - поради голямото разстояние от гравитационния център на планетата, частиците лесно се отделят от общата газова маса и влизат в собствените си орбити. Това явление се нарича атмосферно разсейване. Нашата планета губи 3 килограма водород и 50 грама хелий от атмосферата всяка секунда. Само тези частици са достатъчно леки, за да избягат от общата газова маса.

Простите изчисления показват, че Земята годишно губи около 110 хиляди тона атмосферна маса. опасно ли е Всъщност не - капацитетът на нашата планета да "произвежда" водород и хелий надвишава скоростта на загубите. В допълнение, част от изгубената материя се връща обратно в атмосферата с течение на времето. И важни газове като кислород или въглероден диоксид са просто твърде тежки, за да напуснат Земята масово - така че няма нужда да се притеснявате, че атмосферата на нашата Земя ще избяга.

Интересен факт е, че „пророците” на края на света често казват, че ако ядрото на Земята спре да се върти, атмосферата бързо ще се разпадне под натиска на слънчевия вятър. Нашият читател обаче знае, че атмосферата близо до Земята се държи заедно от гравитационни сили, които ще действат независимо от въртенето на ядрото. Ярко доказателство за това е Венера, която има неподвижно ядро и слабо магнитно поле, но нейната атмосфера е 93 пъти по-плътна и по-тежка от земната. Това обаче не означава, че спирането на динамиката на земното ядро е безопасно - тогава магнитното поле на планетата ще изчезне. Ролята му е важна не толкова за задържането на атмосферата, колкото за защитата от заредени частици от слънчевия вятър, които лесно могат да превърнат нашата планета в радиоактивна пустиня.

Облаци

Водата на Земята съществува не само в огромния океан и множество реки. В атмосферата има около 5,2 x 10 15 килограма вода. Присъства почти навсякъде - делът на парите във въздуха варира от 0,1% до 2,5% от обема в зависимост от температурата и местоположението. По-голямата част от водата обаче се събира в облаците, където се съхранява не само като газ, но и в малки капчици и ледени кристали. Концентрацията на вода в облаците достига 10 g/m 3 - и тъй като облаците достигат обем от няколко кубически километра, масата на водата в тях възлиза на десетки и стотици тонове.

Облаците са най-видимата формация на нашата Земя; те се виждат дори от Луната, където очертанията на континентите се размиват с просто око. И това не е странно - все пак повече от 50% от Земята е постоянно покрита с облаци!

Облаците играят невероятно важна роля в топлообмена на Земята. През зимата те улавят слънчевите лъчи, повишавайки температурата под тях поради парниковия ефект, а през лятото екранират огромната енергия на Слънцето. Облаците също балансират температурните разлики между деня и нощта. Между другото, именно поради липсата им пустините се охлаждат толкова много през нощта - цялата топлина, натрупана от пясък и камъни, свободно лети нагоре, докато в други региони се задържа от облаци.

По-голямата част от облаците се образуват близо до повърхността на Земята, в тропосферата, но в по-нататъшното си развитие те придобиват голямо разнообразие от форми и свойства. Тяхното разделяне е много полезно - появата на облаци от различен тип може не само да помогне за прогнозиране на времето, но и да определи наличието на примеси във въздуха! Нека разгледаме по-отблизо основните видове облаци.

Ниска облачност

Облаците, които се спускат най-ниско над земята, се класифицират като по-ниски облаци. Те се характеризират с висока еднородност и ниска маса - когато паднат на земята, метеоролозите не ги отделят от обикновената мъгла. Между тях обаче има разлика - някои просто закриват небето, а други могат да изригнат при силен дъжд и снеговалеж.

Облаците, които могат да предизвикат обилни валежи, включват облаци от нимбостратус. Те са най-големите сред облаците от долния слой: дебелината им достига няколко километра, а линейните им размери надхвърлят хиляди километри. Те са хомогенна сива маса - погледнете към небето по време на продължителен дъжд и вероятно ще видите слоесто-нимбо облаци.
Друг вид облак с ниски нива е слоесто-купест, който се издига на 600–1500 метра над земята. Те са групи от стотици сиво-бели облаци, разделени от малки празнини. Обикновено виждаме такива облаци в частично облачни дни. Рядко вали дъжд или сняг.
Последният тип долен облак е обикновеният слоест облак; Те са тези, които покриват небето в облачни дни, когато от небето ръми лек дъждец. Те са много тънки и ниски - височината на слоестите облаци достига максимум 400–500 метра. Тяхната структура е много подобна на тази на мъглата - спускайки се през нощта до самата земя, те често създават гъста сутрешна мъгла.

Облаци на вертикално развитие

Облаците от долния слой имат по-големи братя - облаци с вертикално развитие. Въпреки че долната им граница е на ниска надморска височина от 800–2000 километра, облаците с вертикално развитие сериозно се втурват нагоре - дебелината им може да достигне 12–14 километра, което избутва горната им граница до границите на тропосферата. Такива облаци се наричат още конвективни: поради големия си размер водата в тях придобива различни температури, което поражда конвекция - процесът на преместване на горещи маси нагоре и студени маси надолу. Следователно в облаците с вертикално развитие едновременно съществуват водна пара, малки капчици, снежинки и дори цели ледени кристали.

Основният тип вертикални облаци са купести облаци - огромни бели облаци, които приличат на разкъсани парчета памук или айсберги. Тяхното съществуване изисква високи температури на въздуха - следователно в централна Русия те се появяват само през лятото и се топят през нощта. Дебелината им достига няколко километра.

Въпреки това, когато купестите облаци имат възможност да се съберат заедно, те създават много по-грандиозна форма - купесто-дъждовни облаци. Именно от тях идват проливни дъждове, градушки и гръмотевични бури през лятото. Те съществуват само няколко часа, но в същото време нарастват до 15 километра - горната им част достига температура до –10°C и се състои от ледени кристали На върховете на най-големите купесто-дъждовни облаци са „наковални“. образувани - плоски зони, наподобяващи гъба или обърната ютия. Това се случва в тези области, където облакът достига границата на стратосферата - физиката не му позволява да се разпространи по-нататък, поради което купесто-дъждовният облак се разпространява по границата на надморската височина.

Интересен факт е, че мощни купесто-дъждовни облаци се образуват на местата на вулканични изригвания, удари на метеорити и ядрени експлозии. Тези облаци са най-големите - техните граници достигат дори стратосферата, достигайки височина от 16 километра. Наситени с изпарена вода и микрочастици, те излъчват мощни гръмотевични бури - в повечето случаи това е достатъчно за гасене на пожари, свързани с катаклизма. Това е такъв естествен пожарникар :)

Средна облачност

В междинната част на тропосферата (на надморска височина от 2–7 километра в средните ширини) има облаци със средно ниво. Те се характеризират с големи площи - те са по-малко засегнати от възходящи течения от земната повърхност и неравномерни ландшафти - и малка дебелина от няколкостотин метра. Това са облаците, които се „вият“ около остри планински върхове и се реят близо до тях.

Самите облаци от средното ниво се делят на два основни вида - алтослоести и висококупести.

Облаците Altostratus са един от компонентите на сложни атмосферни маси. Те представляват равномерен, сиво-син воал, през който се виждат Слънцето и Луната - въпреки че облаците алтостратуси са дълги хиляди километри, те са дебели само няколко километра. Сивият плътен воал, който се вижда от прозореца на самолет, летящ на голяма надморска височина, е точно високослоести облаци. Често вали дъжд или сняг за дълго време.

Висококупестите облаци, наподобяващи малки парчета разкъсана памучна вата или тънки успоредни ивици, се срещат през топлия сезон - те се образуват, когато топлите въздушни маси се издигат на височина от 2–6 километра. Висококупестите облаци служат като сигурен индикатор за предстояща промяна на времето и приближаване на дъжд - те могат да бъдат създадени не само от естествената конвекция на атмосферата, но и от настъпването на студени въздушни маси. Рядко вали – обаче облаците могат да се скупчат и да създадат един голям дъждовен облак.

Говорейки за облаци в близост до планините, на снимки (и може би дори в реалния живот) вероятно сте виждали кръгли облаци, приличащи на памучни тампони, които висят на слоеве над планински връх повече от веднъж. Факт е, че облаците от среден слой често са лещовидни или с форма на леща - разделени на няколко успоредни слоя. Те се създават от въздушни вълни, образувани, когато вятърът тече около стръмни върхове. Лещовидните облаци също са специални с това, че висят на място дори при най-силните ветрове. Това е възможно поради тяхната природа - тъй като такива облаци се създават в точки на контакт на няколко въздушни течения, те са в относително стабилна позиция.

Горни облаци

Последното ниво на обикновените облаци, които се издигат до долните части на стратосферата, се нарича горен слой. Височината на такива облаци достига 6–13 километра - там е много студено и затова облаците на горния слой се състоят от малки ледени късове. Поради тяхната влакнеста, опъната, подобна на перце форма, високите облаци се наричат още перести - въпреки че капризите на атмосферата често им придават формата на нокти, люспи и дори рибени скелети. Валежите, които произвеждат, никога не достигат земята - но самото присъствие на перести облаци служи като древен начин за предсказване на времето.

Чистите перести облаци са най-дългите сред облаците от горния слой - дължината на отделно влакно може да достигне десетки километри. Тъй като ледените кристали в облаците са достатъчно големи, за да усетят гравитацията на Земята, перестите облаци „падат“ на цели каскади – разстоянието между горната и долната точка на един облак може да достигне 3-4 километра! Всъщност перестите облаци са огромни „ледени падове“. Именно разликите във формата на водните кристали създават тяхната влакнеста, подобна на поток форма.

В този клас има и практически невидими облаци - перести облаци. Те се образуват, когато големи маси въздух близо до повърхността се издигат нагоре - на голяма надморска височина тяхната влажност е достатъчна, за да образува облак. Когато Слънцето или Луната светят през тях, се появява ореол - блестящ дъгообразен диск от разпръснати лъчи.

нощни облаци

Ностилуцентните облаци - най-високите облаци на Земята - трябва да бъдат поставени в отделен клас. Те се изкачват на височина от 80 километра, което е дори по-високо от стратосферата! Освен това те имат необичаен състав - за разлика от други облаци, те са съставени от метеоритен прах и метан, а не от вода. Тези облаци се виждат само след залез или преди зазоряване - слънчевите лъчи, проникващи иззад хоризонта, осветяват нощните облаци, които остават невидими на височина през деня.

Светлопрозрачните облаци са невероятно красива гледка - но за да ги видите в Северното полукълбо са необходими специални условия. И тяхната мистерия не беше толкова лесна за разрешаване - учените, безсилни, отказаха да повярват в тях, обявявайки сребристите облаци за оптична илюзия. Можете да разгледате необичайни облаци и да научите за техните тайни от нашата специална статия.

Натрупване на O 2 в земната атмосфера:
1 . (преди 3,85-2,45 милиарда години) - O 2 не е произведен
2 . (преди 2,45-1,85 милиарда години) O 2 е произведен, но погълнат от океана и скалите на морското дъно
3 . (преди 1,85-0,85 милиарда години) O 2 напуска океана, но се изразходва по време на окисляването на скалите на сушата и по време на образуването на озоновия слой
4 . (преди 0,85-0,54 милиарда години) всички скали на сушата са окислени, O 2 започва да се натрупва в атмосферата
5 . (преди 0,54 милиарда години - настояще) съвременен период, съдържанието на O 2 в атмосферата се е стабилизирало

Кислородна катастрофа(кислородна революция) - глобална промяна в състава на земната атмосфера, настъпила в самото начало на протерозоя, преди около 2,4 милиарда години (сидерианския период). Резултатът от Кислородната катастрофа беше появата на свободен кислород в атмосферата и промяната на общия характер на атмосферата от редуциращ към окислителен. Предположението за кислородна катастрофа е направено въз основа на изследване на рязка промяна в характера на утаяването.

Първичен състав на атмосферата

Точният състав на първичната атмосфера на Земята засега не е известен, но общоприето е, че тя се е образувала в резултат на дегазация на мантията и има редукционен характер. Тя се основава на въглероден диоксид, сероводород, амоняк и метан. Това се поддържа от:

неокислени седименти, образувани ясно на повърхността (например речни камъчета от неустойчив на кислород пирит);
липса на известни значителни източници на кислород и други окислители;
изследване на потенциални източници на първичната атмосфера (вулканични газове, състав на други небесни тела).

Причини за кислородната катастрофа

Единственият значим източник на молекулярен кислород е биосферата или по-точно фотосинтезиращите организми. Появили се в самото начало на съществуването на биосферата, фотосинтетичните архебактерии произвеждат кислород, който почти веднага се изразходва за окисляване на скали, разтворени съединения и атмосферни газове. Висока концентрация се създава само локално, в рамките на бактериални подложки (така наречените „кислородни джобове“). След като повърхностните скали и газове на атмосферата се окисляват, кислородът започва да се натрупва в атмосферата в свободна форма.

Един от вероятните фактори, влияещи върху промяната в микробните общности, е промяната в химическия състав на океана, причинена от изчезването на вулканичната активност.

Последици от кислородната катастрофа

Биосфера

Тъй като по-голямата част от организмите от онова време са анаеробни, неспособни да съществуват при значителни концентрации на кислород, настъпва глобална промяна в общностите: анаеробните общности са заменени от аеробни, преди това ограничени само до „кислородни джобове“; анаеробните общности, напротив, бяха натикани в „анаеробни джобове“ (образно казано „биосферата се обърна наопаки“). Впоследствие наличието на молекулярен кислород в атмосферата доведе до образуването на озонов екран, който значително разшири границите на биосферата и доведе до разпространение на по-енергийно благоприятно (в сравнение с анаеробното) дишане на кислород.

Литосфера

В резултат на кислородната катастрофа практически всички метаморфни и седиментни скали, изграждащи по-голямата част от земната кора, са окислени.

Значителното увеличение на свободния кислород в земната атмосфера преди 2,4 милиарда години изглежда е резултат от много бърз преход от едно равновесно състояние към друго. Първото ниво съответства на изключително ниска концентрация на O 2 - около 100 000 пъти по-ниска от тази, която се наблюдава сега. Второто равновесно ниво може да бъде постигнато при по-висока концентрация, не по-малка от 0,005 от съвременната. Съдържанието на кислород между тези две нива се характеризира с изключителна нестабилност. Наличието на такава „бистабилност“ дава възможност да се разбере защо е имало толкова малко свободен кислород в земната атмосфера поне 300 милиона години, след като цианобактериите (синьо-зелени „водорасли“) са започнали да го произвеждат.

В момента атмосферата на Земята се състои от 20% свободен кислород, който не е нищо повече от страничен продукт от фотосинтезата на цианобактерии, водорасли и висши растения. Много кислород се отделя от тропическите гори, които в популярните публикации често се наричат белите дробове на планетата. В същото време обаче се мълчи, че през годината тропическите гори консумират почти толкова кислород, колкото произвеждат. Той се изразходва за дишането на организми, които разлагат готовата органична материя - предимно бактерии и гъбички. за това, За да започне да се натрупва кислород в атмосферата, поне част от веществото, образувано по време на фотосинтезата, трябва да бъде отстранено от цикъла- например попада в дънните утайки и става недостъпен за бактериите, които го разграждат аеробно, тоест с консумация на кислород.

Общата реакция на кислородна (т.е. „даваща кислород“) фотосинтеза може да бъде записана като:
CO 2 + H 2 O + hν→ (CH 2 O) + O 2,
Къде hνе енергията на слънчевата светлина, а (CH 2 O) е обобщената формула на органичната материя. Дишането е обратен процес, който може да се напише като:
(CH 2 O) + O 2 → CO 2 + H 2 O.
В същото време ще се освободи необходимата за организмите енергия. Въпреки това, аеробното дишане е възможно само при концентрация на O 2 не по-малко от 0,01 от съвременното ниво (така наречената точка на Пастьор). При анаеробни условия органичната материя се разлага чрез ферментация и крайните етапи на този процес често произвеждат метан. Например обобщеното уравнение за метаногенезата чрез образуване на ацетат изглежда така:
2(CH 2 O) → CH 3 COOH → CH 4 + CO 2.
Ако комбинираме процеса на фотосинтеза с последващото разлагане на органична материя при анаеробни условия, тогава общото уравнение ще изглежда така:
CO 2 + H 2 O + hν→ 1/2 CH 4 + 1/2 CO 2 + O 2.
Очевидно именно този път на разграждане на органичната материя е бил основният в древната биосфера.

Много важни подробности за това как е установен съвременният баланс между доставката и отстраняването на кислород от атмосферата остават неясни. В края на краищата, забележимо увеличение на съдържанието на кислород, така нареченото „Голямо окисление на атмосферата“, се е случило само преди 2,4 милиарда години, въпреки че е известно със сигурност, че цианобактериите, извършващи кислородна фотосинтеза, вече са били доста многобройни и активни 2,7 милиарда години преди, а са възникнали още по-рано – може би преди 3 милиарда години. По този начин, в рамките на най-малко 300 милиона години дейността на цианобактериите не е довела до увеличаване на съдържанието на кислород в атмосферата.

Предположението, че по някаква причина внезапно е настъпило радикално увеличение на нетното първично производство (т.е. увеличаването на органичната материя, образувана по време на фотосинтезата на цианобактериите), не издържа на критика. Факт е, че по време на фотосинтезата се изразходва предимно лекият изотоп на въглерода 12 C, а в околната среда се увеличава относителното съдържание на по-тежкия изотоп 13 C. Съответно дънните утайки, съдържащи органична материя, трябва да бъдат обеднени в изотоп 13 C, който натрупва се във вода и отива за образуване на карбонати. Въпреки това съотношението 12 C към 13 C в карбонатите и в органичната материя на седиментите остава непроменено въпреки радикалните промени в концентрацията на кислород в атмосферата. Това означава, че цялата работа не е в източника на O 2, а в неговия, както се изразиха геохимиците, „потъване“ (отстраняване от атмосферата), което внезапно значително намаля, което доведе до значително увеличение на количеството кислород в атмосферата.

Обикновено се смята, че непосредствено преди „Голямото окисляване на атмосферата“, целият образуван тогава кислород е бил изразходван за окисляването на редуцирани железни съединения (и след това на сяра), които са били доста изобилни на повърхността на Земята. По-специално тогава се образуват така наречените „лентови железни руди“. Но наскоро Колин Голдблат, завършил студент в Училището по екологични науки към Университета на Източна Англия (Норич, Обединеното кралство), заедно с двама колеги от същия университет, стигнаха до заключението, че съдържанието на кислород в земната атмосфера може да бъде в едно от двете равновесни състояния: то може да бъде или много малко - около 100 хиляди пъти по-малко от сега, или вече доста (въпреки че от позицията на съвременен наблюдател е малко) - не по-малко от 0,005 от съвременното ниво.

В предложения модел те взеха предвид навлизането в атмосферата както на кислород, така и на редуцирани съединения, като по-специално обърнаха внимание на съотношението на свободния кислород и метана. Те отбелязват, че ако концентрацията на кислород надвишава 0,0002 от сегашното ниво, тогава част от метана вече може да бъде окислен от метанотрофни бактерии според реакцията:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O.
Но останалата част от метана (и има доста голямо количество, особено при ниски концентрации на кислород) навлиза в атмосферата.

Цялата система е в неравновесно състояние от гледна точка на термодинамиката. Основният механизъм за възстановяване на нарушеното равновесие е окисляването на метана в горните слоеве на атмосферата от хидроксилен радикал (виж Колебания на метана в атмосферата: човек или природа - кой печели, "Елементи", 10/06/2006). Известно е, че хидроксилният радикал се образува в атмосферата под въздействието на ултравиолетовото лъчение. Но ако в атмосферата има много кислород (най-малко 0,005 от сегашното ниво), тогава в горните му слоеве се образува озонов екран, който добре защитава Земята от тежки ултравиолетови лъчи и в същото време пречи на физикохимичните окисление на метан.

Авторите стигат до донякъде парадоксалното заключение, че самото съществуване на кислородна фотосинтеза не е достатъчно условие нито за образуването на богата на кислород атмосфера, нито за появата на озонов екран. Това обстоятелство трябва да се вземе предвид в случаите, когато се опитваме да открием признаци за съществуване на живот на други планети въз основа на резултатите от изследване на тяхната атмосфера.