Химический состав атмосферы Земли

Атмосфера Земли

Атмосфе́ра (от. др.-греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.

Совокупность разделов физики и химии, изучающих атмосферу, принято называть физикой атмосферы. Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли, изучением погоды занимается метеорология, а длительными вариациями климата — климатология.

Физические свойства

Толщина атмосферы — примерно 120 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха в атмосфере — (5,1—5,3)·10¹⁸ кг. Из них масса сухого воздуха составляет 5,1352 ±0,0003·10¹⁸ кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27·10¹⁶ кг.

Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966 г/моль, плотность воздуха у поверхности моря приблизительно равна 1,2 кг/м³. Давление при 0 °C на уровне моря составляет 101,325 кПа; критическая температура — −140,7 °C; критическое давление — 3,7 МПа; C_p при 0 °C — 1,0048·10³ Дж/(кг·К), C_v — 0,7159·10³ Дж/(кг·К) (при 0 °C). Растворимость воздуха в воде (по массе) при 0 °C — 0,0036 %, при 25 °C — 0,0023 %.

За «нормальные условия» у поверхности Земли приняты: плотность 1,2 кг/м³, барометрическое давление 101,35 кПа, температура плюс 20 °C и относительная влажность 50 %. Эти условные показатели имеют чисто инженерное значение.

Химический состав

Атмосфера Земли  возникла в результате выделения  газов при вулканических извержениях. С появлением океанов и биосферы она формировалась и за счёт газообмена с водой, растениями, животными и  продуктами их разложения в почвах и болотах.

Состав сухого воздуха

В настоящее время  атмосфера Земли состоит в  основном из газов и различных  примесей (пыль, капли воды, кристаллы  льда, морские соли, продукты горения).

Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически  постоянна, за исключением воды (H₂O) и углекислого газа (CO₂).

Состав сухого воздуха[1][2]
Газ	Содержание  по объёму, %	Содержание  по массе, %
Азот	78,084	75,50
Кислород	20,946	23,10
Аргон	0,932	1,286
Вода	0,5-4	—
Углекислый газ	0,0387	0,059
Неон	1,818·10−3	1,3·10−3
Гелий	4,6·10−4	7,2·10−5
Метан	1,7·10−4	—
Криптон	1,14·10−4	2,9·10−4
Водород	5·10−5	7,6·10−5
Ксенон	8,7·10−6	—
Закись азота	5·10−5	7,7·10−5

Кроме указанных  в таблице^[2] газов, в атмосфере содержатся SO₂, NH₃, СО, озон, углеводороды, HCl, HF, пары Hg, I₂, а также NO и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль).

Физиологические и другие свойства атмосферы

Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 9 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород.

Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания  кислородом. Однако вследствие падения  общего давления атмосферы по мере подъёма на высоту соответственно снижается  и парциальное давление кислорода.

В лёгких человека постоянно содержится около 3 л альвеолярного воздуха. Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет 110 мм рт. ст., давление углекислого газа — 40 мм рт. ст., а паров воды — 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в лёгких остаётся почти постоянным — около 87 мм рт. ст. Поступление кислорода в лёгкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным этой величине.

На высоте около 19—20 км давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст. Поэтому на данной высоте начинается кипение воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметической кабины на этих высотах смерть наступает почти мгновенно. Таким образом, с точки зрения физиологии человека, «космос» начинается уже на высоте 15—19 км.

Плотные слои воздуха — тропосфера и стратосфера — защищают нас от поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное действие на организм оказывает ионизирующая радиация — первичные космические лучи; на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

По мере подъёма  на всё большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а  затем и полностью исчезают такие  привычные для нас явления, наблюдаемые  в нижних слоях атмосферы, как  распространение звука, возникновение  аэродинамической подъёмной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и др.

В разреженных слоях  воздуха распространение звука оказывается невозможным. До высот 60—90 км ещё возможно использование сопротивления и подъёмной силы воздуха для управляемого аэродинамического полёта. Но начиная с высот 100—130 км знакомые каждому лётчику понятия числа М и звукового барьера теряют свой смысл: там проходит условная линия Кармана, за которой начинается область чисто баллистического полёта, управлять которым можно, лишь используя реактивные силы.

На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства — способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции (т. е. с помощью перемешивания воздуха). Это значит, что различные элементы оборудования, аппаратуры орбитальной космической станции не смогут охлаждаться снаружи так, как это делается обычно на самолёте, — с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является тепловое излучение.

История образования атмосферы

Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера  Земли во времени пребывала в  трёх различных составах. Первоначально  она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера (около четырех миллиардов лет назад)^{[источник не указан 352 дня]}. На следующем этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком, водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера (около трех миллиардов лет^{[источник не указан 277 дней]} до наших дней). Эта атмосфера была восстановительной. Далее процесс образования атмосферы определялся следующими факторами:

• утечка легких газов (водорода и гелия) в межпланетное пространство;
• химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов.

Постепенно эти  факторы привели к образованию третичной атмосферы, характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим — азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

Азот

Образование большого количества азота N₂ обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом О₂, который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Также азот N₂ выделяется в атмосферу в результате денитрификации нитратов и других азотсодержащих соединений. Азот окисляется озоном до NO в верхних слоях атмосферы.

Азот N₂ вступает в реакции лишь в специфических условиях (например, при разряде молнии). Окисление молекулярного азота озоном при электрических разрядах в малых количествах используется в промышленном изготовлении азотных удобрений. Окислять его с малыми энергозатратами и переводить в биологически активную форму могут цианобактерии (сине-зелёные водоросли) и клубеньковые бактерии, формирующие ризобиальный симбиоз с бобовыми растениями, т. н. сидератами.

Кислород

Состав атмосферы  начал радикально меняться с появлением на Земле живых организмов, в результате фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа. Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений — аммиака, углеводородов, закисной формы железа, содержавшейся в океанах и др. По окончании данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку это вызвало серьёзные и резкие изменения многих процессов, протекающих в атмосфере, литосфере и биосфере, это событие получило название Кислородная катастрофа.

В течение фанерозоя состав атмосферы и содержание кислорода претерпевали изменения. Они коррелировали прежде всего со скоростью отложения органических осадочных пород. Так, в периоды угленакопления содержание кислорода в атмосфере, видимо, заметно превышало современный уровень.

Углекислый газ

Основные статьи: Геохимический цикл углерода, Углекислый газ в атмосфере Земли

Содержание в  атмосфере СО₂ зависит от вулканической деятельности и химических процессов в земных оболочках, но более всего — от интенсивности биосинтеза и разложения органики в биосфере Земли. Практически вся текущая биомасса планеты (около 2,4·10¹² тонн[1]) образуется за счет углекислоты, азота и водяного пара, содержащихся в атмосферном воздухе. Захороненная в океане, в болотах и в лесах органика превращается в уголь, нефть и природный газ.

Благородные газы

Источник инертных газов — аргона, гелия и криптона — вулканические извержения и распад радиоактивных элементов. Земля в целом и атмосфера в частности обеднены инертными газами по сравнению с космосом. Считается, что причина этого заключена в непрерывной утечке газов в межпланетное пространство^{[источник не указан 277 дней]}.

Загрязнение атмосферы

В последнее время  на эволюцию атмосферы стал оказывать  влияние человек. Результатом его деятельности стал постоянный значительный рост содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива, накопленного в предыдущие геологические эпохи. Громадные количества СО₂ потребляются при фотосинтезе и поглощаются мировым океаном. Этот газ поступает в атмосферу благодаря разложению карбонатных горных пород и органических веществ растительного и животного происхождения, а также вследствие вулканизма и производственной деятельности человека. За последние 100 лет содержание СО₂ в атмосфере возросло на 10 %, причём основная часть (360 млрд тонн) поступила в результате сжигания топлива. Если темпы роста сжигания топлива сохранятся, то в ближайшие 20—30 лет количество СО₂ в атмосфере удвоится и может привести к глобальным изменениям климата.

Сжигание топлива — основной источник и загрязняющих газов (СО, NO, SO₂). Диоксид серы окисляется кислородом воздуха до SO₃ в верхних слоях атмосферы, который в свою очередь взаимодействует с парами воды и аммиака, а образующиеся при этом серная кислота (Н₂SO₄) и сульфат аммония ((NH₄)₂SO₄) возвращаются на поверхность Земли в виде т. н. кислотных дождей. Использование двигателей внутреннего сгорания приводит к значительному загрязнению атмосферы оксидами азота, углеводородами и соединениями свинца (тетраэтилсвинец Pb(CH₃CH₂)₄)).

Аэрозольное загрязнение  атмосферы обусловлено как естественными  причинами (извержение вулканов, пыльные  бури, унос капель морской воды и  пыльцы растений и др.), так и хозяйственной  деятельностью человека (добыча руд  и строительных материалов, сжигание топлива, изготовление цемента и т. п.). Интенсивный широкомасштабный вынос твёрдых частиц в атмосферу — одна из возможных причин изменений климата планеты.

Литература

1. В. В. Парин, Ф. П. Космолинский, Б. А. Душков «Космическая биология и медицина» (издание 2-е, переработанное и дополненное), М.: «Просвещение», 1975, 223 стр.
2. Н. В. Гусакова «Химия окружающей среды», Ростов-на-Дону: Феникс, 2004, 192 с ISBN 5-222-05386-5
3. Соколов В. А. Геохимия природных газов, М., 1971;
4. МакИвен М., Филлипс Л. Химия атмосферы, М., 1978;
5. Уорк K., Уорнер С. Загрязнение воздуха. Источники и контроль, пер. с англ., М.. 1980;
6. Мониторинг фонового загрязнения природных сред. в. 1, Л., 1982.