Элементы атмосферы и образование кислорода.
Атмосфера, воздушная оболочка Земли, состоит из газовой смеси, которая на высоте до 20 км имеет примерно следующий постоянный состав (% объема):
- 78,08 — азота,
- 20,95 — кислорода,
- 0,93 — аргона.
Остальную часть газов составляют:
- 355 ррт диоксида углерода,
- 18 ррт неона,
- 5 ррт гелия,
- 15 — 50 ppb озона (в 10 раз в районах с высокоразвитой промышленностью).
Азот появился благодаря химическим реакциям и дегазации из разломов земной коры и на протяжении истории развития Земли накопился в атмосфере: он химически неактивен и практически не участвует в новых процессах обмена веществ в живых существах.
Кислород древней атмосферы, которая сформировалась вследствие выделения газов при охлаждении земного ядра, в объеме, составляющем тысячную долю его количества в современной атмосфере высвободился благодаря фотодиссоциации Н2О и СО2:
2СО2 + УФ-лучи → 2СО + О2;
2Н2О + УФ-лучи → 2Н2 + О2.
Н2О и СО2 вместе с СН4 и NH3 были основными составными частями первичной атмосферы. Первые живые организмы, вероятно, появились около 3,5 млрд лет тому назад (прокариоты). Они получали необходимую для обмена веществ энергию благодаря брожению. Кислород тормозит этот обменный процесс.
Первый биологически синтезированный кислород мог быть продуктом синезеленых водорослей, и его содержание в проатмосфере 2 млрд лет тому назад составляло почти 1%. Синезеленые водоросли при дыхании превращают H2S в S или SO42-, например:
2H2S + СО2 → СН2О + Н2О + 2S.
Кислород служил основой жизнедеятельности первых эукариотов, наследственный материал которых имел мембрану ядра клетки, защищавшую от отравляющего действия кислорода. Кислород современной атмосферы высвободился как побочный продукт при фотосинтезе виноградного сахара в организмах; упрощенная суммарная формула реакции:
6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 +6О2.
Диоксид углерода в количестве 340 ррт — лишь малая составная часть воздушной оболочки; он образуется при диссимиляции:
С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + энергия. 20-кратное количество атмосферного СО2 связано в виде карбоната кальция в известняке, а еще большее количество растворено б океанах в виде гидрокарбонат- и карбонатаонов (
НСО3- и С32-).
Количество СO2 в воздухе, как и количество водяного пара, установилось по равновесным реакциям, которые протекают между атмосферой и вод, оболочкой Земли (круговорот углерода; круговорот воды).
Озон — это трехатомная форма обычно двухатомного кислорода, образуется в стратосфере в две стадии:
- фотодиссоциация О2 + УФ-лучи → О + О;
- химическая реакция О2 + О + <М> → О2 + <М>.
(<М> — чужеродные частички в качестве соударных).
Газовая оболочка удерживается силами земного тяготения, её плотность быстро падает с высотой, а по вертикали она многослойна.
Распределение температур и слои
Тропосфера простирается от земной поверхности до высоты примерно 10 км. В ней сосредоточен практически весь водяной пар атмосферы. Здесь формируются погодные процессы и перемещение воздушных масс. Воздух тропосферы прогревается за счет солнечной энергии, отраженной от земной поверхности. С высотой температура снижается примерно на 6,5 °С на каждый км высоты, опускаясь ниже — 50 °С в верхней граничной зоне тропосферы.
Строение атмосферы по распределению температур.
Различают приземный слой высотой в 2 м с большинством живых растений, где формируется микроклимат.
Выше идет основной слой высотой до 1000 — 2500 м, с вертикальным движением воздуха. С ним граничит зона инверсии (зона с нарастанием температуры), где воздушные потоки движутся преимущественно горизонтально, формируя погоду. Стратосфера находится на высоте от 10 до 50 км. Благодаря почти постоянной температуре над полюсами (— 90 °С) до высоты 30 км (изотермический слой) в ней отсутствует вертикальное движение воздуха. В стратосфере находится слой озона, который абсорбирует вредное для живых существ УФ-излучение (200 — 340 нм); вследствие этого он прогревается до 0 °С. Мезосфере находится на высоте от 50 до 80 км. Выше температура повышается до 50 °С (эффект "печного очага" верхней стратосферы). Выше температура падает до самой низкой точки в мезопаузе — 80 °С, явным образом ограничивая атмосферу.
В термосфере (ионосфере), простирающейся до высоты 500 км, температура возрастает до 1200 °С, но вследствие высокой разреженности воздуха ее нельзя сравнивать с температурой земной поверхности. Воздух характеризуется наличием электрических процессов и слоев с высокой электропроводностью (ионизация), вызываемых действием энергии солнечного излучения. Благодаря ионизации нейтрализуется смертельно жесткое УФ-излучение с длиной волны менее 175 нм, С высоты 500 км начинается внешняя атмосфера (экзосфера, или магнитосфера) с наличием электромагнитных эффектов.
