Эволюция атмосферы

Газовая оболочка Земли называется атмосферой (от греч, «атмос» — «пар» и «сфера» — «оболочка»). Сущест­вование атмосферы обусловлено достаточно сильным гра­витационным полем Земли. Далеко не все небесные тела имеют атмосферу. У малых планет (Меркурий, Марс), на­пример, она отсутствует из-за того, что средняя скорость теплового движения молекул газов, пропорциональная температуре, оказывается больше второй космической скорости. Такие планеты в конце концов теряют свою га­зовую оболочку. Земля же имеет достаточную массу и раз­мер, чтобы вторая космическая скорость вблизи ее поверх­ности, равная 11, 2 км/с, в несколько раз превышала сред­нюю скорость теплового движения газовых молекул (примерно 0, 3 км/с). Благодаря этому до 90% всей массы воздуха сосредоточено в приповерхностном слое (тропосфере) вы­сотой около 16 км. В то же время в атмосфере всегда при­сутствует некоторое количество быстрых молекул, кото­рые обладают достаточной кинетической энергией, чтобы подняться на десятки тысяч километров. В первую оче­редь это относится к атомам и молекулам легких газов (во­дород, гелий и др.). Так что резкой верхней границы ат­мосфера не имеет. Более того, Земля постоянно теряет те молекулы атмосферы, скорости которых превышают вто­рую космическую. Например, ежесекундно в космическое пространство улетучивается около 1 кг водорода. За всю свою историю Земля таким образом потеряла почти весь свой газообразный водород и гелий.

Атмосфера представляет собой механическую смесь многих газов. Главными составляющими чистого сухого воздуха на уровне моря являются азот (78%), кислород (21%), аргон (1%) и углекислый газ (0, 03%). На долю остальных газов - неона, гелия, криптона, водорода, озо­на и т. д.— приходится менее 0, 01%. Такой состав атмо­сферы явился следствием биологической эволюции на Земле, так как первичная атмосфера Земли была совсем другой. Она состояла из небольшого количества азота, аммиака и инертных газов и была чрезвычайно тонкой. Не было в атмосфере ни водяного пара, ни углекислого газа, ни кислорода. С началом геологической эволюции происходит дегазация мантии: выделение при вулкани­ческих процессах водяного пара и других газов из верх­ней мантии.

Следующим важнейшим событием стало появление свободного кислорода биогенного происхождения. Даль­нейшая эволюция атмосферы заключалась прежде всего в нарастании количества свободного кислорода, приведшего в конце концов к формированию кислородной атмосфе­ры — этого биогеохимического чуда, не имеющего анало­гов на других планетах Солнечной системы. Критическим уровнем содержания свободного кисло­рода в атмосфере с биологической точки зрения является точка Пастера — около 1% от современного уровня, при которой организмы переходят от использования энергии анаэробного (бескислородного) брожения к более выгод­ному (в 30-50 раз) окислению при дыхании. Эта точка была достигнута в начале фанерозоя, около 550 млн. лет назад. А когда содержание кислорода составило 10% от современного уровня, в атмосфере появился достаточно плотный озоновый экран, защищающий живые организ­мы от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей Солнца. Все это привело к эволюционному взрыву в начале кембрия. По характеру изменения температуры с высотой разли­чают тропосферу, стратосфе­ру, мезосферу и термосферу (рис. 2). Тропосфера при­легает к земной поверхности и имеет среднюю температуру у поверхности +15°С. В тро­посфере, как уже говорилось выше, заключено около 90% массы атмосферы и практически весь водяной пар. Стра­тосфера характеризуется ростом температуры с высотой и исключительной сухостью воздуха. Там почти нет во­дяного пара. Верхняя граница стратосферы расположе­на в среднем на высоте 50-55 км. В нижней части страто­сферы находится озоновый слой (озон — это трехатом­ный кислород О₃). Озоновый слой имеет исключительно важное значение для существования биосферы, так как поглощает губительную для всего живого ультрафиоле­товую радиацию Солнца. Можно сказать, что озоновый слой как щитом прикрывает все живое на Земле. Мезосфера — слой, лежащий над стратосферой и характери­зующийся падением температуры с высотой. В термо­сфере температура растет от -100°С на высоте около 90 км до 1000-2000°С на высоте 400 км. Правда, эти значения температур относятся к очень разряженной атмосфере и фактически характеризуют кинетическую энергию от­дельных молекул газа.

Атмосфера — это своего рода тепловая машина. Нагре­вателем ее служат тропики, которые получают больше энергии от Солнца, а холодильником — полюсы. Эта теп­ловая машина беспрерывно превращает поступающую от Солнца тепловую энергию в кинетическую энергию дви­жения воздуха. По ориентировочным оценкам, коэффици­ент полезного действия такой тепловой машины равен все­го 2%. Именно столько энергии солнечной радиации пре­вращается в кинетическую энергию ветра. Много это или мало? Земля поглощает в секунду примерно 1, 2 х 10¹⁷ Дж. Значит, мощность тепловой машины под названием «ат­мосфера» составляет около 2, 4 х 10¹⁵ Вт. Впечатляющая цифра! Рабочим веществом этой тепловой машины являются воздушные массы, непрерывно переносящие тепло от на­гревателя-экватора к холодильникам-полюсам. Этот пе­ренос осуществляют в основном циклоны и антицикло­ны. Из всего количества избыточного тепла, получаемого Землей в низких широтах, воздушные потоки переносят около 90% тепла. Остальные 10% приходятся на долю океанских течений. Однако роль океана этим не исчерпы­вается. В отличие от суши, океаны обладают огромной те­плоемкостью. Поэтому они нагреваются летом и охлаж­даются зимой значительно медленнее, чем суша. Между океанами и сушей зимой и летом существует перепад тем­ператур. Благодаря этому в атмосфере работают и другие, помимо рассмотренной выше, «тепловые машины». Зи­мой у них нагревателями служат океаны, а холодильни­ками — континенты. Летом, наоборот, континенты ста­новятся нагревателями, а океаны — холодильниками. Движение воздуха при этом осуществляется в форме мус­сонов, то есть преобладающих ветров, дующих у поверх­ности зимой с материка в океан, а летом — с океана на материк. Они смягчают зимнюю стужу и уменьшают лет­нюю жару. При движении вглубь материков влияние океа­нов ослабевает, и климат становится все более и более кон­тинентальным.

Рис.2 Атмосферные слои до высоты 120 км