Состав атмосферы Земли


 

 

Состав воздуха изучался с давних времен. Некоторые ученые древности (Анаксимен, VI в. до н.э.) даже полагали, что воздух – это первовещество, из разрежений и уплотнений которого состоит все: вода, камни, растения, животные, человек.

В XVII в. в связи с бурным развитием химии были выдвинуты новые гипотезы относительно происхождения и состава воздуха. Основной спор велся относительно того, является ли воздух смесью или же представляет собой химическое соединение. Последняя версия на некоторое время одержала верх. Объяснение было следующим: если воздух – смесь, а не вещество, то под действием силы тяжести должно происходить разделение газов по весу. Тогда атмосфера должна была бы напоминать слоеный пирог – тяжелые газы были бы внизу, а легкие – наверху. Ошибочностью этой теории был неучет процесса перемешивания газов.

В 80-е годы XVIII в. Генри Кавендишу удалось провести наиболее точный на тот период анализ состава воздуха и выделить кислород и азот. После взвешивания, правда, обнаружился некий остаток, но его сочли тогда ошибкой измерений. Лишь в конце XIX в. опыты Дж. Рэлея и 
У. Рамзая показали, что это – не ошибка. Инертным остатком оказался аргон.

Дальнейшие исследования выявили содержание в атмосфере и других газов (табл. 3.2, 3.3). 
Их содержание по сравнению с азотом, кислородом и аргоном очень мало. Но от этого не меньше важность их присутствия в атмосфере и роль в развитии географической оболочки в ходе всей истории формирования Земли.

Все газы и примеси, содержащиеся в атмосфере, можно разделить на пять групп.

1. Основные газовые составляющие воздуха – азот, кислород и аргон (табл. 3.2). На их долю приходится 99,96% массы атмосферы. Соотношение их содержания (N– 78,1%, О– 20,9% и  Аr – 0,9%) сохраняется до высоты порядка 100 км.

Таблица 3.2. Состав сухого воздуха (без учета водяного пара)
у поверхности Земли (Г.В. Суркова, 2006)

Газ

Доля* по объему вблизи поверхности Земли, %

Относительная молекулярная масса

Плотность 
по отношению 
к плотности 
сухого воздуха

Азот (N2)

78,084

28,0134

0,967

Кислород (О2)

20,946

31,9988

1,105

Аргон (Ar)

0,934

39,948

1,379

Углекислый газ (СО2)

0,033

44,00995

1,529

Неон (Ne)

1,818 10-3

20,183

0,095

Гелий (He)

5,239 10-4

4,0026

0,138

Криптон (Kr)

1,14 10-4

83,800

2,868

Водород (Н2)

5 10-5

2,01594

0,070

Ксенон (Хе)

8,7 10-6

131,300

4,524

Озон (О3)

10-6…10-5

47,9982

1,624

Сухой воздух

28,9645

1,000

* Выраженное в процентах отношение объема, занимаемого данной газовой составляющей, к общему объему смеси при условии приведения их к одинаковым давлению и температуре.

2. Малые газовые составляющие (МГС). Эти газы в небольшом количестве всегда присутствуют в атмосфере, хотя это количество может варьировать в различных местах земного шара. Наиболее важные малые газы – озон О3, углекислый газ СО2, метан СН4, оксид углерода СО, закись азота N2О (см. табл. 3.2 и 3.3).

Таблица 3.3. Некоторые малые газовые составляющие в атмосфере, содержание которых
наиболее подвержено антропогенному влиянию (Г.В. Суркова, 2002)

Газ

Название

Концентрация у поверхности, млн-1

Тренд концентрации в атмосфере, % в год

Время жизни в атмосфере, лет

СО2

Диоксид углерода

358

0,4

50–200

СН4

Метан

1,72

0,6

10–12

СО

Оксид углерода

0,12 сев.п/ш

0,06 ю.п/ш

0,31 глоб.

1 сев.п/ш

0 ю.п/ш

0,3 глоб.

0,3

NO2

Оксид азота

0,31

0,3

150

CFCl3

Фреон-11

2,6 10-4

4

70

CF2Cl2

Фреон-12

4,4 10-4

4

120

C2Cl3F3

Фреон-113

3,2 10-5

10

90

CH3CCl3

Метилхлороформ

1,2 10-4

4,5

6

CF2ClBr

На-1211

1 10-6

12

12–15

CF3Br

На-1301

1 10-6

12

12–15

SO2

Оксид серы

(1–20) 10-5

Неизвестно

0,02

COS

Карбонил серы

5 10-4

Менее 3

2–2,5

Малые газы активно участвуют в химических превращениях. Кроме того, они оптически активны и способны поглощать коротковолновую и длинноволновую радиацию на разных участках спектра. Это свойство делает их чрезвычайно важными с точки зрения климатообразования. Концентрация этих газов в атмосфере контролируется как природными процессами, так и антропогенной деятельностью.

К малым газовым составляющим можно отнести и водяной пар, также играющий важную роль в формировании радиационного баланса Земли и химических процессах в атмосфере.

3. Неустойчивые молекулы и атомы (свободные радикалы). Их число в атмосфере невелико. За счет своей высокой реакционной способности время их пребывания в атмосфере иногда достигает доли секунды. К ним относятся атомный кислород (О), гидроксил (ОН), пергидроксил (НО2), оксид хлора (ClO) и другие молекулы и частицы. Многие из них образуются в результате фотодиссоциации молекул под воздействием солнечного излучения, в особенности в его ультрафиолетовой части спектра.

4. Аэрозоли – твердые и жидкие мелкие частицы, взвешенные в воздухе. Их состав, размеры и происхождение довольно разнообразны. Они имеют большую площадь поверхности относительно своей массы, что, при достаточно длительном времени их пребывания в атмосфере, позволяет им активно участвовать в гетерогенных химических реакциях со следовыми газами и радикалами.

5. Антропогенные примеси, полностью или частично поступающие в атмосферу за счет хозяйственной деятельности человека. Среди них наибольшие концентрации в атмосфере имеют углекислый газ, метан, оксид углерода и оксиды азота.

Причины изменения состава атмосферы

Существует масса причин изменения газового состава атмосферы – первое, и самое главное это деятельность человека. Второе, как ни странно, - деятельность самой природы.

а) антропогенное воздействие. Деятельность человека оказывает  разрушающее действие на химический состав атмосферы. При производстве в окружающую среду выбрасывается углекислый газ и ряд других парниковых газов. Особенно опасен выброс CO2 различными заводами и предприятиями. «Все крупнейшие города, как правило, лежат в слое плотного тумана. И не от того, что часто расположены в низинах или у воды, а из-за ядер конденсации, сосредоточенных над городами. В некоторых местах воздух настолько загрязнен частицами выхлопных газов и промышленных выбросов, что велосипедисты вынуждены надевать маски. Эти частицы служат ядрами конденсации для тумана»(1). Так же губительное воздействие оказывают выхлопные газы автомобилей, содержащие оксид азота, свинец, а также большое количество диоксида углерода (углекислого газа).

Одной из главных особенностей атмосферы является наличие озонового экрана. Фреоны – фтор содержащие химические элементы, широко используются в производстве аэрозолей и холодильников, оказывают сильное воздействие на озоновый экран, разрушая его.

«Ежегодно под пастбища вырубаются тропические леса на территории, равной площади Исландии, - в основном в бассейне реки Амазонки (Бразилия). Это может привести к сокращению количества осадков, т.к. количество влаги, испаряемой деревьями, сокращается. Вырубка лесов способствует и усилению парникового эффекта, ведь растения поглощают углекислый газ»(1).

б) естественное воздействие. И природа вносит свою лепту в историю атмосферы Земли, в основном, запыляя её. «Огромные массы пыли поднимают в воздух ветры пустынь. Она заносится на большую высоту и может разнестись очень далеко. Возьмем ту же Сахару. Мельчайшие частицы каменистых пород, поднятые здесь в воздух, закрывают горизонт, сквозь пыльное покрывало тускло светит Солнце»(2). Но опасны не только ветры.

В августе 1883 года на одном из островов Индонезии разразилась катастрофа – взорвался вулкан Кракатау. При этом около семи кубических километров вулканической пыли было выброшено в атмосферу. Ветры разнесли эту пыль на высоту 70-80 км. Лишь спустя годы эта пыль осела.

Так же причиной появления огромного количества пыли в атмосфере являются падающие на Землю метеориты. При попадание на земную поверхность, они поднимают в воздух огромные массы пыли.

Так же в атмосфере периодически то появляются, то исчезают озоновые дыры – дыры в озоновом экране. Многие ученые считают это явление естественным процессом развития географической оболочки Земли.                       

Последствия изменения состава атмосферы

Вследствие промышленной деятельности человека и природы атмосфера Земли загрязняется различными веществами начиная от пыли и заканчивая сложными химическими соединениями. Итогом этого служит прежде всего глобальное потепление климата и разрушение озонового экрана планеты. «Малые изменения в химическом составе атмосферы кажутся незначительными для атмосферы в целом. Но следует напомнить, что редкие газы, входящие в состав атмосферы, могут оказать значительное влияние на климат и погоду»(3).

а) Озоновый экран. Разрушение озонового экрана происходит под действием фтор содержащих компонентов, которые содержаться в аэрозолях и холодильниках. Попадая в атмосферу, вступают в химическую реакцию с озоном, разрушая его. Разрушение озонового экрана ведет к неизбежной гибели всего живого на планете от ультрафиолетового излучения Солнца 

б) Потепление климата. «Некоторые ученые, например, считают, что в последние годы с возрастанием углекислого газа изменился тепловой баланс атмосферы, ибо Земля стала больше поглощать инфракрасной радиации, уменьшился уход тепла от Земли в космос, и повысилась средняя температура природного слоя воздуха. Некоторые исследователи оценивают повышение температуры в 0,01°C в год. Это свидетельствует о тесной связи температуры Земли с химическим составом атмосферы»(3). Повышение температуры ведет к потеплению климата, что ведет к таянию ледников Антарктики и Антарктиды, а как следствие повышение уровня мирового океана и затоплению прибрежных районов.

Глобальное потепление климата возможно в результате парникового эффекта. «Вследствие парникового эффекта произойдет заметное смещение климатических поясов. В результате некоторые крупные регионы мира станут теплее и суше, а другие – теплее и влажнее»(4).

Таблица 1. Прогноз потепления температуры на Земле (4).

ГОД

2000

2025

2050

1

1,5

2

График потепления температуры на Земле (Мирская, 1997)

Рис. 6 График потепления температуры на Земле (Мирская, 1997).

По данным (таблица 1, рис. 6) можно предположить, что к 2050 году температура на Земле в среднем повыситься на 2 градуса, поэтому можно смело говорить о глобальном потеплении климата на планете Земля. 

1. Мирская Е. Погода, - Лондон: Дорлинг Киндерсли Лимитед, 1997.

2. Мезенцев В. А. Энциклопедия чудес. – М.: Знание, 1983.

3. Чандлер Т. Воздух вокруг нас. – Л.: Гидрометеоиздат, 1974.

4. Максаковский В.П. Географическая картина мира. – Ярославль: Вехне-Волжское книжное издательство, 1996.



Реклама