Según la teoría más común, la atmósfera
La Tierra ha tenido tres composiciones diferentes a lo largo del tiempo.
Inicialmente estaba formado por gases ligeros (hidrógeno y
helio) capturado del espacio interplanetario. Esto es cierto
llamada atmósfera primaria (alrededor de cuatro mil millones
hace años que).
En la siguiente etapa, actividad volcánica activa.
condujo a la saturación de la atmósfera con otros gases, excepto
hidrógeno (dióxido de carbono, amoníaco, vapor de agua). Entonces
se formó una atmósfera secundaria (alrededor de tres mil millones
años hasta la actualidad). Esta atmósfera fue reconfortante.
A continuación, se determinó el proceso de formación de la atmósfera de la siguiente manera:
factores:
- fuga de gases ligeros (hidrógeno y helio) al interplanetario
espacio;
- reacciones químicas que ocurren en la atmósfera bajo la influencia de
mitigación de la radiación ultravioleta, descargas de rayos y
algunos otros factores.
Poco a poco, estos factores llevaron a la formación del terciario.
atmósfera, caracterizada por un contenido mucho menor
presión de hidrógeno y mucho mayor: nitrógeno y dióxido de carbono.
gas (formado como resultado de reacciones químicas del amoníaco
e hidrocarburos).
La composición de la atmósfera comenzó a cambiar radicalmente con la llegada de
Comemos organismos vivos en la Tierra como resultado de la fotosíntesis, co-
acompañado de la liberación de oxígeno y la absorción de carbono.
gas cloruro.
Inicialmente se consumió oxígeno.
para la oxidación de compuestos reducidos: amoníaco, carbono.
Hidrógeno, la forma ferrosa de hierro que se encuentra en los océanos.
etc. Al final de esta etapa, el contenido de oxígeno
comenzó a crecer en la atmósfera. Poco a poco la modernidad
Atmósfera fría con propiedades oxidantes.
Porque provocó cambios importantes y drásticos.
muchos procesos que ocurren en la atmósfera, la litosfera y
biosfera, este evento fue llamado el Catalizador de Oxígeno
estrofa.
Actualmente, la atmósfera terrestre se compone principalmente de
gases y diversas impurezas (polvo, gotas de agua, cristales
hielo, sales marinas, productos de combustión). concentración de gas,
componentes de la atmósfera es prácticamente constante, a excepción de
la concentración de agua (H 2 O) y dióxido de carbono (CO 2).
Fuente: class.rambler.ru
En consecuencia, la formación de la atmósfera moderna (de oxígeno) de la Tierra es impensable sin sistemas vivos, es decir, la presencia de oxígeno es consecuencia del desarrollo de la biosfera. La brillante visión de V. I. Vernadsky sobre el papel de la biosfera en la transformación de la faz de la Tierra se confirma cada vez más. Sin embargo, el camino del origen de la vida todavía no está claro para nosotros. V. I. Vernadsky dijo: "Durante miles de generaciones nos hemos enfrentado a un enigma no resuelto, pero fundamentalmente solucionable: el enigma de la vida".
Los biólogos creen que el surgimiento espontáneo de vida solo es posible en un ambiente reductor, sin embargo, según uno de ellos, M. Rutten, el contenido de oxígeno en una mezcla de gases de hasta 0,02% aún no interfiere con su aparición. de síntesis abiogénicas. Por tanto, los geoquímicos y los biólogos tienen conceptos diferentes sobre las atmósferas reductoras y oxidantes. Llamemos neutra a la atmósfera que contiene trazas de oxígeno, en la que podrían aparecer las primeras acumulaciones de proteínas, que en principio podrían utilizar (asimilar) aminoácidos abiogénicos para su nutrición, quizás por alguna razón sólo isómeros.
Sin embargo, la pregunta no es cómo comían estos aminoheterótrofos (organismos que utilizan aminoácidos como alimento), sino cómo se pudo formar la materia autoorganizada, cuya evolución tiene entropía negativa. Esto último, sin embargo, no es tan raro en el Universo. ¿No va la formación del Sistema Solar y de nuestra Tierra, en particular, en contra del flujo de entropía? Tales de Mitza escribió en su tratado: “El agua es la causa fundamental de todas las cosas”. De hecho, la hidrosfera tuvo que formarse primero para convertirse en la cuna de la vida. V.I. Vernadsky y otros grandes científicos de nuestro tiempo hablaron mucho sobre esto.
Para V. I. Vernadsky no estaba del todo claro por qué la materia viva está representada únicamente por isómeros zurdos de moléculas orgánicas y por qué en cualquier síntesis inorgánica obtenemos una mezcla aproximadamente igual de isómeros zurdos y diestros. E incluso si obtenemos enriquecimiento (por ejemplo, en luz polarizada) mediante determinadas técnicas, no podemos aislarlas en su forma pura.
¿Cómo se podrían formar compuestos orgánicos bastante complejos como proteínas, proteínas, ácidos nucleicos y otros complejos de elementos organizados que constan únicamente de isómeros levógiros?
Fuente: pochemuha.ru
Propiedades básicas de la atmósfera terrestre.
La atmósfera es nuestra cúpula protectora frente a todo tipo de amenazas provenientes del espacio. Quema la mayoría de los meteoritos que caen sobre el planeta y su capa de ozono sirve de filtro contra la radiación ultravioleta del Sol, cuya energía es fatal para los seres vivos. Además, es la atmósfera la que mantiene una temperatura confortable en la superficie de la Tierra; si no fuera por el efecto invernadero, que se logra mediante el reflejo repetido de los rayos del sol en las nubes, la Tierra estaría en promedio entre 20 y 30 grados más fría. La circulación del agua en la atmósfera y el movimiento de las masas de aire no sólo equilibran la temperatura y la humedad, sino que también crean la diversidad de formas paisajísticas y minerales de la Tierra; tal riqueza no se puede encontrar en ningún otro lugar del sistema solar.
La masa de la atmósfera es 5,2×10 18 kilogramos. Aunque las capas gaseosas se extienden a muchos miles de kilómetros de la Tierra, su atmósfera solo se considera aquellas que giran alrededor de un eje a una velocidad igual a la velocidad de rotación del planeta. Así, la altura de la atmósfera terrestre es de unos 1.000 kilómetros, y pasa suavemente al espacio exterior en la capa superior, la exosfera (del griego “esfera exterior”).
Composición de la atmósfera terrestre. Historia del desarrollo
Aunque el aire parece homogéneo, es una mezcla de varios gases. Si tomamos solo aquellos que ocupan al menos una milésima parte del volumen de la atmósfera, entonces habrá 12. Si miramos el panorama general, ¡toda la tabla periódica está en el aire al mismo tiempo!
Sin embargo, la Tierra no logró alcanzar tal diversidad de inmediato. Sólo gracias a las coincidencias únicas de elementos químicos y la presencia de vida la atmósfera de la Tierra se volvió tan compleja. Nuestro planeta ha conservado huellas geológicas de estos procesos, lo que nos permite mirar hacia atrás miles de millones de años:
- Los primeros gases que cubrieron la joven Tierra hace 4.300 millones de años fueron el hidrógeno y el helio, componentes fundamentales de la atmósfera de gigantes gaseosos como Júpiter.
sobre las sustancias más elementales: consistían en los restos de la nebulosa que dio origen al Sol y los planetas circundantes, y se asentaron abundantemente alrededor de los centros gravitacionales-planetas. Su concentración no era muy alta y su baja masa atómica les permitió escapar al espacio, lo que todavía hacen hoy. Hoy en día, su gravedad específica total es el 0,00052% de la masa total de la atmósfera terrestre (0,00002% de hidrógeno y 0,0005% de helio), lo cual es muy pequeño. - Sin embargo, dentro de la Tierra se encontraban muchas sustancias que buscaban escapar de las entrañas calientes. Los volcanes liberaron una gran cantidad de gases, principalmente amoníaco, metano y dióxido de carbono, además de azufre. Posteriormente, el amoníaco y el metano se descomponen en nitrógeno, que ahora ocupa la mayor parte de la masa de la atmósfera terrestre: el 78%.
- Pero la verdadera revolución en la composición de la atmósfera terrestre se produjo con la llegada del oxígeno. También apareció de forma natural: el manto caliente del joven planeta estaba eliminando activamente los gases atrapados bajo la corteza terrestre. Además, el vapor de agua emitido por los volcanes se descompuso en hidrógeno y oxígeno bajo la influencia de la radiación solar ultravioleta.
Sin embargo, ese oxígeno no podía permanecer mucho tiempo en la atmósfera. Reaccionó con monóxido de carbono, hierro libre, azufre y muchos otros elementos de la superficie del planeta, y las altas temperaturas y la radiación solar catalizaron los procesos químicos. Esta situación sólo cambió con la aparición de organismos vivos.
- En primer lugar, comenzaron a liberar tanto oxígeno que no solo oxidó todas las sustancias de la superficie, sino que también comenzó a acumularse: en un par de miles de millones de años, su cantidad aumentó de cero al 21% de la masa total de la atmósfera.
- En segundo lugar, los organismos vivos utilizaron activamente el carbono atmosférico para construir sus propios esqueletos. Como resultado de sus actividades, la corteza terrestre se repuso con capas geológicas enteras de materiales orgánicos y fósiles, y el dióxido de carbono se redujo mucho.
- Y finalmente, el exceso de oxígeno formó la capa de ozono, que comenzó a proteger a los organismos vivos de la radiación ultravioleta. La vida comenzó a evolucionar más activamente y a adquirir formas nuevas y más complejas: comenzaron a aparecer criaturas altamente organizadas entre bacterias y algas. Hoy en día, el ozono ocupa sólo el 0,00001% de la masa total de la Tierra.
Probablemente ya sepas que el color azul del cielo en la Tierra también lo crea el oxígeno: de todo el espectro del arco iris del Sol, es el que mejor dispersa las ondas cortas de luz responsables del color azul. El mismo efecto ocurre en el espacio: desde la distancia, la Tierra parece estar envuelta en una neblina azul, y desde la distancia se convierte completamente en un punto azul.
Además, los gases nobles están presentes en cantidades importantes en la atmósfera. Entre ellos el más importante es el argón, cuya proporción en la atmósfera es del 0,9% al 1%. Su origen son procesos nucleares en las profundidades de la Tierra y llega a la superficie a través de microfisuras en placas litosféricas y erupciones volcánicas (así aparece el helio en la atmósfera). Por sus características físicas, los gases nobles ascienden a las capas superiores de la atmósfera, desde donde escapan al espacio exterior.
Como podemos ver, la composición de la atmósfera terrestre ha cambiado más de una vez, y muy fuertemente, pero fue necesario millones de años. Por otro lado, los fenómenos vitales son muy estables: la capa de ozono existirá y funcionará incluso si hay 100 veces menos oxígeno en la Tierra. En el contexto de la historia general del planeta, la actividad humana no ha dejado huellas graves. Sin embargo, a escala local, la civilización es capaz de crear problemas, al menos para sí misma. Los contaminantes del aire ya han puesto en peligro la vida de los residentes de Beijing, China, y enormes nubes de niebla sucia sobre las grandes ciudades son visibles incluso desde el espacio.
Estructura atmosférica
Sin embargo, la exosfera no es la única capa especial de nuestra atmósfera. Hay muchos de ellos y cada uno de ellos tiene sus propias características únicas. Veamos algunos básicos:
Troposfera
La capa más baja y densa de la atmósfera se llama troposfera. El lector del artículo se encuentra ahora precisamente en su parte "inferior", a menos, por supuesto, que sea una de las 500 mil personas que están volando en un avión en este momento. El límite superior de la troposfera depende de la latitud (¿recuerdan la fuerza centrífuga de la rotación de la Tierra, que hace que el planeta sea más ancho en el ecuador?) y oscila entre 7 kilómetros en los polos y 20 kilómetros en el ecuador. Además, el tamaño de la troposfera depende de la estación: cuanto más cálido es el aire, más se eleva el límite superior.
El nombre "troposfera" proviene de la antigua palabra griega "tropos", que se traduce como "girar, cambiar". Esto refleja con bastante precisión las propiedades de la capa atmosférica: es la más dinámica y productiva. Es en la troposfera donde se acumulan las nubes y circula el agua, se crean ciclones y anticiclones y se generan vientos; tienen lugar todos esos procesos que llamamos "tiempo" y "clima". Además, esta es la capa más masiva y densa: representa el 80% de la masa de la atmósfera y casi todo su contenido de agua. La mayoría de los organismos vivos viven aquí.
Todo el mundo sabe que cuanto más alto subes, más frío hace. Esto es cierto: cada 100 metros de altura, la temperatura del aire desciende entre 0,5 y 0,7 grados. Sin embargo, el principio sólo funciona en la troposfera, donde la temperatura comienza a aumentar a medida que aumenta la altitud. La zona entre la troposfera y la estratosfera donde la temperatura se mantiene constante se llama tropopausa. Y con la altura, el viento se acelera, entre 2 y 3 km/s por kilómetro hacia arriba. Por lo tanto, los parapentes y los parapentes prefieren las mesetas y montañas elevadas para volar; siempre podrán "atrapar una ola" allí.
El fondo de aire ya mencionado, donde la atmósfera está en contacto con la litosfera, se llama capa límite superficial. Su papel en la circulación atmosférica es increíblemente importante: la transferencia de calor y radiación desde la superficie crea vientos y diferencias de presión, y las montañas y otras irregularidades del terreno los dirigen y separan. El intercambio de agua se produce de inmediato: en 8 a 12 días, toda el agua extraída de los océanos y de la superficie regresa, convirtiendo la troposfera en una especie de filtro de agua.
- Un dato interesante es que un proceso importante en la vida de las plantas, la transpiración, se basa en el intercambio de agua con la atmósfera. Con su ayuda, la flora del planeta influye activamente en el clima; por ejemplo, las grandes zonas verdes suavizan el clima y los cambios de temperatura. Las plantas en áreas saturadas de agua evaporan el 99% del agua extraída del suelo. Por ejemplo, una hectárea de trigo libera a la atmósfera entre 2 y 3 mil toneladas de agua durante el verano; esto es mucho más de lo que podría liberar un suelo sin vida.
La presión normal en la superficie de la Tierra es de unos 1.000 milibares. Se considera que el estándar es una presión de 1013 mbar, que es una "atmósfera"; probablemente ya haya conocido esta unidad de medida. A medida que aumenta la altitud, la presión cae rápidamente: en los límites de la troposfera (a una altitud de 12 kilómetros) ya es de 200 mbar, y a una altitud de 45 kilómetros desciende por completo a 1 mbar. Por tanto, no es extraño que sea en la troposfera saturada donde se recoja el 80% de toda la masa de la atmósfera terrestre.
Estratosfera
La capa de la atmósfera situada entre los 8 km de altitud (en el polo) y los 50 km (en el ecuador) se llama estratosfera. El nombre proviene de la otra palabra griega “stratos”, que significa “piso, capa”. Se trata de una zona extremadamente enrarecida de la atmósfera terrestre, en la que casi no hay vapor de agua. La presión del aire en la parte inferior de la estratosfera es 10 veces menor que la presión superficial y en la parte superior es 100 veces menor.
En nuestra conversación sobre la troposfera, ya aprendimos que la temperatura en ella disminuye según la altitud. En la estratosfera, todo sucede exactamente al revés: con el aumento de la altitud, la temperatura aumenta de –56°C a 0-1°C. El calentamiento se detiene en la estratopausa, el límite entre la estratosfera y la mesosfera.
La vida y el hombre en la estratosfera.
Los aviones de pasajeros y los aviones supersónicos suelen volar en las capas inferiores de la estratosfera; esto no solo los protege de la inestabilidad de los flujos de aire en la troposfera, sino que también simplifica su movimiento debido a la baja resistencia aerodinámica. Y las bajas temperaturas y el aire enrarecido permiten optimizar el consumo de combustible, lo que es especialmente importante en vuelos de larga distancia.
Sin embargo, existe un límite técnico de altitud para un avión: el flujo de aire, que es tan pequeño en la estratosfera, es necesario para el funcionamiento de los motores a reacción. Por lo tanto, para alcanzar la presión de aire necesaria en la turbina, el avión debe moverse más rápido que la velocidad del sonido. Por lo tanto, sólo los vehículos de combate y los aviones supersónicos como los Concordes pueden moverse a gran altura en la estratosfera (a una altitud de 18 a 30 kilómetros). Así, los principales "habitantes" de la estratosfera son las sondas meteorológicas montadas en globos; pueden permanecer allí durante mucho tiempo, recopilando información sobre la dinámica de la troposfera subyacente.
El lector probablemente ya sabe que los microorganismos, el llamado aeroplancton, se encuentran en la atmósfera hasta la capa de ozono. Sin embargo, no sólo las bacterias pueden sobrevivir en la estratosfera. Así, un día un buitre africano, un tipo especial de buitre, se subió al motor de un avión a una altitud de 11,5 mil metros. Y algunos patos sobrevuelan tranquilamente el Everest durante sus migraciones.
Pero la criatura más grande que haya estado en la estratosfera sigue siendo el hombre. El récord de altura actual lo estableció Alan Eustace, vicepresidente de Google. ¡El día del salto tenía 57 años! En un globo especial, se elevó a una altura de 41 kilómetros sobre el nivel del mar y luego saltó en paracaídas. La velocidad que alcanzó en el punto álgido de su caída fue de 1342 km/h, ¡más que la velocidad del sonido! Al mismo tiempo, Eustace se convirtió en la primera persona en superar de forma independiente el umbral de velocidad del sonido (sin contar el traje espacial para soporte vital y los paracaídas para aterrizar en su totalidad).
- Un dato interesante es que para desprenderse del globo, Eustace necesitaba un dispositivo explosivo, como el que utilizan los cohetes espaciales para desprender etapas.
Capa de ozono
Y en el límite entre la estratosfera y la mesosfera se encuentra la famosa capa de ozono. Protege la superficie de la Tierra de los efectos de los rayos ultravioleta y, al mismo tiempo, sirve como límite superior de propagación de la vida en el planeta; por encima de él, la temperatura, la presión y la radiación cósmica acabarán rápidamente incluso con los más persistentes. bacterias.
¿De dónde vino este escudo? La respuesta es increíble: fue creado por organismos vivos, más precisamente por el oxígeno, que varias bacterias, algas y plantas han liberado desde tiempos inmemoriales. Al ascender a lo alto de la atmósfera, el oxígeno entra en contacto con la radiación ultravioleta y entra en una reacción fotoquímica. Como resultado, el oxígeno ordinario que respiramos, O 2, produce ozono, O 3.
¡Paradójicamente, el ozono creado por la radiación del Sol nos protege de la misma radiación! El ozono tampoco refleja, sino que absorbe la radiación ultravioleta, calentando así la atmósfera que lo rodea.
mesosfera
Ya hemos mencionado que por encima de la estratosfera (más precisamente, por encima de la estratopausa, la capa límite de temperatura estable) se encuentra la mesosfera. Esta capa relativamente pequeña se encuentra entre 40 y 45 y 90 kilómetros de altitud y es el lugar más frío de nuestro planeta: en la mesopausa, la capa superior de la mesosfera, el aire se enfría a –143°C.
La mesosfera es la parte menos estudiada de la atmósfera terrestre. La presión del gas extremadamente baja, entre mil y diez mil veces menor que la presión de la superficie, limita el movimiento de los globos: su fuerza de elevación llega a cero y simplemente flotan en el lugar. Lo mismo ocurre con los aviones a reacción: la aerodinámica del ala y la carrocería del avión pierden su significado. Por lo tanto, en la mesosfera pueden volar cohetes o aviones con motores de cohetes (aviones cohete). Entre ellos se encuentra el avión cohete X-15, que ostenta la posición de avión más rápido del mundo: alcanzó una altitud de 108 kilómetros y una velocidad de 7.200 km/h, 6,72 veces la velocidad del sonido.
Sin embargo, el vuelo récord del X-15 fue de sólo 15 minutos. Esto simboliza el problema general de los vehículos que se mueven en la mesosfera: son demasiado rápidos para realizar investigaciones exhaustivas y no permanecen mucho tiempo a una determinada altitud, vuelan más alto o caen. Además, la mesosfera no se puede explorar con satélites o sondas suborbitales; aunque la presión en esta capa de la atmósfera es baja, ralentiza (y a veces quema) las naves espaciales. Debido a estas dificultades, los científicos a menudo llaman a la mesosfera “ignorosfera” (del inglés “ignorosphere”, donde “ignorancia” es ignorancia, falta de conocimiento).
También es en la mesosfera donde se queman la mayoría de los meteoros que caen a la Tierra; es allí donde estalla la lluvia de perseidas, conocida como "lluvia de meteoritos de agosto". El efecto luminoso se produce cuando un cuerpo cósmico entra en la atmósfera terrestre en un ángulo agudo a una velocidad de más de 11 km/h: el meteorito se ilumina debido a la fuerza de fricción.
Habiendo perdido su masa en la mesosfera, los restos de los "alienígenas" se depositan en la Tierra en forma de polvo cósmico: cada día caen sobre el planeta de 100 a 10 mil toneladas de materia de meteoritos. Como los granos de polvo individuales son muy livianos, ¡les toma hasta un mes alcanzar la superficie de la Tierra! Cuando caen en las nubes, las hacen más pesadas y, a veces, incluso provocan lluvia, del mismo modo que las provocan las cenizas volcánicas o las partículas de explosiones nucleares. Sin embargo, la influencia del polvo cósmico en la formación de lluvia se considera pequeña: ni siquiera 10 mil toneladas son suficientes para cambiar seriamente la circulación natural de la atmósfera terrestre.
termosfera
Por encima de la mesosfera, a una altitud de 100 kilómetros sobre el nivel del mar, pasa la línea Karman, la frontera convencional entre la Tierra y el espacio. Aunque allí hay gases que giran con la Tierra y técnicamente entran en la atmósfera, su cantidad por encima de la línea de Karman es invisiblemente pequeña. Por tanto, cualquier vuelo que supere los 100 kilómetros de altitud ya se considera espacial.
El límite inferior de la capa más larga de la atmósfera, la termosfera, coincide con la línea de Karman. Se eleva a una altitud de 800 kilómetros y se caracteriza por temperaturas extremadamente altas: ¡a una altitud de 400 kilómetros alcanza un máximo de 1800°C!
Hace calor, ¿no? A una temperatura de 1538°C, el hierro comienza a derretirse. Entonces, ¿cómo pueden las naves espaciales permanecer intactas en la termosfera? Se trata de la concentración extremadamente baja de gases en la atmósfera superior: ¡la presión en el centro de la termosfera es 1.000.000 de veces menor que la concentración de aire en la superficie de la Tierra! La energía de las partículas individuales es elevada, pero la distancia entre ellas es enorme y las naves espaciales se encuentran esencialmente en el vacío. Sin embargo, esto no les ayuda a deshacerse del calor que emiten los mecanismos; para disipar el calor, todas las naves espaciales están equipadas con radiadores que emiten el exceso de energía.
- En una nota. Cuando se trata de altas temperaturas, siempre vale la pena considerar la densidad de la materia caliente; por ejemplo, los científicos del Colisionador de Hadrones pueden calentar materia hasta la temperatura del Sol. Pero es obvio que se trata de moléculas individuales: un gramo de materia estelar sería suficiente para una poderosa explosión. Por tanto, no debemos creer en la prensa amarilla, que nos promete el inminente fin del mundo de las “manos” del Collider, como tampoco debemos temer el calor en la termosfera.
Termosfera y astronáutica
La termosfera es en realidad un espacio abierto: dentro de sus límites se encontraba la órbita del primer Sputnik soviético. También se encontraba el apocentro, el punto más alto sobre la Tierra, del vuelo de la nave espacial Vostok-1 con Yuri Gagarin a bordo. A esta altitud también se lanzan muchos satélites artificiales para estudiar la superficie de la Tierra, los océanos y la atmósfera, como los satélites de Google Maps. Por tanto, si hablamos de LEO (Órbita de Baja Referencia, término común en astronáutica), en el 99% de los casos está en la termosfera.
Los vuelos orbitales de personas y animales no ocurren sólo en la termosfera. El caso es que en su parte superior, a una altitud de 500 kilómetros, se extienden los cinturones de radiación de la Tierra. Es allí donde la magnetosfera atrapa y acumula las partículas cargadas del viento solar. La estancia prolongada en cinturones de radiación causa daños irreparables a los organismos vivos e incluso a los dispositivos electrónicos; por lo tanto, todos los vehículos en órbitas altas están protegidos de la radiación.
auroras
En las latitudes polares, a menudo aparece un espectáculo espectacular y grandioso: las auroras. Parecen largos arcos brillantes de varios colores y formas que brillan en el cielo. La Tierra debe su apariencia a su magnetosfera o, más precisamente, a los agujeros que tiene cerca de los polos. Las partículas cargadas del viento solar irrumpieron haciendo que la atmósfera brillara. Puedes admirar las luces más espectaculares y aprender más sobre su origen aquí.
Hoy en día, las auroras son algo común para los residentes de países circumpolares como Canadá o Noruega, así como un elemento obligatorio en el programa de cualquier turista, pero antes se les atribuían propiedades sobrenaturales. La gente de la antigüedad veía luces de colores como puertas al cielo, criaturas míticas y hogueras de espíritus, y su comportamiento se consideraba profecías. Y se puede entender a nuestros antepasados: ni siquiera la educación y la fe en sus propias mentes a veces pueden frenar su reverencia por las fuerzas de la naturaleza.
Exosfera
La última capa de la atmósfera terrestre, cuyo límite inferior pasa a una altitud de 700 kilómetros, es la exosfera (del otro griego sarampión "exo" - afuera, afuera). Está increíblemente disperso y se compone principalmente de átomos del elemento más ligero: el hidrógeno; También hay átomos individuales de oxígeno y nitrógeno, que están altamente ionizados por la omnipenetrante radiación del sol.
Las dimensiones de la exosfera de la Tierra son increíblemente grandes: crece hasta convertirse en la corona de la Tierra, la geocorona, que se extiende hasta 100 mil kilómetros desde el planeta. Está muy enrarecido: la concentración de partículas es millones de veces menor que la densidad del aire ordinario. Pero si la Luna oscurece la Tierra para una nave espacial distante, entonces la corona de nuestro planeta será visible, al igual que la corona del Sol lo es para nosotros durante un eclipse. Sin embargo, este fenómeno aún no se ha observado.
Meteorización de la atmósfera
También es en la exosfera donde se produce la erosión de la atmósfera terrestre: debido a la gran distancia del centro gravitacional del planeta, las partículas se desprenden fácilmente de la masa total de gas y entran en sus propias órbitas. Este fenómeno se llama disipación atmosférica. Nuestro planeta pierde de la atmósfera 3 kilogramos de hidrógeno y 50 gramos de helio cada segundo. Sólo estas partículas son lo suficientemente ligeras como para escapar de la masa general de gas.
Cálculos simples muestran que la Tierra pierde anualmente alrededor de 110 mil toneladas de masa atmosférica. ¿Es peligroso? De hecho, no: la capacidad de nuestro planeta para "producir" hidrógeno y helio supera la tasa de pérdidas. Además, parte de la materia perdida regresa a la atmósfera con el tiempo. Y gases importantes como el oxígeno y el dióxido de carbono son simplemente demasiado pesados para abandonar la Tierra en masa, por lo que no hay necesidad de preocuparse de que la atmósfera de nuestra Tierra se escape.
- Un dato interesante es que los "profetas" del fin del mundo suelen decir que si el núcleo de la Tierra deja de girar, la atmósfera se erosionará rápidamente bajo la presión del viento solar. Sin embargo, nuestro lector sabe que la atmósfera cercana a la Tierra se mantiene unida gracias a fuerzas gravitacionales, que actuarán independientemente de la rotación del núcleo. Una prueba clara de ello es Venus, que tiene un núcleo estacionario y un campo magnético débil, pero su atmósfera es 93 veces más densa y pesada que la de la Tierra. Sin embargo, esto no significa que sea seguro detener la dinámica del núcleo de la Tierra; entonces el campo magnético del planeta desaparecerá. Su papel es importante no tanto para contener la atmósfera, sino para proteger contra las partículas cargadas del viento solar, que fácilmente podrían convertir nuestro planeta en un desierto radiactivo.
Nubes
El agua en la Tierra existe no sólo en el vasto océano y en numerosos ríos. En la atmósfera hay aproximadamente 5,2 x 10 15 kilogramos de agua. Está presente en casi todas partes: la proporción de vapor en el aire oscila entre el 0,1% y el 2,5% del volumen, dependiendo de la temperatura y la ubicación. Sin embargo, la mayor parte del agua se acumula en las nubes, donde se almacena no sólo en forma de gas, sino también en pequeñas gotas y cristales de hielo. La concentración de agua en las nubes alcanza los 10 g/m 3, y como las nubes alcanzan un volumen de varios kilómetros cúbicos, la masa de agua que contienen asciende a decenas y cientos de toneladas.
Las nubes son la formación más visible de nuestra Tierra; son visibles incluso desde la Luna, donde los contornos de los continentes se desdibujan a simple vista. Y esto no es extraño: después de todo, ¡más del 50% de la Tierra está constantemente cubierta de nubes!
Las nubes desempeñan un papel increíblemente importante en el intercambio de calor de la Tierra. En invierno captan los rayos del sol, aumentando la temperatura debajo de ellos debido al efecto invernadero, y en verano protegen la enorme energía del sol. Las nubes también equilibran las diferencias de temperatura entre el día y la noche. Por cierto, es precisamente debido a su ausencia que los desiertos se enfrían tanto durante la noche: todo el calor acumulado por la arena y las rocas vuela libremente hacia arriba, mientras que en otras regiones lo frenan las nubes.
La gran mayoría de las nubes se forman cerca de la superficie de la Tierra, en la troposfera, pero durante su desarrollo adquieren una amplia variedad de formas y propiedades. Su separación es muy útil: la aparición de nubes de diferentes tipos no solo puede ayudar a predecir el clima, sino también a determinar la presencia de impurezas en el aire. Echemos un vistazo más de cerca a los principales tipos de nubes.
Nubes bajas
Las nubes que caen más abajo sobre el suelo se conocen como nubes de nivel inferior. Se caracterizan por una gran uniformidad y una masa pequeña: cuando caen al suelo, los meteorólogos no los separan de la niebla ordinaria. Sin embargo, hay una diferencia entre ellos: algunos simplemente oscurecen el cielo, mientras que otros pueden estallar en forma de fuertes lluvias y nevadas.
- Las nubes que pueden producir fuertes precipitaciones incluyen las nubes nimboestratos. Son las más grandes entre las nubes del nivel inferior: su espesor alcanza varios kilómetros y sus dimensiones lineales superan los miles de kilómetros. Son una masa gris homogénea: mire al cielo durante una lluvia prolongada y probablemente verá nubes nimboestratos.
- Otro tipo de nube de bajo nivel es el estratocúmulo, que se eleva entre 600 y 1.500 metros sobre el suelo. Son grupos de cientos de nubes de color blanco grisáceo, separadas por pequeños espacios. Normalmente vemos este tipo de nubes en días parcialmente nublados. Rara vez llueve o nieva.
- El último tipo de nube inferior es la nube estrato común; Son ellos quienes cubren el cielo en los días nublados, cuando del cielo cae una ligera llovizna. Son muy delgadas y bajas: la altura de los estratos alcanza como máximo entre 400 y 500 metros. Su estructura es muy similar a la de la niebla: al descender por la noche hasta el suelo, a menudo crean una espesa neblina matutina.
Nubes de desarrollo vertical
Las nubes del nivel inferior tienen hermanos mayores: nubes de desarrollo vertical. Aunque su límite inferior se encuentra a una baja altitud de 800 a 2000 kilómetros, las nubes de desarrollo vertical se precipitan hacia arriba: su espesor puede alcanzar entre 12 y 14 kilómetros, lo que empuja su límite superior hacia los límites de la troposfera. Estas nubes también se denominan convectivas: debido a su gran tamaño, el agua que contienen adquiere diferentes temperaturas, lo que da lugar a la convección, el proceso de mover masas calientes hacia arriba y masas frías hacia abajo. Por tanto, en las nubes de desarrollo vertical existen simultáneamente vapor de agua, pequeñas gotas, copos de nieve e incluso cristales de hielo enteros.
- El tipo principal de nubes verticales son los cúmulos, enormes nubes blancas que se asemejan a trozos de algodón o icebergs. Su existencia requiere altas temperaturas del aire; por lo tanto, en el centro de Rusia aparecen solo en verano y se derriten por la noche. Su espesor alcanza varios kilómetros.
- Sin embargo, cuando los cúmulos tienen la oportunidad de reunirse, crean una forma mucho más grandiosa: los cumulonimbos. De ellos provienen en verano fuertes aguaceros, granizos y tormentas eléctricas. Existen sólo unas pocas horas, pero al mismo tiempo crecen hasta 15 kilómetros, su parte superior alcanza una temperatura de –10 ° C y está formada por cristales de hielo. En las cimas de los cumulonimbus más grandes, se encuentran los "yunques". formado: áreas planas que se asemejan a un hongo o un hierro invertido. Esto sucede en aquellas áreas donde la nube alcanza el límite de la estratosfera; la física no permite que se extienda más, razón por la cual la nube cumulonimbus se propaga a lo largo del límite de altitud.
- Un dato interesante es que se forman poderosas nubes cumulonimbus en lugares de erupciones volcánicas, impactos de meteoritos y explosiones nucleares. Estas nubes son las más grandes: sus límites llegan incluso a la estratosfera, alcanzando una altura de 16 kilómetros. Al estar saturados de agua evaporada y micropartículas, emiten poderosas tormentas eléctricas; en la mayoría de los casos, esto es suficiente para extinguir los incendios asociados con el cataclismo. Este es un bombero tan natural :)
Nubes de nivel medio
En la parte intermedia de la troposfera (a una altitud de 2 a 7 kilómetros en latitudes medias) hay nubes de nivel medio. Se caracterizan por grandes áreas (se ven menos afectadas por las corrientes ascendentes de la superficie terrestre y los paisajes irregulares) y un pequeño espesor de varios cientos de metros. Estas son las nubes que “enrollan” alrededor de los picos afilados de las montañas y flotan cerca de ellos.
Las nubes de nivel medio se dividen en dos tipos principales: altoestratos y altocúmulos.
- Las nubes altoestratos son uno de los componentes de masas atmosféricas complejas. Presentan un velo uniforme de color azul grisáceo a través del cual se ven el Sol y la Luna; aunque las nubes altoestratos tienen miles de kilómetros de largo, sólo tienen unos pocos kilómetros de espesor. El denso velo gris que se ve desde la ventanilla de un avión que vuela a gran altura son precisamente nubes altoestratos. A menudo llueve o nieva durante mucho tiempo.
- Las nubes altocúmulos, que se asemejan a pequeños trozos de algodón roto o finas franjas paralelas, se encuentran en la estación cálida y se forman cuando masas de aire cálido se elevan a una altura de 2 a 6 kilómetros. Las nubes altocúmulos sirven como un indicador seguro de un próximo cambio en el tiempo y de la proximidad de las lluvias: pueden crearse no sólo por la convección natural de la atmósfera, sino también por la aparición de masas de aire frío. Rara vez llueve; sin embargo, las nubes pueden agruparse y crear una gran nube de lluvia.
Hablando de nubes cerca de las montañas, en fotografías (y tal vez incluso en la vida real) probablemente hayas visto más de una vez nubes redondas que se asemejan a almohadillas de algodón que cuelgan en capas sobre el pico de una montaña. El hecho es que las nubes del nivel medio suelen tener forma lenticular o de lente, divididas en varias capas paralelas. Son creados por ondas de aire que se forman cuando el viento sopla alrededor de picos empinados. Las nubes lenticulares también son especiales porque permanecen suspendidas incluso con los vientos más fuertes. Esto es posible gracias a su naturaleza: dado que estas nubes se crean en los puntos de contacto de varias corrientes de aire, se encuentran en una posición relativamente estable.
Nubes superiores
El último nivel de nubes ordinarias que se elevan a los tramos inferiores de la estratosfera se llama nivel superior. La altura de estas nubes alcanza entre 6 y 13 kilómetros; hace mucho frío allí y, por lo tanto, las nubes en el nivel superior están formadas por pequeños témpanos de hielo. Debido a su forma fibrosa, estirada y parecida a una pluma, las nubes altas también se llaman cirros, aunque los caprichos de la atmósfera a menudo les dan la forma de garras, escamas e incluso esqueletos de peces. La precipitación que producen nunca llega al suelo, pero la mera presencia de los cirros sirve como una antigua forma de predecir el tiempo.
- Los cirros puros son los más largos entre las nubes del nivel superior: la longitud de una fibra individual puede alcanzar decenas de kilómetros. Dado que los cristales de hielo en las nubes son lo suficientemente grandes como para sentir la gravedad de la Tierra, los cirros "caen" en cascadas enteras: ¡la distancia entre los puntos superior e inferior de una sola nube puede alcanzar los 3-4 kilómetros! De hecho, los cirros son enormes “caídas de hielo”. Son las diferencias en la forma de los cristales de agua las que crean su forma fibrosa, parecida a una corriente.
- En esta clase también hay nubes prácticamente invisibles: los cirroestratos. Se forman cuando grandes masas de aire cercano a la superficie se elevan hacia arriba; en altitudes elevadas su humedad es suficiente para formar una nube. Cuando el Sol o la Luna brilla a través de ellos, aparece un halo: un brillante disco de arco iris de rayos dispersos.
nubes noctilucentes
Las nubes noctilucentes, las nubes más altas de la Tierra, deberían clasificarse en una clase aparte. ¡Suben a una altura de 80 kilómetros, que es incluso más alta que la estratosfera! Además, tienen una composición inusual: a diferencia de otras nubes, no están compuestas de agua, sino de polvo de meteorito y metano. Estas nubes son visibles sólo después del atardecer o antes del amanecer: los rayos del sol que penetran desde detrás del horizonte iluminan las nubes noctilucentes, que permanecen invisibles en la altitud durante el día.
Las nubes noctilucentes son una vista increíblemente hermosa, pero para verlas en el hemisferio norte se requieren condiciones especiales. Y su misterio no fue tan fácil de resolver: los científicos, impotentes, se negaron a creer en ellos y declararon que las nubes plateadas eran una ilusión óptica. Puede observar nubes inusuales y conocer sus secretos en nuestro artículo especial.
Acumulación de O 2 en la atmósfera terrestre:
1
. (Hace 3,85-2,45 mil millones de años) - No se produjo O 2
2
. (Hace 2.450-1.850 millones de años) El O 2 se producía pero era absorbido por el océano y las rocas del fondo marino.
3
. (Hace 1,85-0,85 mil millones de años) El O 2 abandona el océano, pero se consume durante la oxidación de las rocas en la tierra y durante la formación de la capa de ozono.
4
. (hace 0,85-0,54 mil millones de años) todas las rocas terrestres se oxidan, comienza la acumulación de O 2 en la atmósfera
5
. (hace 0,54 mil millones de años - presente) período moderno, el contenido de O 2 en la atmósfera se ha estabilizado
Desastre de oxígeno(revolución del oxígeno): un cambio global en la composición de la atmósfera terrestre que ocurrió al comienzo del Proterozoico, hace unos 2,4 mil millones de años (el período Sideriano). El resultado de la catástrofe del oxígeno fue la aparición de oxígeno libre en la atmósfera y un cambio en el carácter general de la atmósfera de reductor a oxidante. La suposición de una catástrofe de oxígeno se basó en el estudio de un cambio brusco en la naturaleza de la sedimentación.
Composición primaria de la atmósfera.
Actualmente se desconoce la composición exacta de la atmósfera primaria de la Tierra, pero generalmente se acepta que se formó como resultado de la desgasificación del manto y era de naturaleza reductora. Se basaba en dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, amoníaco y metano. Esto está respaldado por:
- se formaron claramente sedimentos no oxidados en la superficie (por ejemplo, guijarros de río hechos de pirita lábil al oxígeno);
- ausencia de fuentes significativas conocidas de oxígeno y otros agentes oxidantes;
- estudio de fuentes potenciales de la atmósfera primaria (gases volcánicos, composición de otros cuerpos celestes).
Causas de la catástrofe del oxígeno.
La única fuente importante de oxígeno molecular es la biosfera o, más precisamente, los organismos fotosintéticos. Apareciendo al comienzo de la existencia de la biosfera, las arqueobacterias fotosintéticas producían oxígeno, que se gastaba casi de inmediato en la oxidación de rocas, compuestos disueltos y gases atmosféricos. Se creó una alta concentración sólo localmente, dentro de las alfombras bacterianas (las llamadas “bolsas de oxígeno”). Después de que las rocas y los gases superficiales de la atmósfera se oxidaron, el oxígeno comenzó a acumularse en la atmósfera en forma libre.
Uno de los probables factores que influyeron en el cambio en las comunidades microbianas fue un cambio en la composición química del océano causado por la extinción de la actividad volcánica.
Consecuencias de la catástrofe del oxígeno
Biosfera
Dado que la inmensa mayoría de los organismos de esa época eran anaeróbicos, incapaces de existir en concentraciones significativas de oxígeno, se produjo un cambio global en las comunidades: las comunidades anaeróbicas fueron reemplazadas por otras aeróbicas, antes limitadas únicamente a "bolsas de oxígeno"; las comunidades anaeróbicas, por el contrario, fueron empujadas a “bolsas anaeróbicas” (en sentido figurado, “la biosfera al revés”). Posteriormente, la presencia de oxígeno molecular en la atmósfera condujo a la formación de una pantalla de ozono, que amplió significativamente los límites de la biosfera y condujo a la propagación de una respiración de oxígeno más energéticamente favorable (en comparación con la anaeróbica).
Litosfera
Como resultado de la catástrofe del oxígeno, prácticamente todas las rocas metamórficas y sedimentarias que componen la mayor parte de la corteza terrestre se oxidan.
El marcado aumento del oxígeno libre en la atmósfera terrestre hace 2.400 millones de años parece haber sido el resultado de una transición muy rápida de un estado de equilibrio a otro. El primer nivel correspondía a una concentración extremadamente baja de O 2, aproximadamente 100.000 veces menor que la que se observa actualmente. El segundo nivel de equilibrio podría haberse alcanzado con una concentración mayor, no menos del 0,005 de la moderna. El contenido de oxígeno entre estos dos niveles se caracteriza por una extrema inestabilidad. La presencia de tal “biestabilidad” permite comprender por qué hubo tan poco oxígeno libre en la atmósfera de la Tierra durante al menos 300 millones de años después de que las cianobacterias (“algas”) comenzaron a producirlo.
Actualmente, la atmósfera terrestre está compuesta por un 20% de oxígeno libre, que no es más que un subproducto de la fotosíntesis de cianobacterias, algas y plantas superiores. Los bosques tropicales liberan mucho oxígeno, que en las publicaciones populares a menudo se denominan los pulmones del planeta. Al mismo tiempo, sin embargo, no se dice que durante el año los bosques tropicales consumen casi tanto oxígeno como producen. Se gasta en la respiración de organismos que descomponen la materia orgánica terminada, principalmente bacterias y hongos. Para eso, Para que el oxígeno comience a acumularse en la atmósfera, es necesario eliminar del ciclo al menos parte de la sustancia formada durante la fotosíntesis.- por ejemplo, penetrar en los sedimentos del fondo y volverse inaccesible para las bacterias que lo descomponen aeróbicamente, es decir, consumiendo oxígeno.
La reacción total de la fotosíntesis oxigénica (es decir, “dar oxígeno”) se puede escribir como:
CO 2 + H 2 O + hν→ (CH2O) + O2,
Dónde hν es la energía de la luz solar y (CH 2 O) es la fórmula generalizada de la materia orgánica. La respiración es el proceso inverso, que se puede escribir como:
(CH2O) + O2 → CO2 + H2O.
Al mismo tiempo, se liberará la energía necesaria para los organismos. Sin embargo, la respiración aeróbica sólo es posible con una concentración de O 2 no inferior a 0,01 del nivel moderno (el llamado punto Pasteur). En condiciones anaeróbicas, la materia orgánica se descompone mediante fermentación y las etapas finales de este proceso suelen producir metano. Por ejemplo, la ecuación generalizada para la metanogénesis mediante la formación de acetato es la siguiente:
2(CH2O) → CH3COOH → CH4 + CO2.
Si combinamos el proceso de fotosíntesis con la posterior descomposición de materia orgánica en condiciones anaeróbicas, entonces la ecuación general quedará así:
CO 2 + H 2 O + hν→ 1/2 CH4 + 1/2 CO2 + O2.
Fue precisamente este camino de descomposición de la materia orgánica el que aparentemente fue el principal en la antigua biosfera.
Muchos detalles importantes sobre cómo se estableció el equilibrio moderno entre el suministro y la eliminación de oxígeno de la atmósfera siguen sin estar claros. Después de todo, hace sólo 2.400 millones de años se produjo un aumento notable en el contenido de oxígeno, la llamada "Gran Oxidación de la Atmósfera", aunque se sabe con certeza que las cianobacterias que realizaban la fotosíntesis oxigenada ya eran bastante numerosas y estaban activas hace 2.700 millones de años. hace, y surgieron incluso antes, quizás hace 3 mil millones de años. Así, dentro de Durante al menos 300 millones de años, la actividad de las cianobacterias no provocó un aumento del contenido de oxígeno en la atmósfera..
La suposición de que, por alguna razón, de repente se produjo un aumento radical en la producción primaria neta (es decir, el aumento de la materia orgánica formada durante la fotosíntesis de las cianobacterias) no resistió las críticas. El hecho es que durante la fotosíntesis, el isótopo ligero de carbono 12 C se consume predominantemente y en el medio ambiente aumenta el contenido relativo del isótopo más pesado 13 C. En consecuencia, los sedimentos del fondo que contienen materia orgánica deben agotarse en el isótopo 13 C, que Se acumula en el agua y va hacia la formación de carbonatos. Sin embargo, la proporción de 12 C a 13 C en los carbonatos y en la materia orgánica de los sedimentos permanece sin cambios a pesar de los cambios radicales en la concentración de oxígeno en la atmósfera. Esto significa que el punto no está en la fuente de O 2, sino en su, como dicen los geoquímicos, "sumidero" (eliminación de la atmósfera), que de repente disminuyó significativamente, lo que llevó a un aumento significativo en la cantidad de oxígeno. en la atmósfera.
Generalmente se cree que inmediatamente antes de la "Gran Oxidación de la Atmósfera", todo el oxígeno formado entonces se gastó en la oxidación de compuestos reducidos de hierro (y luego azufre), que abundaban en la superficie de la Tierra. En particular, entonces se formaron los llamados “minerales de hierro en bandas”. Pero recientemente Colin Goldblatt, estudiante de posgrado de la Facultad de Ciencias Ambientales de la Universidad de East Anglia (Norwich, Reino Unido), junto con dos colegas de la misma universidad, llegaron a la conclusión de que el contenido de oxígeno en la atmósfera terrestre puede ser en uno de dos estados de equilibrio: puede ser muy pequeño, unas 100 mil veces menos que ahora, o ya bastante (aunque desde la posición de un observador moderno es pequeño), no menos de 0,005 del nivel moderno.
En el modelo propuesto, tuvieron en cuenta la entrada a la atmósfera tanto de oxígeno como de compuestos reducidos, prestando especial atención a la proporción entre oxígeno libre y metano. Observaron que si la concentración de oxígeno supera el 0,0002 del nivel actual, entonces parte del metano ya puede ser oxidado por bacterias metanótrofas según la reacción:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O.
Pero el resto del metano (y hay bastante, especialmente en concentraciones bajas de oxígeno) ingresa a la atmósfera.
Todo el sistema se encuentra en un estado de desequilibrio desde el punto de vista de la termodinámica. El principal mecanismo para restablecer el equilibrio alterado es la oxidación del metano en las capas superiores de la atmósfera por el radical hidroxilo (ver. Fluctuaciones del metano en la atmósfera: el hombre o la naturaleza: ¿quién ganará?, “Elementos”, 06/10/2006). Se sabe que el radical hidroxilo se forma en la atmósfera bajo la influencia de la radiación ultravioleta. Pero si hay mucho oxígeno en la atmósfera (al menos 0,005 del nivel actual), entonces se forma una pantalla de ozono en sus capas superiores, que protege bien a la Tierra de los duros rayos ultravioleta y al mismo tiempo interfiere con la actividad fisicoquímica. oxidación del metano.
Los autores llegan a la conclusión un tanto paradójica de que la existencia de la fotosíntesis oxigénica en sí misma no es condición suficiente ni para la formación de una atmósfera rica en oxígeno ni para la aparición de una pantalla de ozono. Esta circunstancia debe tenerse en cuenta en los casos en que intentamos encontrar signos de existencia de vida en otros planetas a partir de los resultados de un estudio de su atmósfera.
