Як сформувалася киснева атмосфера ґрунту. Атмосфера землі Як формувалася киснева атмосфера землі

Згідно з найбільш поширеною теорією, атмосфера
Землі у часі перебувала у трьох різних складах.
Спочатку вона складалася з легких газів (водню та
гелію), захоплених з міжпланетного простору. Це так
звана первинна атмосфера (близько чотирьох мільярдів
років назад).

На наступному етапі активна вулканічна діяльність
призвела до насичення атмосфери та іншими газами, крім
водню (вуглекислим газом, аміаком, водяною парою). Так
утворилася вторинна атмосфера (близько трьох мільярдів)
років донині). Ця атмосфера була відновною.
Далі процес утворення атмосфери визначався слі-
дуючими факторами:
- витік легких газів (водню та гелію) у міжпланетне
простір;
- хімічні реакції, що відбуваються в атмосфері під вплив-
ням ультрафіолетового випромінювання, грозових розрядів та
деяких інших факторів.
Поступово ці фактори призвели до утворення третин-
ної атмосфери, що характеризується набагато меншим вмістом.
жанням водню і набагато більшим - азоту та вуглекислого
газу (утворені в результаті хімічних реакцій з аміаку
та вуглеводнів).
Склад атмосфери почав радикально змінюватися з появою.
їм на Землі живих організмів, в результаті фотосинтезу, зі-
що супроводжується виділенням кисню і поглинанням уг-
льокислого газу.
спочатку кисень витрачався
на окислення відновлених сполук - аміаку, вугілля-
водень, закисної форми заліза, що містилася в океанах
та ін. Після закінчення даного етапу вміст кисню
в атмосфері почало зростати. Поступово утворилася сучасна-
ня атмосфера, що володіє окислювальними властивостями.
Оскільки це викликало серйозні та різкі зміни
багатьох процесів, що протікають в атмосфері, літосфері та
біосфері, ця подія отримала назву Киснева ката-
строфа.
В даний час атмосфера Землі складається в основному з
газів та різних домішок (пил, краплі води, кристали
льоду, морські солі, продукти горіння). Концентрація газів,
складових атмосферу, практично постійна, за виключе-
ченням води (Н 2 Про) та вуглекислого газу (СО 2).

Джерело: class.rambler.ru

Отже, формування сучасної (кисневої) атмосфери Землі немислимо без живих систем, тобто наявність кисню є наслідком розвитку біосфери. Геніальне передбачення В. І. Вернадського про перетворюючу подобу Землі ролі біосфери знаходить все більше і більше підтвердження. Однак досі нам неясні шляхи походження життя. В. І. Вернадський говорив: "Перед нами протягом тисяч поколінь стоїть загадка невирішена, але принципово вирішувана - загадка життя".

Біологи вважають, що спонтанне виникнення життя можливе лише у відновному середовищі, проте, за уявленнями одного з них - М. Руттена, - вміст кисню в суміші газів до 0,02% ще не заважає перебігу абіогенних синтезів. Таким чином, поняття про відновлювальну та окислювальну атмосферу у геохіміків та біологів різні. Назвемо атмосферу, що містить сліди кисню, нейтральної, в якій могли б з'явитися перші протеїнові скупчення, які в принципі могли використовувати (засвоювати) для свого харчування абіогенні амінокислоти, можливо, з якихось причин лише ізомери.

Однак питання не в тому, як харчувалися ці аміногетеротрофи (організми, які використовують як харчування амінокислоти), а як могла утворитися матерія, що самоорганізується, еволюція якої має негативну ентропію. Останнє, щоправда, не так вже й рідко у Всесвіті. Хіба освіта Сонячної системи та нашої Землі, зокрема, не йде проти перебігу ентропії? Ще Фалес з Міци у своєму трактаті писав: «Вода – причина всіх речей». Спочатку повинна була утворитися гідросфера, щоб стати колискою життя. Про це багато говорив В. І. Вернадський та інші великі вчені сучасності.

В. І. Вернадському було не зовсім ясно, чому жива матерія представлена лише лівими ізомерами органічних молекул і чому в будь-якому неорганічному синтезі ми отримуємо приблизно рівну суміш лівих та правих ізомерів. А якщо й одержуємо збагачення (наприклад, у поляризованому світлі) тими чи іншими прийомами, то у чистому вигляді виділити їх не можемо.

Як могли утворитися досить складні органічні сполуки типу білків, протеїнів, нуклеїнових кислот та інших комплексів організованих елементів, що складаються з одних лівих ізомерів?

Джерело: pochemuha.ru

Основні властивості атмосфери Землі

Атмосфера - це наш захисний купол від усіляких загроз з космосу. У ній згоряє більшість метеоритів, які падають на планету, а її озоновий шар служить фільтром проти ультрафіолетового випромінювання Сонця, енергія якого є смертельною для живих істот. Крім того, саме атмосфера підтримує комфортну температуру біля поверхні Землі - якби не парниковий ефект, що досягається за рахунок багаторазового відображення сонячних променів від хмар, Земля була б у середньому на 20-30 градусів холодніша. Кругообіг води в атмосфері та рух повітряних мас не лише врівноважують температуру та вологість, а й створюють земну різноманітність ландшафтних форм та мінералів – такого багатства не зустріти ніде у Сонячній системі.

Маса атмосфери становить 5,2 10 18 кілограм. Хоча газові оболонки поширюються на багато тисяч кілометрів від Землі, її атмосферою вважаються лише ті, які обертаються навколо осі зі швидкістю, що дорівнює швидкості обертання планети. Таким чином, висота атмосфери Землі становить близько 1000 кілометрів, плавно переходячи в космічний простір у верхньому шарі, екзосфері (від ін. грецької «зовнішня куля»).

Склад атмосфери Землі. Історія розвитку

Хоча повітря і здається однорідним, воно є сумішшю різноманітних газів. Якщо брати тільки ті, які займають хоча б тисячну частку об'єму атмосфери, їх уже буде 12. Якщо ж дивитися на загальну картину, то в повітрі одночасно знаходиться вся таблиця Менделєєва!

Однак досягти такого розмаїття Землі вдалося не відразу. Тільки завдяки унікальним збігам хімічних елементів та наявності життя атмосфера Землі стала такою складною. Наша планета зберегла геологічні сліди цих процесів, що дозволяє нам зазирнути на мільярди років тому:

Першими газами, які огорнули молоду Землю 4,3 мільярда років тому, були водень та гелій – фундаментальні складові атмосфери газових гігантів на кшталт Юпітера.
про найелементарніші речовини - їх складалися залишки туманності, що народила Сонце і навколишні планети, і вони рясно осідали навколо гравітаційних центрів-планет. Їхня концентрація була не дуже висока, а низька атомна маса дозволяла їм випаровуватися в космос, що вони роблять досі. На сьогоднішній день їх загальна питома маса становить 0,00052% від загальної маси атмосфери Землі (0,00002% водню та 0,0005% гелію), що зовсім мало.
Однак усередині самої Землі крилася сила-силенна речовин, які прагнули вирватися з розпечених надр. З вулканів було викинуто величезну кількість газів - насамперед аміак, метан та вуглекислий газ, а також сірка. Аміак та метан згодом розклалися на азот, який нині займає левову частку маси атмосфери Землі – 78%.

Але справжня революція у складі атмосфери Землі відбулася разом із приходом кисню. Він з'являвся і природним шляхом - розпечена мантія молодої планети активно позбавлялася газів, замкнених під земною корою. Крім того, водяні пари, що вивергаються вулканами, розщеплювалися під впливом сонячного ультрафіолету на водень та кисень.

Однак такий кисень не міг довго затримуватись в атмосфері. Він вступав у реакції з чадним газом, вільним залізом, сіркою та безліччю інших елементів на поверхні планети - а високі температури та сонячне випромінювання каталізувало хімічні процеси. Змінила цю ситуацію лише поява живих організмів.

По-перше, вони почали виділяти стільки кисню, що він не лише окислив усі речовини на поверхні, а й почав накопичуватися – за пару мільярдів років його кількість зросла з нуля до 21% відсотка всієї маси атмосфери.
По-друге, живі організми активно використовували вуглець атмосфери для побудови власних кістяків. В результаті їх діяльності земна кора поповнилася цілими геологічними пластами органічних матеріалів та копалин, а вуглекислого газу стало значно менше

І, нарешті, надлишок кисню сформував озоновий шар, який почав захищати живі організми від ультрафіолету. Життя стало еволюціонувати активніше і набувати нових, складніших форм - серед бактерій і водоростей стали з'являтися високоорганізовані істоти. Сьогодні в озон займає лише 0,00001% всієї маси Землі.

Вам вже, напевно, відомо, що синій колір неба на Землі теж створюється киснем - з усього райдужного спектру Сонця він найкраще розсіює короткі хвилі світла, що відповідають за синій колір. Цей же ефект діє в космосі - на відстані Земля ніби огортається блакитним серпанком, а здалеку і зовсім перетворюється на синю крапку.

Крім того, в атмосфері у значній кількості присутні благородні гази. Серед них найбільше аргону, частка якого у атмосфері становить 0,9–1%. Його джерело - ядерні процеси в глибинах Землі, а потрапляє на поверхню через мікротріщини в літосферних плитах і вулканічні виверження (так само з'являється гелій в атмосфері). Через свої фізичні особливості благородні гази піднімаються у верхні шари атмосфери, де випаровуються в космічний простір.

Як ми можемо бачити, склад атмосфери Землі змінювався вже неодноразово, і до того ж дуже сильно - але цього знадобилися мільйони років. З іншого боку, життєво важливі явища дуже стійкі - озоновий шар існуватиме і функціонуватиме, навіть якщо на Землі буде в 100 разів менше кисню. На тлі загальної історії планети діяльність людини не залишила серйозних слідів. Однак у локальних масштабах цивілізація здатна створювати проблеми – принаймні для себе. Забруднювачі повітря вже зробили життя жителів китайського Пекіна небезпечним – а величезні хмари брудного туману над великими містами видно навіть із космосу.

Структура атмосфери

Проте екзосфера - це єдиний особливий шар нашої атмосфери. Їх існує чимало, і кожен з них має свої унікальні характеристики. Давайте розглянемо кілька основних:

Тропосфера

Найнижчий та найбільш щільний шар атмосфери називається тропосферою. Читач статті зараз перебуває саме в його «придонній» частині – якщо, звичайно, він не є одним із 500 тисяч людей, які летять просто зараз у літаку. Верхня межа тропосфери залежить від широти (пам'ятаєте про відцентрову силу обертання Землі, через яку планета ширша на екваторі?) і коливається від 7 кілометрів на полюсах до 20 кілометрів на екваторі. Також розміри тропосфери залежить від сезону – чим тепліше повітря, тим вище піднімається верхня межа.

Назва "тропосфера" походить від давньогрецького слова "tropos", яке перекладається як "поворот, зміна". Це досить точно відображає властивості шару атмосфери – він найбільш динамічний та продуктивний. Саме в тропосфері збираються хмари та циркулює вода, створюються циклони та антициклони та генеруються вітри – відбуваються всі ті процеси, які ми називаємо «погода» та «клімат». Крім того, це найпотужніший і щільніший шар - на нього припадає 80% маси атмосфери і майже весь вміст води в ній. Тут же живе більшість живих організмів.

Всім відомо, що чим вище підніматись, тим холодніше стає. Це справді так - кожні 100 метрів нагору температура повітря падає на 0,5-0,7 градуса. Проте принцип працює лише у тропосфері – далі температура із зростанням висоти починає підвищуватися. Зона між тропосферою та стратосферою, де температура залишається незмінною, називається тропопаузою. А ще з висотою прискорюється перебіг вітру - на 2-3 км/с на кілометр вгору. Тому пара- і дельтапланеристи воліють для польотів високі плато та гори – там завжди вдасться «зловити хвилю».

Вже згадане повітряне дно, де атмосфера контактує з літосферою називається приземним прикордонним шаром. Його роль у циркуляції атмосфери неймовірно велика - віддача тепла та випромінювання від поверхні створює вітри та перепади тиску, а гори та інші нерівності рельєфу спрямовують та поділяють їх. Відразу відбувається водообмін - за 8–12 днів вся вода, взята з океанів і поверхні, повертається назад, перетворюючи тропосферу на своєрідний водний фільтр.

Цікавий факт – на водообміні з атмосферою зав'язаний важливий процес у життєдіяльності рослин – транспірація. З її допомогою флора планети активно впливає на клімат – так, великі зелені масиви пом'якшують погоду та перепади температури. Рослини в насичених водою місцях випаровують 99% води, взятої із ґрунту. Наприклад, гектар пшениці за літо викидає в атмосферу 2–3 тисячі тонн води - це значно більше, ніж міг би віддати неживий ґрунт.

Нормальний тиск біля Землі - близько 1000 мілібар. Еталоном вважається тиск в 1013 мбар, який становить одну «атмосферу» - з цією одиницею виміру ви вже напевно стикалися. Зі зростанням висоти тиск стрімко падає: біля меж тропосфери (на висоті 12 кілометрів) він становить вже 200 мбар, а на висоті 45 кілометрів і зовсім падає до 1 мбар. Тому не дивно, що саме в насиченій тропосфері зібрано 80% усіх мас атмосфери Землі.

Стратосфера

Шар атмосфери, що знаходиться в діапазоні між 8 км висоти (на полюсі) та 50 км (на екваторі), називається стратосферою. Назва походить від ін. грецького слова "stratos", яке означає "настил, шар". Це вкрай розріджена зона атмосфери Землі, де майже немає водяної пари. Тиск повітря в нижній частині стратосфери в 10 разів менший за приповерхневий, а у верхній частині - в 100 разів.

У розмові про тропосферу ми вже з'ясували, що температура в ній знижується в залежності від висоти. У стратосфері все відбувається з точністю навпаки - з набором висоти температура зростає від -56 ° C до 0-1 ° С. Припиняється нагрівання у стратопаузі, межі між страто- та мезосферами.

Життя і людина у стратосфері

Пасажирські лайнери та надзвукові літаки зазвичай літають у нижніх шарах стратосфери – це не лише захищає їх від нестабільності повітряних потоків тропосфери, а й спрощує їхній рух за рахунок малого аеродинамічного опору. А низькі температури та розрідженість повітря дозволяють оптимізувати споживання палива, що особливо важливо для далеких перельотів.

Однак існує технічна межа висоти для літака - приплив повітря, якого в стратосфері так мало, необхідний роботи реактивних двигунів. Відповідно, для досягнення потрібного тиску повітря в турбіні літаку доводиться рухатися швидше за швидкість звуку. Тому високо в стратосфері (на висоті 18–30 кілометрів) можуть пересуватися лише бойові машини та надзвукові літаки на кшталт «Конкордів». Так що основними «мешканцями» стратосфери є метеорологічні зонди, прикріплені до повітряних куль – там вони можуть залишатися тривалий час, збираючи інформацію про динаміку тропосфери, що нижче.

Читачеві вже напевно відомо, що аж до озонового шару в атмосфері зустрічаються мікроорганізми - так званий аеропланктон. Однак не одні бактерії здатні виживати у стратосфері. Так, одного разу у двигун літака на висоті 11,5 тисяч метрів потрапив африканський сип - особливий різновид грифу. А деякі качки під час міграцій спокійно пролітають над Еверестом.

Але найбільшою істотою, яка побувала в стратосфері, залишається людина. Поточний рекорд по висоті було встановлено Аланом Юстасом – віце-президентом компанії Google. У день стрибка йому було 57 років! На спеціальній повітряній кулі він піднявся на висоту 41 кілометр над рівнем моря, а потім стрибнув униз із парашутом. Швидкість, яку він розвинув у піковий момент падіння, становила 1342 км/год – більше швидкості звуку! Одночасно Юстас став першою людиною, яка самостійно подолала звуковий поріг швидкості (не рахуючи скафандра для підтримки життєдіяльності і парашутів для приземлення в цілому вигляді).

Цікавий факт - щоб від'єднатися від повітряної кулі, Юстасу знадобився вибуховий пристрій - на кшталт того, що використовується космічними ракетами при від'єднанні ступенів.

Озоновий шар

А ще на кордоні між стратосферою та мезоферою знаходиться знаменитий озоновий шар. Він захищає поверхню Землі від впливу ультрафіолетових променів, а заразом служить верхньою межею поширення життя на планеті - вище за нього температура, тиск і космічне випромінювання швидко покладуть край навіть найстійкішим бактеріям.

Звідки ж узявся цей щит? Відповідь неймовірна - вона була створена живими організмами, точніше - киснем, які різноманітні бактерії, водорості та рослини виділяли з незапам'ятних часів. Піднімаючись високо по атмосфері, кисень контактує з ультрафіолетовим випромінюванням і входить у фотохімічну реакцію. У результаті зі звичайного кисню, яким ми дихаємо, O 2 виходить озон - O 3 .

Парадоксально, але створений випромінюванням Сонця озон захищає нас від цього випромінювання! А ще озон не відбиває, а поглинає ультрафіолет – тим самим він нагріває атмосферу навколо себе.

Мезосфера

Ми вже згадували, що над стратосферою – точніше, над стратопаузою, прикордонним прошарком стабільної температури – знаходиться мезосфера. Цей відносно невеликий шар розташовується між 40-45 і 90 кілометрів висоти і є найхолоднішим місцем у нашій планеті - у мезопаузі, верхньому шарі мезосфери, повітря охолоджується до -143°C.

Мезосфера є найменш вивченою частиною атмосфери Землі. Екстремально малий тиск газів, який від тисячі до десяти тисяч разів нижче поверхневого, обмежує рух повітряних куль - їхня підйомна сила доходить до нуля, і вони просто зависають на місці. Те саме відбувається з реактивними літаками - аеродинаміка крила та корпуси літака втрачають свій сенс. Тому літати в мезосфері можуть ракети, або літаки з ракетними двигунами - ракетоплани. До таких відноситься ракетоплан X-15, який утримує позицію найшвидшого літака у світі: він досяг висоти в 108 кілометрів і швидкості 7200 км/год - у 6,72 рази більше за швидкість звуку.

Проте рекордний політ X-15 становив лише 15 хвилин. Це символізує загальну проблему апаратів, що рухаються в мезосфері - вони занадто швидкі, щоб провести будь-які ґрунтовні дослідження, і знаходяться на заданій висоті недовго, відлітаючи вище або падаючи вниз. Також мезосферу не можна досліджувати за допомогою супутників або суборбітальних зондів – нехай тиск у цьому шарі атмосфери та низький, він гальмує (а часом і спалює) космічні апарати. Через ці складнощі вчені часто називають мезосферу «незнайкосферою» (від англ. «ignorosphere», де «ignorance» - невігластво, незнання).

А ще саме в мезосфері згоряє більшість метеорів, що падають на Землю - саме там спалахує метеоритний потік Персеїди, відомий як серпневий зорепад. Світловий ефект відбувається тоді, коли космічне тіло входить в атмосферу Землі під гострим кутом зі швидкістю більше 11 км/год – від сили тертя метеорит спалахує.

Розгубивши свою масу в мезосфері, залишки «прибульців» осідають на Землю у вигляді космічного пилу – щодня на планету потрапляє від 100 до 10 тисяч тонн метеоритної речовини. Оскільки окремі порошинки дуже легкі, на шлях до поверхні Землі у них йде до одного місяця! Потрапляючи в хмари, вони обтяжують їх і навіть іноді викликають дощі - як викликає їхній вулканічний попіл або частинки від ядерних вибухів. Однак сила впливу космічного пилу на дощоутворення вважається невеликою - навіть 10 тисяч тонн обмаль, щоб серйозно змінити природну циркуляцію атмосфери Землі.

Термосфера

Над мезосферою, на висоті 100 кілометрів над рівнем моря, проходить лінія Кармана – умовна межа між Землею та космосом. Хоча там і присутні гази, які обертаються разом із Землею і технічно входять в атмосферу, їхня кількість вища за лінію Карману незримо мала. Тому будь-який політ, що виходить за висоту 100 кілометрів, уже вважається космічним.

З лінією Кармана збігається нижня межа протяжного шару атмосфери - термосфери. Вона піднімається до висоти 800 кілометрів і відрізняється надзвичайно високою температурою – на висоті 400 кілометрів вона досягає максимуму в 1800 ° C!

Гаряче, чи не так? При температурі в 1538 ° C починає плавитися залізо - як тоді космічні апарати залишаються цілими в термосфері? Вся справа в надзвичайно низькій концентрації газів у верхній атмосфері - тиск посередині термосфери в 1000000 менше концентрації повітря біля Землі! Енергія окремо взятих частинок висока – але відстань між ними величезна, і космічні апарати фактично перебувають у вакуумі. Це, втім, не допомагає їм позбавлятися тепла, яке виділяють механізми - для тепловиділення всі космічні апарати оснащені радіаторами, які випромінюють надмірну енергію.

На замітку. Коли йдеться про високі температури, завжди варто враховувати щільність розпеченої матерії – так, вчені на Андронному Колайдері справді можуть нагріти речовину до температури Сонця. Але очевидно, що це будуть окремі молекули – одного грама речовини зірки вистачило б для потужного вибуху. Тому не варто вірити жовтій пресі, яка обіцяє нам швидкий кінець світу від «рук» Коллайдера, як і не варто боятися спеки в термосфері.

Термосфера та космонавтика

Термосфера фактично є відкритим космосом – саме у її межах пролягала орбіта першого радянського «Супутника». Там був апоцентр - найвища точка над Землею - польоту корабля «Схід-1» з Юрієм Гагаріним на борту. Багато штучних супутників для вивчення поверхні Землі, океану та атмосфери, на кшталт супутників Google Maps, теж запускаються на цю висоту. Тому якщо йдеться про НГО (Низька Опорна Орбіта, розхожий термін у космонавтиці), у 99% випадків вона знаходиться в термосфері.

Орбітальні польоти людей та тварин не просто так відбуваються у термосфері. Справа в тому, що в її верхній частині, на висоті від 500 кілометрів, тягнуться радіаційні пояси Землі. Саме там заряджені частинки сонячного вітру ловляться та накопичуються магнітосферою. Тривале перебування в радіаційних поясах завдає непоправної шкоди живим організмам і навіть електроніці - тому всі високоорбітальні апарати мають захист від радіації.

Полярні сяйва

У полярних широтах часто з'являється видовищне та грандіозне видовище – полярні сяйва. Вони виглядають як довгі дуги, що світяться, різноманітних кольорів і форм, які переливаються в небі. Їхній появі Земля завдячує своєю магнітосферою - а, точніше, дірками у ній біля полюсів. Заряджені частинки сонячного вітру прориваються всередину, змушуючи світитися атмосферу. Помилуватися на видовищні сяйва і дізнатися докладніше їх походження можна тут.

Зараз сяйва є буденністю для жителів приполярних країн, таких як Канада чи Норвегія, а також обов'язковим пунктом у програмі будь-якого туриста – проте раніше їм приписувалися надприродні властивості. У різнобарвних вогнях людям давнини бачилися ворота до раю, міфічні істоти і багаття духів, які поведінка вважали пророцтвами. І наших предків можна зрозуміти - навіть освіта та віра у власний розум часом не можуть стримати благоговіння перед силами природи.

Екзосфера

Останній шар атмосфери Землі, нижня межа якого проходить на висоті 700 кілометрів – це екзосфера (від ін. грецького кору «екзо» – поза, зовні). Вона неймовірно розсіяна і складається з атомів найлегшого елемента - водню; також трапляються окремі атоми кисню та азоту, які сильно іонізовані всепроникним випромінюванням Сонця.

Розміри екзосфери Землі неймовірно великі – вона переростає у корону Землі, геокорону, яка розтягнута до 100 тисяч кілометрів від планети. Вона дуже розріджена - концентрація частинок у мільйони разів менша за щільність звичайного повітря. Але якщо Місяць затулить Землю для віддаленого космічного корабля, то корона нашої планети буде видно, як видно нам корона Сонця при його затемненні. Однак спостерігати це явище поки що не вдавалося.

Вивітрювання атмосфери

А ще саме в екзосфері відбувається вивітрювання атмосфери Землі – через велику відстань від гравітаційного центру планети частинки легко відриваються від загальної газової маси і виходять на власні орбіти. Це називається дисипацією атмосфери. Наша планета щомиті втрачає 3 кілограми водню та 50 грам гелію з атмосфери. Тільки ці частки досить легкі, щоб залишити загальну газову масу.

Нескладні розрахунки свідчать, що Земля щорічно втрачає близько 110 тисяч тонн маси атмосфери. Чи це небезпечно? Насправді ні - потужності нашої планети з виробництва водню і гелію перевищують темпи втрат. Крім того, частина втраченої речовини з часом повертається у атмосферу. А важливі гази на кшталт кисню чи вуглекислого газу просто надто важкі, щоб масово залишати Землю - тому не варто боятися, що атмосфера нашої Землі зникне.

Цікавий факт – «пророки» кінця світу часто кажуть, що якщо ядро Землі перестане обертатися, атмосфера швидко вивітриться під натиском сонячного вітру. Проте наш читач знає, що утримують атмосферу біля Землі сили гравітації, які діятимуть незалежно від обертання ядра. Яскравим доказом цього служить Венера, у якої нерухоме ядро і слабке магнітне поле, зате атмосфера в 93 рази щільніша і важча за земну. Однак це не означає, що припинення динаміки земного ядра є безпечним - тоді зникне магнітне поле планети. Його роль важлива не так у стримуванні атмосфери, як у захисті від заряджених частинок сонячного вітру, які легко перетворять нашу планету на радіоактивну пустелю.

Хмари

Вода Землі існує у неосяжному океані і численних річках. Близько 5,2×1015 кілограм води знаходиться в атмосфері. Вона є практично скрізь - частка пари в повітрі коливається від 0,1% до 2,5% обсягу в залежності від температури і місця розташування. Однак найбільше води зібрано у хмарах, де вона зберігається не тільки у вигляді газу, а й у маленьких крапельках та крижаних кристалах. Концентрація води в хмарах сягає 10г/м 3 - оскільки хмари досягають обсягу кілька кубічних кілометрів, маса води у яких обчислюється десятками і сотнями тонн.

Хмари – це найпомітніша освіта нашої Землі; вони видно навіть з Місяця, де контури континентів розмиваються перед неозброєним оком. І це не дивно – адже хмарами постійно покрито понад 50% Землі!

У теплообміні Землі хмари відіграють важливу роль. Взимку вони захоплюють сонячні промені, підвищуючи температуру під собою за рахунок парникового ефекту, а влітку екранують величезну енергію Сонця. Також хмари врівноважують перепади температури між днем та вночі. До речі, саме через їхню відсутність пустелі так сильно остигають уночі - все накопичене піском і скелями тепло безперешкодно відлітає вгору, коли в інших регіонах його утримують хмари.

Переважна більшість хмар формуються біля поверхні Землі, в тропосфері, проте у своєму подальшому розвитку вони набувають найрізноманітніших форм і властивостей. Їхній поділ дуже корисний - поява хмар різних видів може не тільки допомогти передбачати погоду, а й визначати наявність домішок у повітрі! Давайте розглянемо основні типи хмар докладніше.

Хмари нижнього ярусу

Хмари, які опускаються найнижче над землею, відносять до хмар нижнього ярусу. Їм характерна висока однорідність та низька маса - коли вони опускаються на землю, вчені-метеорологи не відокремлюють їх від звичайного туману. Проте різниця між ними є - одні просто затуляють небо, інші можуть вибухнути великими дощами і снігопадами.

До хмар, здатних дати сильні опади, відносяться шарувато-дощові хмари. Вони найбільші серед хмар нижнього ярусу: їх товщина сягає кількох кілометрів, а лінійні виміри перевищують тисячі кілометрів. Вони являють собою однорідну сіру масу - погляньте на небо під час тривалого дощу, і ви напевно побачите хмари.
Інший вид хмар нижнього ярусу – це шарувато-купчасті хмари, що піднімаються над землею на 600-1500 метрів. Вони є групи із сотень сіро-білих хмар, розділених невеликими просвітами. Такі хмари ми зазвичай бачимо у дні мінливої хмарності. З них рідко йде дощ чи сніг.
Останній вид нижніх хмар – це звичайні шаруваті хмари; саме вони застилають небо у похмурі дні, коли з неба пускається дрібна мряка. Вони дуже тонкі та низькі - висота шаруватих хмар у максимумі досягає 400-500 метрів. Їхня структура дуже нагадує будову туману - опускаючись уночі до самої землі, вони часто створюють густу ранкову серпанок.

Хмари вертикального розвитку

Хмари нижнього ярусу мають старші брати - хмари вертикального розвитку. Хоча їхня нижня межа пролягає на невеликій висоті в 800–2000 кілометрів, хмари вертикального розвитку серйозно спрямовуються вгору – їх товщина може досягати 12–14 кілометрів, що підштовхує їхню верхню межу до кордонів тропосфери. Ще такі хмари називають конвективними: через великі розміри вода в них набуває різної температури, що породжує конвекцію - процес переміщення гарячих мас нагору, і холодних - вниз. Тому в хмарах вертикального розвитку одночасно існують водяна пара, дрібні крапельки, сніжинки і навіть цілі кристали льоду.

Основним типом вертикальних хмар є купові хмари – величезні білі хмари, що нагадують рвані шматки вати або айсберги. Для їхнього існування необхідна висока температура повітря - тому в середній смузі Росії вони з'являються лише влітку і тануть до ночі. Їхня товщина досягає кількох кілометрів.

Однак коли купові хмари мають можливість зібратися разом, вони створюють значно грандіознішу форму - купово-дощові хмари. Саме з них йдуть сильні зливи, град та грози влітку. Існують вони тільки кілька годин, але при цьому розростаються вгору до 15 кілометрів - верхня їх частина досягає температури -10 ° C і складається з кристаликів льоду. праска. Це відбувається на тих ділянках, де хмара досягає межі стратосфери - фізика не дозволяє поширюватися далі, через що купово-дощова хмара розповзається вздовж межі висоти.

Цікавий факт - потужні купо-дощові хмари формуються у місцях вивержень вулканів, ударів метеоритів та ядерних вибухів. Ці хмари є найбільшими – їх межі досягають навіть стратосфери, вибираючись на висоту 16 кілометрів. Будучи насиченими випареною водою та мікрочастинками, вони вивергають потужні грозові зливи – в більшості випадків цього достатньо, щоб згасити пов'язані з катаклізмом загоряння. Ось такий ось природний пожежник 🙂

Хмари середнього ярусу

У проміжній частині тропосфери (на висоті від 2–7 кілометрів у середніх широтах) є хмари середнього ярусу. Їм властиві великі площі - на них менше впливають висхідні потоки від земної поверхні та нерівності ландшафту - і невелика товщина кілька сотень метрів. Це ті хмари, які намотуються навколо гострих піків гір і зависають біля них.

Самі хмари середнього ярусу поділяються на два основні типи – високошарові та висококупчасті.

Високошарові хмари – це одна із складових складних атмосферних мас. Вони є однорідною, сірувато-синьою пеленою, через яку видно Сонце і Місяць - хоча протяжність високошарових хмар становить тисячі кілометрів, їх товщина складає всього кілька кілометрів. Сіра щільна пелена, яка видна з ілюмінатора літака, що летить на великій висоті - це високошарові хмари. Часто з них ідуть тривалі дощі або сніг.

Високо-купчасті хмари, що нагадують дрібні шматки рваної вати або тонкі паралельні смуги, зустрічаються в теплу пору року - вони утворюються при піднятті теплих повітряних мас на висоту 2-6 кілометрів. Високо-купчасті хмари служать вірним індикатором майбутньої зміни погоди та наближення дощу - створити їх може не тільки природна конвекція атмосфери, а й настання холодних повітряних мас. З них рідко йде дощ - проте хмари можуть збитися разом і створити одну велику дощову хмару.

До речі про хмари біля гір - на фотографіях (а, може, й наживо) ви напевно не раз бачили круглі хмари, що нагадують ватяні диски, які зависають шарами над гірською вершиною. Справа в тому, що хмари середнього ярусу часто бувають лентикулярними або лінзовидними - розділеними на кілька паралельних верств. Їх створюють повітряні хвилі, що утворюються під час обтікання вітром крутих піків. Лінзоподібні хмари також особливі тим, що висять дома навіть за найсильнішому вітрі. Це уможливлює їх природа - оскільки такі хмари створюються у місцях контакту кількох повітряних потоків, вони у відносно стабільної позиції.

Хмари верхнього ярусу

Останній рівень звичайних хмар, які піднімаються до нижньої межі стратосфери, називається верхнім ярусом. Висота таких хмар досягає 6-13 кілометрів - там дуже холодно, і тому хмари на верхньому ярусі складаються з дрібних крижинок. Через їх волокнисту розтягнуту форму, що нагадує пір'я, високі хмари також називаються перистими - хоча примхи атмосфери часто надають їм форму пазурів, пластівців і навіть риб'ячих скелетів. Опади, що утворюються з них, ніколи не досягають землі - але сама присутність перистих хмар служить давнім способом передбачати погоду.

Чисто-перисті хмари є найдовшими серед хмар верхнього ярусу - довжина окремого волокна може досягати десятка кілометрів. Так як кристали льоду в хмарах досить великі, щоб відчувати на собі тяжіння Землі, перисті хмари «падають» цілими каскадами – відстань між верхньою та нижньою точкою окремо взятої хмари може досягати 3-4 кілометрів! По суті, перисті хмари – це величезні «кригопади». Саме відмінності у формі кристалів води створюють їхню волокнисту, потокоподібну форму.

У цьому класі трапляються і практично невидимі хмари – перисто-шаруваті хмари. Вони утворюються тоді, коли великі маси приповерхневого повітря піднімаються вгору - на великій висоті їхньої вологості достатньо для формування хмари. Коли крізь них просвічує Сонце або Місяць, з'являється гало - сяючий райдужний диск із розсіяних променів.

Сріблясті хмари

В окремий клас варто виділити сріблясті хмари – найвищі хмари на Землі. Вони забираються на висоту 80 кілометрів, що навіть вище за стратосферу! Крім того, вони мають незвичайний склад - на відміну від інших хмар, вони складаються з метеоритного пилу та метану, а не води. Ці хмари видно тільки після заходу сонця або перед світанком - промені Сонця, що проникають через обрій, підсвічують сріблясті хмари, які протягом дня залишаються невидимими на висоті.

Сріблясті хмари є неймовірно красивим видовищем - проте щоб побачити їх у Північній півкулі, потрібні особливі умови. А ще їхню загадку було не так просто розгадати - вчені в безсиллі відмовлялися в них вірити, оголошуючи сріблясті хмари оптичною ілюзією. Подивитися на незвичайні хмари та дізнатися про їхні секрети ви можете із нашої спеціальної статті.

Накопичення O 2 в атмосфері Землі:
1 . (3,85-2,45 млрд років тому) - O 2 не вироблявся
2 . (2,45-1,85 млрд років тому) O 2 вироблявся, але поглинався океаном і породами морського дна
3 . (1,85-0,85 млрд років тому) O 2 виходить з океану, але витрачається при окисленні гірських порід на суші та при утворенні озонового шару
4 . (0,85-0,54 млрд років тому) всі гірські породи на суші окислені, починається накопичення O 2 в атмосфері
5 . (0,54 млрд років тому - по теперішній час) сучасний період, вміст O 2 в атмосфері стабілізувався

Киснева катастрофа(киснева революція) - глобальна зміна складу атмосфери Землі, що відбулася на початку протерозою, близько 2,4 млрд років тому (період сидерій). Результатом Кисневої катастрофи стала поява у складі атмосфери вільного кисню та зміна загального характеру атмосфери з відновлювального на окисний. Припущення про кисневу катастрофу було зроблено на основі вивчення різкої зміни характеру накопичення опадів.

Первинний склад атмосфери

Точний склад первинної атмосфери Землі на сьогоднішній день невідомий, проте вважається загальновизнаним, що вона сформувалася внаслідок дегазації мантії та мала відновлювальний характер. Основу її становили вуглекислий газ, сірководень, аміак, метан. На користь цього свідчать:

неокислені відкладення, що утворилися явно на поверхні (наприклад, річкова галька з нестійкого до кисню піриту);
відсутність відомих значимих джерел кисню та інших окислювачів;
Вивчення потенційних джерел первинної атмосфери (вулканічні гази, склад інших небесних тіл).

Причини кисневої катастрофи

Єдиним значним джерелом молекулярного кисню є біосфера, точніше, фотосинтезуючі організми. З'явившись на початку існування біосфери, фотосинтезуючі архебактерії виробляли кисень, який практично відразу витрачався на окислення гірських порід, розчинених сполук та газів атмосфери. Висока концентрація створювалася лише локально, не більше бактеріальних матів (т. зв. «кисневі кишені»). Після того, як поверхневі породи та гази атмосфери виявилися окисленими, кисень почав накопичуватися в атмосфері у вільному вигляді.

Однією з можливих чинників, які вплинули зміну мікробних угруповань, було зміна хімічного складу океану, викликане згасанням вулканічної активності.

Наслідки кисневої катастрофи

Біосфера

Оскільки переважна частина організмів того часу була анаеробною, нездатною існувати при значних концентраціях кисню, відбулася глобальна зміна угруповань: анаеробні спільноти змінилися аеробними, обмеженими раніше лише «кисневими кишенями»; анаеробні ж спільноти, навпаки, виявилися відтіснені в «анаеробні кишені» (образно кажучи, «біосфера вивернулася навиворіт»). Надалі наявність молекулярного кисню в атмосфері призвело до формування озонового екрану, що суттєво розширив межі біосфери та призвело до поширення більш енергетично вигідного (порівняно з анаеробним) кисневого дихання.

Літосфера

У результаті кисневої катастрофи практично всі метаморфічні та осадові породи, що становлять більшу частину земної кори, є окисленими.

Помітне збільшення вмісту вільного кисню в атмосфері Землі 2400000000 років тому, мабуть, стало результатом дуже швидкого переходу від одного рівноважного стану до іншого. Перший рівень відповідав вкрай низькій концентрації Про 2 - приблизно в 100 000 разів нижче за ту, що спостерігається зараз. Другий рівноважний рівень міг бути досягнутий при вищій концентрації, що становить не менше 0,005 від сучасної. Зміст кисню між цими двома рівнями характеризується крайньої нестійкістю. Наявність подібної «бістабільності» дозволяє зрозуміти, чому в атмосфері Землі було так мало вільного кисню протягом принаймні 300 млн років після того, як його почали виробляти ціанобактерії (синьо-зелені «водорості»).

В даний час атмосфера Землі на 20% складається з вільного кисню, який є не що інше як побічний продукт фотосинтезу ціанобактерій, водоростей та вищих рослин. Дуже багато кисню виділяється тропічними лісами, які у популярних виданнях часто називають легкими планети. При цьому, щоправда, замовчується, що за рік тропічні ліси споживають майже стільки ж кисню, скільки утворюють. Витрачається він на дихання організмів, що розкладають готову органічну речовину, - насамперед бактерій та грибів. Для того, щоб кисень почав накопичуватися в атмосфері, хоча б частина утвореної в ході фотосинтезу речовини має бути виведена з кругообігу- наприклад, потрапити в донні відкладення та стати недоступною для бактерій, що розкладають його аеробно, тобто із споживанням кисню.

Сумарну реакцію оксигенного (тобто «що дає кисень») фотосинтезу можна записати як:
CO 2 + H 2 O + hν→ (CH 2 O) + O 2 ,
де hν- енергія сонячного світла, а (CH 2 O) – узагальнена формула органічної речовини. Дихання ж - це зворотний процес, який можна записати як:
(CH 2 O) + O 2 → CO 2 + H 2 O.
При цьому вивільнятиметься необхідна для організмів енергія. Однак аеробне дихання можливе лише при концентрації O 2 не менше 0,01 від сучасного рівня (так звана точка Пастера). В анаеробних умовах органічна речовина розкладається шляхом бродіння, а на завершальних стадіях цього процесу нерідко утворюється метан. Наприклад, узагальнене рівняння метаногенезу через утворення ацетату виглядає як:
2(CH 2 O) → CH 3 COOH → CH 4 + CO 2 .
Якщо комбінувати процес фотосинтезу з наступним розкладанням органічної речовини в анаеробних умовах, то сумарне рівняння матиме вигляд:
CO 2 + H 2 O + hν→ 1/2 CH 4 + 1/2 CO 2 + O 2 .
Саме такий шлях розкладання органічної речовини, мабуть, був основним у давній біосфері.

Багато важливих деталей того, як встановилася сучасна рівновага між надходженням кисню в атмосферу та її вилученням, залишаються нез'ясованими. Адже помітне збільшення вмісту кисню, так зване «Велике окислення атмосфери» (Great Oxidation), відбулося лише 2,4 млрд років тому, хоча точно відомо, що цианобактерії, що здійснюють оксигенний фотосинтез, були вже досить численні і активні 2,7 млрд років тому, а виникли вони ще раніше – можливо, 3 млрд років тому. Таким чином, протягом принаймні 300 мільйонів років діяльність ціанобактерій не призводила до збільшення вмісту кисню в атмосфері.

Припущення про те, що через якісь причини раптом відбулося радикальне збільшення чистої первинної продукції (тобто приросту органічної речовини, утвореної під час фотосинтезу ціанобактерій), критики не витримало. Справа в тому, що при фотосинтезі переважно споживається легкий ізотоп вуглецю 12 С, а в навколишньому середовищі зростає відносний вміст тяжчого ізотопу 13 С. Відповідно, донні відкладення, що містять органічну речовину, повинні бути збіднені ізотопом 13 С, який накопичується у воді і йде на освіту карбонатів. Однак співвідношення 12 С і 13 С в карбонатах та в органічній речовині відкладень залишається незмінним, незважаючи на радикальні зміни в концентрації кисню в атмосфері. Отже, вся справа над джерелі Про 2 , а його, як виражаються геохіміки, «стоку» (вилученні з атмосфери), який раптом істотно скоротився, що й призвело до істотного збільшення кількості кисню у атмосфері.

Зазвичай вважається, що безпосередньо до «Великого окислення атмосфери» весь кисень, що утворився тоді, витрачався на окислення відновлених сполук заліза (а потім сірки), яких на поверхні Землі було досить багато. Зокрема тоді утворилися так звані «смужкові залізні руди». Але нещодавно Колін Гольдблатт, аспірант Школи наук про навколишнє середовище при Університеті Східної Англії (Норвіч, Великобританія), спільно з двома колегами з того ж таки університету дійшли висновку про те, що вміст кисню в земній атмосфері може бути в одному з двох рівноважних станів: його може бути або дуже мало – приблизно в 100 тисяч разів менше, ніж зараз, або вже досить багато (хоча з позиції сучасного спостерігача мало) – не менше ніж 0,005 від сучасного рівня.

У запропонованій моделі вони врахували надходження в атмосферу як кисню, так і відновлених сполук, зокрема, звернувши увагу на співвідношення вільного кисню та метану. Вони зазначили, що якщо концентрація кисню перевищує 0,0002 від сучасного рівня, то частина метану вже може окислюватися метанотрофами бактеріями відповідно до реакції:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O.
Але решта метану (а його досить багато, особливо при низькій концентрації кисню) надходить в атмосферу.

Вся система перебуває у нерівноважному стані з погляду термодинаміки. Основний же механізм відновлення порушеної рівноваги – окислення метану у верхніх шарах атмосфери гідроксильним радикалом. Гідроксильний радикал, як відомо, утворюється в атмосфері під дією ультрафіолетового випромінювання. Але якщо кисню в атмосфері багато (щонайменше 0,005 від сучасного рівня), то у верхніх її шарах утворюється озоновий екран, який добре захищає Землю від жорстких ультрафіолетових променів і водночас заважає фізико-хімічному окисленню метану.

Автори приходять до дещо парадоксального висновку про те, що саме собою існування оксигенного фотосинтезу не є достатньою умовою ні для того, щоб сформувалася багата киснем атмосфера, ні для того, щоб виник озоновий екран. Цю обставину слід враховувати в тих випадках, коли ми намагаємося знайти ознаки існування життя на інших планетах, ґрунтуючись на результатах обстеження їхньої атмосфери.