Атмосфера – это газовая оболочка Земли. Ее плотность быстро уменьшается с высотой. Так, у поверхности Земли давление воздуха составляет 1, 013 105 Па, на высоте 50 км – 90 Па, на высоте 200 км – 4 10 6 Па. В атмосфере выделяют оболочки: тропосфера, стратосфера, мезосфера, ионосфера, экзосфера. Тропосфера – нижняя наиболее плотная часть атмосферы. Она простирается до высоты 8 10 км в полярных областях и до 16 18 км у экватора. Она характеризуется турбулентным перемещением воздушных масс. Температура в тропосфере уменьшается с высотой на 6 С/км. Стратосфера простирается до высоты 50 км. На высоте 25 30 км Земля окружена слоем, обогащенным озоном О 3 (озоновый слой). Мезосфера простирается между высотами 50 80 км. Ионосфера простирается до высоты 1000 км. Выше она сменяется экзосферой, плавно переходящей в космическое пространство.
Сухой воздух тропосферы имеет следующий состав: N– 78, 09 об. %, О– 20, 95 об. %, Ar– 0, 93 об. %, СО 2– 0, 03 об. %. В весовых процентах это будет : N – 75, 51%, О – 23, 15%, Ar – 1, 28%, СО 2 – 0, 046%. В тропосфере всегда есть пары и капельки воды в количестве 0, 1 – 2, 8 об. %, а также аэрозоли коллоидных частиц природной и техногенной пыли. Ветер тропосферы способен переносить во взвешенном состоянии алевритовые и пелитовые частицы на сотни и тысячи километров, а песчаные и более грубые частицы он переносит волочением на десятки и сотни километров.
Атмосфера возникла 3, 9 млрд. лет назад за счет дегазации Земли. Она почти нацело состояла из СО 2 и была резко восстановительной. Давление в ней составляло 4 4, 7 бар, а температура у поверхности Земли достигала +100 С. В раннем протерозое в связи с интенсивным осаждением карбонатов стало быстро уменьшаться как общее давление атмосферы, так и давление РСО 2. Последнее к рубежу 2, 4 млрд. лет назад снизилось до 0, 73 мбар, а приземная температура упала до +6 С. В протерозое и палеозое происходило плавное уменьшение РСО 2 и возрастание РО 2 в атмосфере Земли, вследствие осаждения карбонатов и биогенного фотосинтеза кислорода. В протерозое атмосфера стала азотной, а в фанерозое – азотно кислородной. В начале протерозоя кислорода в атмосфере Земли практически не было, а в начале палеозоя РО 2 уже составляло 0, 04 0, 05 бар (т. е. 20% от современного). В конце палеозоя РО 2 достигло современного (0, 23 бар).
Как только 3, 5 млрд. лет назад на Земле возникла жизнь, метан начал оказывать решающее влияние на её атмосферу. В то далёкое время океан населяли одноклеточные организмы – метаногены, а газ метан, который они вырабатывали, сохранялся в бескислородной атмосфере гораздо дольше, чем сегодня. Метан и другой парниковый газ вулканического происхождения, двуокись углерода, согревали поверхность планеты, задерживая исходящее от Земли тепло (чёрные стрелки). Проникновению солнечных лучей они не препятствовали (жёлтые стрелки).
Чем сильнее нагревалась Земля, тем больше метаногены вырабатывали метана. Обратная связь усиливала парниковый эффект, в результате чего температура поверхности планеты становилась ещё выше. Потепление климата вызывало усиление эрозии и выветривание горных пород на континентах. В результате содержание СО 2 в атмосфере уменьшалось, а концентрация метана продолжала расти. Такая ситуация сохранялась до тех пор, пока уровень обоих газов не стал почти одинаковым. В таких условиях поведение метана в земной атмосфере резко изменилось.
Увеличение уровня метана в атмосфере всё таки не успело превратить Землю в „парилку“. Повисшая в небе дымка из мельчайших органических пылинок начала поглощать проникавшие в атмосферу коротковолновые солнечные лучи и переизлучать их в космическое пространство. В результате общее количество солнечного излучения, достигавшее поверхности планеты, значительно сократилось, а парниковый эффект ослаб. Многие теплолюбивые метаногены не смогли приспособиться к прохладному климату, и общая выработка метана этими микробами уменьшалась.
Химический состав атмосферы определяется присутствием четырех главных компонентов, составляющих более 99, 99% ее массы – азота, кислорода, аргона и углекислого газа. Кроме того, постоянными газовыми составляющими атмосферы является также ряд микрокомпонентов, представленных главным образом редкими инертными газами и водородом. Кроме постоянных составных частей в атмосфере обычно присутствуют в переменных количествах ксенокомпоненты, являющиеся временными примесями, поступление которых обязано вулканической деятельности, жизнедеятельности биосферы, а также производственной и бытовой деятельности человека.
К числу ксенокомпонентов атмосферы относятся поступающие в нее в результате различных процессов пылевые частицы, которые часто мигрируют в воздушной среде на большие расстояния. По источнику образования атмосферные пылевые частицы можно разделить на 5 категорий: 1. пылевые частицы, выдуваемые с континентов (по всей вероятности, их средний химический состав близок к составу лёсса); 2. пылевые частицы растворимых солей, выдуваемые с поверхности океанов и морей; 3. пыль вулканических извержений; 4. пылевые частицы внеземного происхождения; 5. пылевые частицы антропогенного (техногенного) происхождения.
Азот Это главный химический элемент атмосферы, имеющий огромное значение для развития жизни на нашей планете. Азот постоянно поступает в атмосферу из глубин Земли с вулканическими эманациями, которые содержат от первых единиц до нескольких десятков процентов молекулярного азота (в газах лав гавайских вулканов, например, содержится 5, 7 вес. % N 2). Еще более высокое содержание азота отмечается в газах горячих источников, получивших в связи с этим наименование азотных терм. В азотных фумаролах Везувия содержание азота достигает 98 вес. %. С азотом связан ряд важных проблем, непосредственно касающихся состояния окружающей среды: – проблема загрязнения атмосферы окислами азота; – эксцессивное использование азота атмосферы в процессах техногенеза; – загрязнение гидросферы и почв продуктами переработки атмосферного азота.
Кислород Запасы кислорода в атмосфере составляют порядка 1, 5 1020 моль. Единственным источником поступления кислорода в окружающую среду являются процессы фотосинтеза. Зеленые растения биосферы ежегодно выделяют в атмосферу около 4, 67 1017 г кислорода. Из этого количества 11, 3% производят наземные растения и 88, 7% водные растения. Таким образом, растения и особенно растения океана играют исключительную роль в накоплении кислорода в атмосфере Земли В процессах гипергенеза на поверхности земной коры происходит непрерывное связывание свободного кислорода атмосферы при окислении соединений закисного железа ( с образованием окисного), соединений двухвалентного марганца (с образованием Мn. О 2), сульфидов (с образованием SO 42 ), органических остатков и т. д. Деятельность человека также в основном направлена на уменьшение количества кислорода в атмосфере. В связывании свободного кислорода воздуха заключается сущность сжигания любого органического топлива. Ежегодно человеком в процессе сжигания топлива из атмосферы извлекается около 9 1015 г кислорода, что составляет почти 2% его количества, вырабатываемого за этот период растениями биосферы.
Аргон Это наиболее распространенный инертный газ атмосферы, который почти полностью имеет радиогенное происхождение и образуется в результате распада радиоактивного изотопа калия 40 по схеме К 40 + е → Аr 40 Период полураспада К 40, который составляет 0, 0119% природного калия, равен 1, 3 млрд. лет. Таким образом, поступление аргона в воздушную оболочку Земли из литосферы происходит постоянно. Изотопный состав аргона земной атмосферы следующий: Аr 40 – 96, 6%; Аr 38 – 0, 063%; Аr 36 – 0, 337%.
Углекислый газ В атмосфере содержится 58 1016 моль углерода в составе углекислого газа. В отличие от кислорода, основная масса которого заключена в атмосфере, лишь около 2% свободного СО 2 находится в газообразном состоянии в воздухе. Оставшиеся 98% углекислого газа растворены в гидросфере и, таким образом, заключены в Мировом океане. Зеленые растения в процессе фотосинтеза накапливают углерод из воздуха, превращая углекислый газ в сложные углеводороды, имеющие общую формулу — СНОН —. Этот восстановительный процесс сопровождается поглощением (накоплением) энергии. Ежегодно 2, 1 1018 моль углерода в виде углекислого газа поглощается наземной растительностью из атмосферы. В итоге менее чем за 28 лет процессы фотосинтеза полностью потребляют количество СО 2, содержащееся в атмосфере. В результате дыхания происходит обратный процесс — окисление фиксированного в живом веществе углерода в СО 2, который вновь поступает в тропосферу. Процесс идет с выделением энергии. Таким образом, осуществляется известный биологический цикл углерода в окружающей среде,
a углекислый газ; b изотопная температура атмосферы; с метан; d изменение атмосферной концентрации кислорода 18, отражающее температуру и согласующееся с интенсивностью солнечного излучения в середине июня (e), рассчитанным для 65° с. ш.
Происхождение основной массы неона (Ne 20) в атмосфере остается не вполне ясным. По всей вероятности, он освобождается и поступает в атмосферу в процессе разрушения магматических горных пород, а также из вулканических источников. Криптон и ксенон – весьма редкие инертные газы, находящиеся в атмосфере в состоянии крайнего рассеяния. Они поступают в атмосферу с вулканическими эманациями и газами термальных источников. Гелий – наиболее легкий из инертных газов, являющийся конечным продуктом радиоактивного распада урана и тория. Каждый грамм урана, рассеянного в горных породах, в течение года выделяет 1, 16 10 7 мл гелия, каждый грамм тория – 2, 43 10 8 мл. Содержание свободного водорода в атмосфере ничтожно. Его источником являются вулканические процессы, многие магматические и осадочные породы, а также некоторые биогенные процессы, идущие при участии водородообразующих бактерий.
Метан и другие газообразные углероды. Незначительное количество метана СН 4 постоянно отмечается в земной атмосфере. Он образуется в процессе разложения органического вещества при условии недостатка кислорода в почвах, особенно в болотах (болотный газ) и захороненных осадках. Источником техногенных газообразных углеводородов в окружающей среде в основном являются двигатели внутреннего сгорания, в выхлопных газах которых преимущественно содержатся предельные углеводороды. Окись углерода. В отличие от углекислого газа СО 2, являющегося вместе с кислородом основой жизни на Земле, окись углерода СО не характерна для природных процессов в окружающей среде. Обладая токсическими свойствами, окись углерода отрицательно действует на живые организмы. Концентрации СО, превышающие 10 мг на 1 м 3 воздуха, опасны для здоровья человека. Появление окиси углерода в тропосфере является полностью следствием деятельности человека, если исключить образование некоторого количества ее во время лесных пожаров
Сероводород. Поступление незначительных количеств природного сероводорода H 2 S в атмосферу обусловлено процессами бактериального разложения органического вещества в условиях резкого недостатка кислорода. Некоторое количество H 2 S выбрасывается в атмосферу вместе с другими газами в результате вулканических процессов, а также поступает на поверхность с термальными источниками. Сернистый газ. Содержание природного SO 2 в атмосфере ничтожно, его источниками являются вулканические процессы и окисление в воздухе сероводорода, поступающего в результате жизнедеятельности бактерий десульфуризаторов. Незначительные количества SO 2 выделяются в воздух также в результате окисления с поверхности рудных месторождений, содержащих сульфиды. Хлор, присутствие которого в атмосфере находит отражение в варьирующих содержаниях хлор иона в дождевых водах. Помимо ничтожной доли хлора, которая поступает в атмосферу с вулканическими газами, содержащими десятые доли процента этого элемента, весь хлор атмосферы является составной частью хлоридов, выдуваемых ветром с поверхности морей и океана, и в меньшей степени из засоленных почв.
Озон Содержание озона О 3 в атмосфере крайне незначительно. Подобно окислам азота озон образуется в атмосфере под действием электрических разрядов во время грозы (молнии), а также синтезируется из кислорода под воздействием коротковолновой космической ультрафиолето вой радиации. В пределах атмосферы повышенные концентрации озона образуют так называемый озоновый слой, имеющий крайне важное значение для жизни на Земле. Границы слоя варьируют в зависимости от широты, а также времени года. Нижняя граница озонового слоя располагается на высоте 15– 25 км. Его верхняя граница вблизи экватора достигает высоты 48 км, опускаясь в полярных широтах до 35 км. Максимальная концентрация озона характерна для верхней приграничной зоны слоя, где задерживается большая часть ультрафиолетового излучения и происходит синтез молекул озона. Если бы коротковолновое ультрафиолетовое излучение в начальной его интенсивности достигло биосферы, то оно явилось бы губительным для жизни на Земле. Таким образом, озоновый слой представляет собой подобие трудно проницаемого экрана, который защищает окружающую среду от смертоносной для живых организмов дозы ультрафиолетовых лучей, генерируемых Солнцем.
Под загрязнением атмосферы следует понимать поступление в нее из тех или иных источников химических элементов и соединений, которые прямо или косвенно оказывают или могут оказать в будущем отрицательное воздействие на биосферу. Общий перечень наиболее важных загрязнителей окружающей среды был согласован в 1973 г. Список включает следующие вещества: 1. сернистый газ; 2. взвешенные частицы; 3. окись углерода; 4. двуокись углерода (углекислый газ); 5. окислы азота; 6. фотоокислители и реакционноспособные углеводороды; 7. ртуть; 8. свинец; 9. кадмий; 10. хлорированные органические соединения (ДДТ, ПХБ и др. ); 11. нефть и вещества, диспергирующие нефть в морской среде; 13. микотоксины; 14. нитраты, нитриты, нитрозамины; 15. аммиак; 16. отдельные микробные загрязнители. Как можно видеть из этого списка, первые девять наиболее важных загрязнителей полностью или частично связаны с атмосферой.
Скачать презентацию Атмосфера это газовая оболочка Земли Ее плотность
геохимия_8.ppt