Атмосфера: строение, происхождение, экологические функции

Атмосфера — это газовая оболочка, не имеющая четко выраженной верхней грани­цы и существующая благодаря гравитационному притяжению Земли. Состав у поверхности Земли следующий: азот — 78,1 %, кислород — 20,95 %, аргон — 0,93 % и в незначительных долях процента углекислый газ, водород, ге­лий, неон и другие газы. На высоте 20—25 км расположен слой озона, который предохра­няет живые организмы от коротковолнового (ультрафиолетового) сол­нечного излучения, пагубно воздействующего на живые организмы.

По резкой смене температур в атмосфере выделяют несколько слоев (сфер). Границы между ними носят название пауз (тропопау­за, стратопауза, мезопауза). В самом нижнем слое — тропосфере — темпе­ратура по мере повышения высоты от земной поверхности падает до -55 °С у полюса и -75 °С у экватора. В ней сосредоточено 4/5 всей массы атмосферы. Она богата азотом и кислородом, насыщена па­рами воды и углекислым газом. Здесь протекают важные погодные процессы и образуются облака. Температура в тропосфере падает с высотой в среднем на 6 °С на каждый километр. Тропосфера про­стирается до высоты 12—15 км и отделяется от стратосферы тро­попаузой.

В стратосфере происходит резкое повышение температуры, до­стигающее 0 °С на высоте 55 км, где проходит стратопауза. В стра­тосфере количество азота и кислорода уменьшается, а содержание водорода, гелия и других легких газов увеличивается. В ней располагается озоновый слой.

Следующий слой атмосферы — мезосфера — располагается в интервале 55 —95 км над поверхностью Земли. В ней продолжается падение температуры с увеличением высоты и достигает -70, -80 °С в мезопаузе.

В термосфере температура повышается, достигая на вы­соте 400 км 1200 0С. Ее нередко называют ионосферой, так как мо­лекулы газов ионизированы космическим излучением, т. е. лише­ны верхних электронов и поэтому обладают положительным заря­дом. Как и любой ионизированный газ, воздух в термосфере хоро­шо проводит электричество. К тому же термосфера обладает заме­чательным свойством — отражает радиоволны, что делает возмож­ной дальнюю связь на Земле.

Выше термосферы располагается экзосфера, представляющая собой переходную область между атмосферой и межпланетным пространством. Характерными ее особенностями являются преоб­ладание газов в атомарном состоянии и очень малая плотность. Здесь наиболее легкие газы покидают атмосферу и рассеиваются в космическом пространстве.

Современная атмосфера представляет собой результат длитель­ного эволюционного развития. Она возникла в результате совмест­ных действий геологических факторов и жизнедеятельности орга­низмов. Первичная атмосфера (протоатмосфера) на самой ранней протопланетной стадии, т.е. старше чем 4,2 млрд. лет, мог­ла состоять из смеси метана, аммиака и углекислого газа. В резуль­тате дегазации мантии и протекающих на земной поверхности ак­тивных процессов выветривания в атмосферу стали поступать пары воды, соединения углерода в виде СО₂ и СО, серы и ее соедине­ний, а также сильных галогенных кислот — НСl, HF, HI и борной кислоты, которые дополнялись находившимися в атмосфере мета­ном, аммиаком, водородом, аргоном и некоторыми другими бла­городными газами. Эта первичная атмосфера была чрезвычайно тонкой.

С течением времени газовый состав первичной атмосферы под влиянием процессов выветривания горных пород, выступавших на земной поверхности, жизнедеятельности цианобактерий и сине-зеленых водорослей, вулканических процессов и действия солнеч­ных лучей стал трансформироваться. Привело это к разложению метана на водород и углекислоту, аммиака — на азот и водород; во вторичной атмосфере стали накапливаться углекислый газ, кото­рый медленно опускался к земной поверхности, и азот. Благодаря жизнедеятельности синезеленых водорослей в процессе фотосин­теза стал вырабатываться кислород, который, однако, в начале в основном расходовался на окисление атмосферных газов, а затем горных пород. При этом аммиак, окислившийся до молекуляр­ного азота, стал интенсивно накапливаться в атмосфере. Метан и оксид углерода окислялись до угле­кислоты. Сера и сероводород окислялись до SO₂ и SO₃, которые вследствие своей высокой подвижности и легкости быстро удали­лись из атмосферы. Таким образом, атмосфера из восстановитель­ной, какой она была в архее и раннем протерозое, постепенно превращалась в окислительную.

Углекислый газ поступал в атмосферу как вследствие окисле­ния метана, так и в результате дегазации мантии и выветривания горных пород. Значительная часть углекислого газа из атмос­феры растворялась в гидросфере, в которой он использовался гидробионтами для построения своей раковины и биогенным путем превращался в карбонаты. В дальнейшем из них были сформирова­ны мощнейшие толщи хемогенных и органогенных карбонатов.

Кислород в атмосферу поступал из трех источников. В течение длительного времени, начиная с момента возникновения Земли, он выделялся в процессе дегазации мантии и в основном расходо­вался на окислительные процессы. Другим источником кислорода была фотодиссоциация паров воды жестким ультрафиолетовым солнечным излучением. Третьим – процессы фотосинтеза. Стабилизация содержания кисло­рода в атмосфере произошла с того момента, когда растения выш­ли на сушу, — примерно 450 млн. лет назад.

Экологические функции атмосферы заключаются в обеспече­нии условий:

- жизнедеятельности организмов;

- функционирования гидросферы, литосферы и почвы;

- формирования климата;

- возникновения экстремальных явлений и стихийных бедствий;

- развития человечества.

Наряду с экологическими атмосфера обладает и геологиче­скими функциями. Геологическая роль атмосферы за­ключается в том, что ее строение, элементарный состав, состоя­ние и взаимодействие с литосферой, почвенным покровом, гид­росферой, равно как и протекающие в ней процессы, определя­ются скоростями и масштабностью воздействия на поверхност­ную часть литосферы физико-химических факторов, которые оп­ределяют интенсивность и скорость воздействия агентов выветривания, эрозии, транспортировки и аккумуляции осадочного материала. Атмосфера — важный источник веществ для формирования почв, горных пород и полезных ископаемых. Атмосфера не только яв­ляется преобразователем солнечной энергии, но и одновременно служит источником строительного материала (оксида углерода) для живых организмов.