§ 24. Склад і будова атмосфери

Термін «повітря» в українській мові походить від слова «вітер». Та коли ми говоримо про повітряну або газову оболонку Землі, то частіше вживаємо значно ширше поняття «атмосфера» — щось дуже ніжне, прозоре, без запаху і без кольору. Коли ж заглибитись у процеси, що відбуваються у повітряній оболонці, розумієш, наскільки ця оболонка є складною, цікавою і важливою для всього живого на нашій Землі. Атмосфера Землі — це єдина в Сонячній системі атмосфера в такому газовому складі, який цілком забезпечує захист і комфортні умови для розвитку унікального рослинного і тваринного світу, найголовніше — людини.

Яким має бути газовий склад повітря, щоб можна було ним дихати?

Найбільший об’єм у повітрі займає газ азот — 78%. Цей газ не має ні запаху, ні кольору. Він не підтримує горіння і непридатний для дихання. Чому його так багато в повітрі?

Вчені вважають, що причиною цього є активна вулканічна діяльність на нашій планеті, через яку газ азот виходить з глибинних шарів мантії (Землі) на поверхню. Цікаво, що азот — надзвичайно поширений елемент не лише на Землі, але і в атмосферах інших планет Сонячної системи.

Друге місце в об’ємі повітря після азоту займає кисень — 21%. Цей газ, як і попередній, не має ні кольору, ні запаху, ні смаку. Але кисень є прямою протилежністю азоту — він підтримує горіння і дихання. Тому цей елемент відіграє надзвичайно важливу роль для всіх живих організмів нашої планети. Також кисень є основним елементом Світового океану, гірських порід, ґрунту, білків, жирів, вуглеводів.

Звідки ж взявся кисень в атмосфері Землі?

Основна причина наявності кисню в атмосфері — процес фотосинтезу.

На третьому місці знаходиться газ аргон — 0,9%. Цей газ утворюється в результаті розпаду радіоактивних хімічних елементів.

А на четвертому місці — вуглекислий газ, 0,039%. Причин утворення цього газу дуже багато: під час виверження вулканів, у процесі дихання тварин, людини, під час природних та штучних пожеж, у процесі перегнивання рослинних і тваринних решток, під час виробництва на підприємствах, під час спалювання та переробки паливних корисних копалин.

Найбільшою проблемою сьогодення є зростання вуглекислого газу в атмосфері.

Крім вище названих газів, велике значення для всіх живих організмів має газ озон. Озон утворюється під час грози внаслідок розряду блискавок. Має приємний запах «свіжого повітря». І хоч його вміст у повітрі надзвичайно мізерний, проте значення для всього живого має надзвичайно велике. Адже відбиває більшу частину ультрафіолетового сонячного випромінювання.

У повітрі завжди присутня водяна пара. Але її вміст над різними територіями неоднаковий — від 0,2 до 2,5%. Так, у теплих екваторіальних широтах у повітрі водяної пари значно більше, ніж над холодними арктичними та антарктичними широтами.

Газовий склад атмосфери, який ми охарактеризували вище, є середнім, тобто характерним для океанічного повітря, альпійських луків, степів та лісів. Але в повітрі завжди є домішки. Все залежить від того, над якою територією перебуває це повітря. Так, над великими промисловими містами повітря буде містити домішки шкідливих елементів: сірки, сажі, аміаку, мінеральних речовин та збільшену кількість вуглекислого газу.

Над болотами буде більше домішок газів метану, сірководню, які утворюються через гниття органічних решток.

А от над активними вулканами в повітрі буде велика концентрація діоксиду сірки. Тому довго перебувати біля таких об’єктів вкрай небезпечно.

У повітрі ж над морями та океанами завжди відчувається запах солі через підвищений вміст іонів магнію, йоду, брому, хлористого натрію. Таким повітрям корисно дихати в будь-яку пору року.

2. Невже газову оболонку нашої планети можна поділити?

Так, газову оболонку нашої планети можна розділити на окремі шари. Хоча насправді між ними немає ніяких кордонів, адже більшість газів — це надзвичайно рухомі речовини, молекули яких легко перемішуються. І все ж, через зміну температури повітря, кількості водяної пари та атмосферного тиску з висотою вчені умовно розділили атмосферу на п’ять оболонок (мал. 88).

Практикуймо

Аналізуємо схему будови атмосфери.

Нижню оболонку атмосфери називають тропосферою. Її товщина над поверхнею Землі сягає від 8 до 18 км: над екваторіальними широтами — до 16-18 км, а над полярними — до 8-10 км. У тропосфері знаходиться до 80% всього атмосферного повітря, і в ній відбуваються важливі процеси: колообіг води, формування хмар, опадів, вітрів. Температура у тропосфері з висотою падає, оскільки Сонце спочатку нагріває поверхню землі, а вже від землі нагрівається повітря.

Мал. 88. Будова атмосфери

Над тропосферою знаходиться стратосфера. Ця оболонка закінчується на висоті 40-50 км над Землею: до 40 км — над полярними, до 50 км — над екваторіальними широтами. У стратосфері дуже розріджене повітря, мало водяної пари, проте на висоті 20-40 км концентрується газ озон — надзвичайно цінний газ для усього живого на Землі. Озон поглинає шкідливе ультрафіолетове сонячне випромінювання. Через вміст озону температура в стратосфері зростає.

Третя оболонка атмосфери — мезосфера, висотою до 80 км. У цій оболонці можна спостерігати полярне сяйво — світіння розріджених шарів атмосфери. Термосфера — четверта оболонка атмосфери, висотою до 800 км. Отримала назву через значне зростання температури розрідженого повітря. Екзосфера — зовнішня оболонка атмосфери, в якій дуже розріджене повітря та низька температура. Ця оболонка є своєрідною перехідною зоною між атмосферою Землі і космічним простором.

Пізнаймо більше

Сьогодні в небі над Землею одночасно може перебувати до 20 тисяч літаків. Прогнози передбачають, що при таких темпах зростання кількості рейсів на рік, як в останні роки, у 2035 році в небі буде одночасно до 40 тисяч літаків. Який вплив на склад атмосфери та живі організми буде мати таке зростання?

Зайдіть на інтернет-проєкт за покликанням Flightradar24.com і перегляньте карту з літаками в усьому світі (чи над однією країною) в режимі реального часу. Зробіть висновок, яка велика кількість літаків одночасно перебуває в небі, спалює кисень, спричинює дискомфорт для птахів, збільшує шумове навантаження тощо.

Знаймо, вміймо і використовуймо в житті

Атмосфера — це повітряна оболонка Землі. Вона унікальна за своїми властивостями. Атмосфера захищає всі живі організми від пекучого сонячного проміння і від переохолодження, від падіння метеоритів, від згубного ультрафіолетового випромінювання.

Атмосфера унікальна за своїм газовим складом. Саме таке співвідношення газів, яке є в земній атмосфері, дає можливість розвиватись органічному світові на нашій планеті. Атмосфера змінюється з висотою, стає більш розрідженою, знижується температура. Тому атмосферу поділяють на кілька оболонок, найголовніша з яких є нижня — тропосфера. Це та оболонка, в якій зосередилося 80% усього повітря, формуються опади та існує життя.

Але атмосфера — дуже ніжна оболонка. Вона надзвичайно чутливо реагує на людську діяльність, а саме: вирубування лісів, спалювання горючих корисних копалин, збільшення транспортних засобів, підприємств зі шкідливими викидами. Тож знання про газовий склад атмосфери, її велику роль у збереженні життя на нашій планеті дасть можливість нам усім розумно ставитися до навколишнього середовища.

Практикуймо

• 1. Враховуючи знання про форму Землі, подумайте над таким запитанням: чому товщина тропосфери неоднакова на Землі: над екватором її товщина становить 16-18 км, а над полюсами — лише 8-10 км?
• 2. Яке значення для живих організмів має газ озон?
• 3. Газовий склад атмосфери однаковий що на поверхні Землі, що по вертикалі. І все ж різниця у складі повітря між великими населеними пунктами, лісовими масивами і узбережжями океанів є велика. Чому?
• 4. Чому в атмосфері зростає кількість вуглекислого газу?

Виникнення і еволюція атмосфери Землі

Сучасна атмосфера Землі являє собою результат тривалого еволюційного розвитку. Вона виникла в результаті спільних дій геологічних факторів і життєдіяльності організмів. Протягом усієї геологічної історії земна атмосфера пережила кілька глибоких перебудов. На основі геологічних даних і теоретичних (передумов первозданна атмосфера молодої Землі, що існувала близько 4 млрд. років тому, могла складатися з суміші інертних і благородних газів з невеликим додаванням пасивного азоту (Н. А. Ясаманов, 1985; А. С. Монин, 1987; О. Г. Сорохтин, С. А. Ушаков, 1991, 1993). нині погляд на склад і будову ранньої атмосфери кілька видозмінився. Первинна атмосфера (протоатмосфера) на самій ранній протопланетной стадії., тобто старше ніж 4,2 млрд. років, могла складатися з суміші метану, аміаку і вуглекислого газу. в результаті дегазації мантії і що протікають на земній поверхні активних процесів вивітрювання в атмосферу стали надходити пари води, сполуки вуглецю у вигляді СO2 і СО, сірки та її сполук, а також сильних галогенних кислот – НСI, НF, НI і борної кислоти, які доповнювалися перебували в атмосфері метаном, аміаком, воднем, аргоном і деякими іншими благородними газами. Ця первинна атмосфера була надзвичайно тонкою. Тому температура в земної поверхні була близькою до температури променистого рівноваги (А. С. Монин, 1977).

З плином часу газовий склад первинної атмосфери під впливом процесів вивітрювання гірських порід, що виступали на земній поверхні, життєдіяльності ціанобактерій і синьо -зелених водоростей, вулканічних процесів і дії сонячних променів став трансформуватися. Призвело це до розкладання метану на водень і вуглекислоту, аміаку – на азот і водень; у вторинній атмосфері стали накопичуватися вуглекислий газ, який повільно опускався до земної поверхні, і азот. Завдяки життєдіяльності синьо -зелених водоростей у процесі фотосинтезу став вироблятися кисень, який, однак, на початку в основному витрачався на «окислення атмосферних газів, а потім і гірських порід. При цьому аміак, окислів до молекулярного азоту, став інтенсивно накопичуватися в атмосфері. Як передбачається, значна сподіваєшся азоту сучасної атмосфери є реліктової. Метан і оксид вуглецю окислялись до вуглекислоти. Сірка і сірководень окислялись до SO2 і SO3, які внаслідок своєї високої рухливості і легкості швидко віддалилися з атмосфери. Таким чином, атмосфера з відновної, якою вона була в археї і ранньому протерозої, поступово перетворювалася на окислювальну.
Вуглекислий газ надходив в атмосферу як внаслідок окислення метану, так і в результаті дегазації мантії і вивітрювання гірських порід. У тому випадку, якщо б весь вуглекислий газ, що виділився за всю історію Землі, зберігся в атмосфері, його парціальний тиск в даний час могло стати таким же, як на Венері (О. Сорохтин, С. А. Ушаков, 1991). Але на Землі діяв зворотний процес. Значна частина вуглекислого газу з атмосфери розчинялася в гідросфері, в якій він використовувався гідробіонтами для побудови своєї раковини і біогенним шляхом перетворювався на карбонати. Надалі з них були сформовані найпотужніші товщі хемогенних і органогенних карбонатів.

Кисень в атмосферу надходив з трьох джерел. Протягом тривалого часу, починаючи з моменту виникнення Землі, він виділявся у процесі дегазації мантії і в основному витрачався на окислювальні процеси, Іншим джерелом кисню була фотодисоціація парів води жорстким ультрафіолетовим сонячним випромінюванням. Появ; вільного кисню в атмосфері привело до загибелі більшості прокаріотів, які мешкали у відновних умовах. Прокаріотні організми змінили місця свого проживання. Вони пішли з поверхні Землі в її глибини і області, де ще зберігалися відновні умови. Їм на зміну прийшли еукаріоти, які стали енергійно переробляти вуглекислоту в кисень.
Протягом архею і значної частини протерозою практично весь кисень, що виникає як: абіогенним, так і біогенним шляхом, в основному витрачався на окислення заліза і сірки. Вже до кінця протерозою все металеве двовалентне залізо, що знаходилося на земній поверхонь або окислювалося, або перемістилося в земне ядро. Це призвело до того, що парціальний тиск кисню в раннепротерозойской атмосфері змінилося.

У середині протерозою концентрація кисню в атмосфері досягала точки Юри і становила 0,01 % сучасного рівня. Починаючи з цього часу кисень став накопичуватися в атмосфері і, ймовірно, вже наприкінці рифея його зміст досягло точки Пастера (0,1 % сучасного рівня). Можливо, в вендском періоді виник озоновий шар і Ь цього часу вже ніколи не зникав.
Поява вільного кисню в земній атмосфері стимулювало еволюцію життя і призвело до виникнення нових форм з більш досконалим метаболізмом. Якщо раніше еукаріотні одноклітинні водорості і цианеи, що з’явилися на початку протерозою, вимагали вмісту кисню у воді всього 10-3 його сучасної концентрації, то з виникненням бесскелетних Metazoa наприкінці раннього венда, тобто близько 650 млн. років тому, концентрація кисню в атмосфері повинна була б бути значно вище. Адже Metazoa використовували кисневе дихання і для цього було потрібно, щоб парціальний тиск кисню досягло критичного рівня – точки Пастера. У цьому випадку анаеробний процес бродіння змінився енергетично більш перспективним і прогресивним кисневим метаболізмом.

Після цього подальше накопичення кисню в земній атмосфері відбувалося досить швидко. Прогресивне збільшення обсягу синьо -зелених водоростей сприяло досягненню в атмосфері необхідного для життєзабезпечення тваринного світу рівня кисню. Певна стабілізація вмісту кисню в атмосфері сталася з того моменту, коли рослини вийшли на сушу, – приблизно 450 млн. років тому. Вихід рослин на сушу, що стався в силурийском періоді, призвів до остаточної стабілізації рівня кисню в атмосфері. Починаючи з цього часу його концентрація стала коливатися в досить вузьких межах, ніколи не сходило за рамки існування життя. Повністю концентрація кисню в атмосфері стабілізувалася з часу появи квіткових рослин. Ця подія відбулася в середині крейдяного періоду, тобто близько 100 млн. років тому.
Основна маса азоту сформувалася на ранніх стадіях розвитку Землі, головним чином за рахунок розкладу аміаку. З появою організмів почався процес зв’язування атмосферного азоту в органічну речовину і поховання його в морських опадах. Після виходу організмів на сушу азот став поховані і в континентальних опадах. Особливо посилилися процеси переробки вільного азоту з появою наземних рослин.

На рубежі кріптозоя і фанерозоя, тобто близько 650 млн. років тому, вміст вуглекислого газу в атмосфері знизилося до десятих часток відсотків, а змісту, близького до сучасного рівня, він досяг лише зовсім недавно, приблизно 10-20 млн. років тому.
Таким чином, газовий склад атмосфери не лише надавав організмам життєвий простір, а й визначав особливості їх життєдіяльності, сприяв розселенню та еволюції. Виникаючі збої в розподілі сприятливого для організмів газового складу атмосфери як через космічні, так і планетарних причин приводили до масових вимирань органічного світу, які неодноразово відбувалися протягом кріптозоя і на певних рубежах фанерозойськой історії.