В.А. Магницкий - Общая геофизика (1119278), страница 19
Текст из файла (страница 19)
А так как биосфера является продуктом деятельности других геологических оболочек и взаимодействует с ними, то мы сталкиваемся с проблемой сохранения условийсуществования живой и неживой природы в верхних оболочках Земли. Эта жизненно важная для нас проблема требует специальноговсестороннего изучения.В настоящее время уже формируется новая наука — глобальнаяэкология, в задачи которой входит комплексное исследование верхних оболочек Земли, включая бионоосферу, влияния на них стихийных геофизических и технологических катастроф, антропогенноговоздействия, а также разработка методов сохранения жизни природыи человека.
Существенным компонентом глобальной экологии нарядус другими науками является геофизика: физика твердой Земли, атмосферы и океана.ЧАСТЬ IIФИЗИКА АТМОСФЕРЫГЛАВА 1СТРОЕНИЕ, СОСТАВИ ТЕРМ ОДИНАМ ИКА АТМ ОСФ ЕРЫП РОИСХОЖ ДЕНИЕИ ЭВОЛЮ Ц И Я А ТМ О СФ ЕРЫАтмосфера представляет собой почти прозрачную для солнечногоизлучения газовую оболочку нашей планеты. Хотя снимки, полученные из космоса, свидетельствуют о концентрации воздушной массыу поверхности Земли (рис. 1.1), тем не менее имеют место явления,например полярные сияния, которые развиваются на огромной высоте (до 1000 км), что говорит о наличии там атмосферных газов.На рис.
1.2 приведено вертикальное распределение массы атмосферы. Из приведенных рисунков следует, что основная масса атмосферы сосредоточена в слое толщиной около 30 км. Более того,расчеты показывают, что половина всей массы атмосферы заключена в слое толщиной в б км. Примечательно, что облачные системытакже формируются и развиваются в слоях на указанных высотах(6-10 км).Современная земная атмосфера является итогом долгого процессаэволюции, который начался примерно 3-4 млрд лет тому назад.За это время атмосфера многократно изменяла свой состав и своисвойства. “Атмосфера” — значит паровая сфера ("атмо" — “пар”).Теперь мы далеко ушли от такого примитивного представления.В начале на нашей планете не было атмосферы. При образованиипланет первичное вещество из-за гравитации сжималось. При этомтемпература поднималась и происходило расплавление вещества.В глубинах планеты концентрировалось тяжелое вещество, а кораЗемли сложилась из легких пород.
Газообразные же продукты реакции, имевшие место в расплаве, создали первичную атмосферу. Этотпроцесс усиливался множеством действующих вулканов, которыевыбрасывали огромное количество водяного пара, пепла, углекислогогаза, окиси углерода, сернистого газа.Вначале из-за высокой температуры конденсация газов не происходила, однако со временем в атмосфере появилась капельная вода истали выпадать обильные дожди. Это привелоРис. 1.1. Атмосфера, какой ее видел Д . Глен с высотыК образованию первич200 км над Индийским океаном после захода СолнцаНОГО океана. Значитель20 февраля 1962 г.
(по ^1^лиглю, Бузингеру, 1965)ная часть углекислогогаза растворялась дождями и, выпадая, принимала участие в биологических процессахна Земле. В 1920-х гг. английский биолог Хелдли высказал гипотезу,по которой атмосфера первоначально состояла из Н20 , С 02, СН4и NH3. Эти вещества образовали основу первых органических соединений в первичном океане. При этом энергия для образования сложных молекул могла поступать в результате прихода ультрафиолетового излучения.Взгляд Хелдли был пересмотрен русским ученым А.И.
Опариным.Он считал, что основными составляющими первичной атмосферыбыли водород, водяной пар, аммиак и метан. Примерно 2,5-3 млрдлет назад под влиянием солнечной радиации начали возникать органические вещества. В результате процессов, природа которыхпока не выяснена, они образовали сложные клетки, ставшиеосновой первичных, а затем иболее развитых форм жизни.Кислород, один из главныхгазов, поддерживающий жизньна Земле, начал поступать ватмосферу на сравнительно позднем этапе развития планеты.Предположительно он возник врезультате взаимодействия солнечной радиации с молекуламиводы и расщепления их на молекулы водорода и кислородав атмосфере. По другой версиикислород появился как побочный продукт фотосинтеза перРис.
1.2. Вертикальное распределение массыВИЧНОГО растительного покроваатмосферыЗемли.В настоящее время состав атмосферы хорошо известен. Она восновном состоит из азота и кислорода и нескольких второстепенныхгазов (табл. 1). Кроме того, атмосфера содержит различные переменные компоненты. К ним относятся водяной пар, двуокись углерода,озон, двуокись серы, двуокись азота (табл. 2).Таблица 1Постоянные компоненты воздуха( Флигль9Бузингер, 1965)КомпонентаФормулаОтносительнаямолекулярная масса% объемаАзотn228,01678,110 ± 0 ,0 0 40,934 ± 0,001НеонNe20,182(18,18 ± 0,04) • 10~4ГелийНе4,003(5,24 ± 0,004) • 10~4КриптонКгК сенонХеВодородН22,016Метансн 416,0432 • 10-4Закись азотаn 2o44,015(0,5 ± 0 , 1 ) • 10-4131,3оо83,801-U20,953 ± 0,00139,9421+31,9986АгО02/~\КислородАргон(0,087 ± 0,001) • 10-4ОчГ1оТаблица 2Переменные компоненты воздуха( Флигль, Бузингеру 1965)КомпонентаФормулаОтносительнаямолекулярная масса% объеман2оС0218,0050 -744,0090,01-0,1(у поверхности);среднее 0,032°347,9980-0,01Двуокись серыS0264,0640-0,0001Двуокись азотаno246,0070-0,0 0 0 0 0 2ВодаДвуокись углеродаОзонИз табл.
1 следует, что самый распространенный газ в атмосфере — азот. В газообразном состоянии азот химически нейтрален, ав соединениях играет важную роль в обмене между растительными животным миром.Вторым атмосферным газом (по объему) является Кислород. Онсамый активный газ. Между тем содержание кислорода в атмосфере практически неизменно, что объясняется уравновешиванием расхода и прихода в процессе кислородного обмена в экосистеме животные-растения.М АССА АТМ ОСФ ЕРЫДавление воздуха у поверхности Земли, как известно, равнор0 = 1,013 • 105 Па, следовательно, на всю поверхность Земли= 4л:Лф действует сила F = 4лЯф • р0, равная весу всей атмосферы F = mjz. Из равенства этих сил получаем выражение для массыатмосферы: та = 4^ R ^ p 0/g — 5,3 • 1018 кг.Так как масса Земли т ф = 6 • 1024 кг, то масса атмосферы примерно в 106 раз меньше массы Земли.Сравним ее с массой Мирового океана, равной m w = 1,4 • 1021 кг.Получим, что масса атмосферы примерно в 300 раз меньше массыМирового океана.К АК УД ЕРЖ ИВАЕТСЯ АТМ ОСФ ЕРА ПЛАНЕТ?Гравитационное притяжение Земли не только создает давлениеатмосферы, но и препятствует расширению газа в космос.
Скоростьмолекулы газа при температуре Т = 300 К может быть оцененаиз выражения mv2/ 2 = кТ или v — V k T / m , где к — постоянная Больцмана, m — масса молекулы. Если скорость молекул газа будетсравнима со второй космической скоростью Земли vk = V 2g R ^ == 11,2 км/с, то тогда гравитационное поле Земли не сможет удерживать атмосферу. Тепловая скорость молекулы водорода равна1,1 км/с, гелия — 0,8 км/с, а средняя скорость молекул азота икислорода равна примерно 0,3 км/с. Это означает, что Земля можетудержать свою атмосферу.
На самом деле малая часть молекул газоввоздуха покидает Землю. Это происходит из-за того, что в верхнейатмосфере (в термосфере) температура достигает 1200 К.ВЕРТ И К А Л ЬН АЯ СТРУКТУРА А Т М О С Ф ЕРЫПервые 90 км высоты атмосферы характеризуются однородностьюсостава.
Этот слой называется гомосферой, и воздух в нем хорошоперемешан (рис. 1.3).Выше лежит гетеросфера —часть земной атмосферы с переменным составом, ще относительная концентрация гелия и водорода увеличивается с высотой.Практически покидают атмосферу Земли только эти два газа.Между тем их концентрацияне уменьшается в гетеросфере.Это объясняется тем, что гелийвыделяется в земной коре в результате процессов радиоактивного распада, а водород поступает, как продукт распада водяного пара после разложения воды под воздействием ультрафиолетовой части солнечной радиации в верхней атмосфере (навысоте 30-50 км).Поскольку секундный расходводорода составляет 1 кг, а такое количество его содержится в9 кг воды, то запасы воды можносчитать “неисчерпаемыми” (еехватит на 5 • 1012 лет).Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
