Atmosféra(z gréckeho atmos - para a spharia - guľa) - vzduchový obal Zeme, rotujúci s ním. Vývoj atmosféry úzko súvisel s geologickými a geochemickými procesmi prebiehajúcimi na našej planéte, ako aj s činnosťou živých organizmov.
Spodná hranica atmosféry sa zhoduje s povrchom Zeme, pretože vzduch preniká do najmenších pórov v pôde a rozpúšťa sa dokonca aj vo vode.
Horná hranica vo výške 2000-3000 km postupne prechádza do kozmického priestoru.
Vďaka atmosfére, ktorá obsahuje kyslík, je možný život na Zemi. Atmosférický kyslík sa používa v procese dýchania ľuďmi, zvieratami a rastlinami.
Keby neexistovala atmosféra, Zem by bola tichá ako Mesiac. Koniec koncov, zvuk je vibrácia častíc vzduchu. Modrá farba oblohy sa vysvetľuje skutočnosťou, že slnečné lúče, ktoré prechádzajú atmosférou, ako cez šošovku, sa rozkladajú na svoje základné farby. Zároveň sú lúče modrej a modrej farby rozptýlené najviac.
Atmosféra zachytáva väčšinu slnečného ultrafialového žiarenia, ktoré má škodlivý vplyv na živé organizmy. Zadržiava tiež teplo na povrchu Zeme, čím zabraňuje ochladzovaniu našej planéty.
Štruktúra atmosféry
V atmosfére možno rozlíšiť niekoľko vrstiev, ktoré sa líšia hustotou a hustotou (obr. 1).
Troposféra
Troposféra- najnižšia vrstva atmosféry, ktorej hrúbka je 8-10 km nad pólmi, 10-12 km v miernych zemepisných šírkach a 16-18 km nad rovníkom.
Ryža. 1. Štruktúra zemskej atmosféry
Vzduch v troposfére sa ohrieva od zemského povrchu, teda od pevniny a vody. Preto teplota vzduchu v tejto vrstve klesá s výškou v priemere o 0,6°C na každých 100 m. Na hornej hranici troposféry dosahuje -55°C. Zároveň je v rovníkovej oblasti na hornej hranici troposféry teplota vzduchu -70 ° С a v oblasti severného pólu -65 ° С.
V troposfére je sústredených asi 80 % hmoty atmosféry, nachádza sa tu takmer všetka vodná para, vyskytujú sa búrky, búrky, oblačnosť a zrážky, dochádza aj k vertikálnemu (konvekcii) a horizontálnemu (vietoru) pohybu vzduchu.
Dá sa povedať, že počasie sa tvorí najmä v troposfére.
Stratosféra
Stratosféra- vrstva atmosféry nachádzajúca sa nad troposférou vo výške 8 až 50 km. Farba oblohy v tejto vrstve sa javí ako fialová, čo sa vysvetľuje riedkosťou vzduchu, vďaka ktorej sa slnečné lúče takmer nerozptyľujú.
Stratosféra obsahuje 20 % hmotnosti atmosféry. Vzduch v tejto vrstve je riedky, prakticky sa tam nevyskytuje vodná para, a preto sa netvorí takmer žiadna oblačnosť a zrážky. V stratosfére sa však pozorujú stabilné vzdušné prúdy, ktorých rýchlosť dosahuje 300 km / h.
Táto vrstva je koncentrovaná ozón(ozónová clona, ozonosféra), vrstva, ktorá pohlcuje ultrafialové lúče, bráni im dostať sa na Zem a tým chráni živé organizmy na našej planéte. Vďaka ozónu je teplota vzduchu na hornej hranici stratosféry v rozmedzí od -50 do 4-55 ° С.
Medzi mezosférou a stratosférou sa nachádza prechodová zóna – stratopauza.
mezosféra
mezosféra- vrstva atmosféry nachádzajúca sa vo výške 50-80 km. Hustota vzduchu je tu 200-krát menšia ako na povrchu Zeme. Obloha v mezosfére sa zdá byť čierna a hviezdy sú viditeľné počas dňa. Teplota vzduchu klesne na -75 (-90) ° С.
Vo výške 80 km začína termosféra. Teplota vzduchu v tejto vrstve prudko stúpa do nadmorskej výšky 250 m a potom sa stáva konštantnou: v nadmorskej výške 150 km dosahuje 220 - 240 ° C; vo výške 500-600 km presahuje 1500 °C.
V mezosfére a termosfére sa pôsobením kozmického žiarenia molekuly plynu rozpadajú na nabité (ionizované) častice atómov, preto sa táto časť atmosféry nazýva tzv. ionosféra- vrstva veľmi riedkeho vzduchu, nachádzajúca sa v nadmorskej výške 50 až 1000 km, pozostávajúca najmä z ionizovaných atómov kyslíka, molekúl oxidov dusíka a voľných elektrónov. Táto vrstva sa vyznačuje vysokou elektrifikáciou a odrážajú sa od nej dlhé a stredné rádiové vlny ako od zrkadla.
V ionosfére vznikajú polárne žiary – žiara riedkych plynov pod vplyvom elektricky nabitých častíc letiacich zo Slnka – a pozorujú sa prudké výkyvy magnetického poľa.
Exosféra
Exosféra- vonkajšia vrstva atmosféry, nachádzajúca sa nad 1000 km. Táto vrstva sa tiež nazýva rozptylová guľa, pretože častice plynu sa tu pohybujú vysokou rýchlosťou a môžu byť rozptýlené do vesmíru.
Zloženie atmosféry
Atmosféra je zmes plynov, pozostávajúca z dusíka (78,08 %), kyslíka (20,95 %), oxidu uhličitého (0,03 %), argónu (0,93 %), malého množstva hélia, neónu, xenónu, kryptónu (0,01 %). , ozón a iné plyny, ale ich obsah je zanedbateľný (tab. 1). Moderné zloženie ovzdušia Zeme vzniklo pred viac ako sto miliónmi rokov, ale dramaticky zvýšená výrobná činnosť človeka viedla k jeho zmene. V súčasnosti sa zaznamenáva zvýšenie obsahu CO 2 asi o 10-12 %.
Plyny v atmosfére majú rôzne funkčné úlohy. Hlavný význam týchto plynov však určuje predovšetkým skutočnosť, že veľmi silne pohlcujú energiu žiarenia a tým výrazne ovplyvňujú teplotný režim zemského povrchu a atmosféry.
Tabuľka 1. Chemické zloženie suchého atmosférického vzduchu v blízkosti zemského povrchu
|
Objemová koncentrácia. % |
Molekulová hmotnosť, jednotky |
|
|
Kyslík |
||
|
Oxid uhličitý |
||
|
Oxid dusný |
||
|
od 0 do 0,00001 |
||
|
Oxid siričitý |
od 0 do 0,000007 v lete; od 0 do 0,000002 v zime |
|
|
Od 0 do 0,000002 |
46,0055/17,03061 |
|
|
Azogový oxid |
||
|
Oxid uhoľnatý |
dusík, najrozšírenejší plyn v atmosfére, nie je chemicky aktívny.
Kyslík na rozdiel od dusíka je to veľmi aktívny chemický prvok. Špecifickou funkciou kyslíka je oxidácia organickej hmoty heterotrofných organizmov, hornín a podoxidovaných plynov emitovaných do atmosféry sopkami. Bez kyslíka by nedošlo k rozkladu mŕtvej organickej hmoty.
Úloha oxidu uhličitého v atmosfére je mimoriadne veľká. Do atmosféry sa dostáva v dôsledku spaľovacích procesov, dýchania živých organizmov, rozpadu a je predovšetkým hlavným stavebným materiálom pre tvorbu organickej hmoty pri fotosyntéze. Okrem toho má veľký význam vlastnosť oxidu uhličitého prepúšťať krátkovlnné slnečné žiarenie a absorbovať časť tepelného dlhovlnného žiarenia, čím sa vytvorí takzvaný skleníkový efekt, o ktorom bude reč nižšie.
Vplyv na atmosférické procesy, najmä na tepelný režim stratosféry, má tiež ozón. Tento plyn slúži ako prirodzený absorbér ultrafialového žiarenia zo slnka a absorpcia slnečného žiarenia vedie k ohrievaniu vzduchu. Priemerné mesačné hodnoty celkového obsahu ozónu v atmosfére sa pohybujú v závislosti od zemepisnej šírky oblasti a ročného obdobia v rozmedzí 0,23-0,52 cm (to je hrúbka ozónovej vrstvy pri prízemnom tlaku a teplote) . Pozoruje sa nárast obsahu ozónu od rovníka k pólom a každoročné kolísanie s minimom na jeseň a maximom na jar.
Charakteristickou vlastnosťou atmosféry je, že obsah hlavných plynov (dusík, kyslík, argón) sa s výškou mení nepatrne: vo výške 65 km v atmosfére je obsah dusíka 86 %, kyslíka 19, argónu je 0,91 a vo výške 95 km - dusík 77, kyslík - 21,3, argón - 0,82%. Stálosť zloženia atmosférického vzduchu vertikálne a horizontálne sa udržiava jeho miešaním.
Okrem plynov obsahuje vzduch vodná para a pevné častice. Tie môžu byť prírodného aj umelého (antropogénneho) pôvodu. Sú to peľ, drobné kryštáliky soli, cestný prach, aerosólové nečistoty. Keď slnečné lúče vstúpia do okna, možno ich vidieť voľným okom.
Vo vzduchu miest a veľkých priemyselných centier je obzvlášť veľa pevných častíc, kde sa do aerosólov pridávajú emisie škodlivých plynov a ich nečistôt vznikajúcich pri spaľovaní paliva.
Koncentrácia aerosólov v atmosfére určuje priehľadnosť vzduchu, ktorý ovplyvňuje slnečné žiarenie dopadajúce na zemský povrch. Najväčšie aerosóly sú kondenzačné jadrá (z lat. kondenzácia- zhutňovanie, zahusťovanie) - prispievajú k premene vodnej pary na vodné kvapky.
Hodnota vodnej pary je určená predovšetkým tým, že oneskoruje dlhovlnné tepelné vyžarovanie zemského povrchu; predstavuje hlavné spojenie veľkých a malých cyklov vlhkosti; zvyšuje teplotu vzduchu pri kondenzácii vodných postelí.
Množstvo vodnej pary v atmosfére sa mení v čase a priestore. Koncentrácia vodnej pary na zemskom povrchu sa teda pohybuje od 3 % v trópoch po 2 – 10 (15) % v Antarktíde.
Priemerný obsah vodnej pary vo vertikálnom stĺpci atmosféry v miernych zemepisných šírkach je asi 1,6-1,7 cm (takúto hrúbku bude mať vrstva skondenzovanej vodnej pary). Informácie o vodnej pare v rôznych vrstvách atmosféry sú protichodné. Predpokladalo sa napríklad, že v nadmorskej výške od 20 do 30 km špecifická vlhkosť silne stúpa s výškou. Následné merania však naznačujú väčšiu suchosť stratosféry. Špecifická vlhkosť v stratosfére zjavne závisí len málo od výšky a dosahuje 2-4 mg / kg.
Premenlivosť obsahu vodnej pary v troposfére je určená interakciou procesov vyparovania, kondenzácie a horizontálneho transportu. V dôsledku kondenzácie vodnej pary sa tvoria oblaky a padajú zrážky v podobe dažďa, krúp a snehu.
Procesy fázových prechodov vody sa vyskytujú najmä v troposfére, preto sa oblaky v stratosfére (vo výškach 20-30 km) a mezosfére (v blízkosti mezopauzy), nazývané perleťové a striebristé, pozorujú pomerne zriedkavo, zatiaľ čo troposférické mraky často pokrývajú asi 50% celého zemského povrchu.
Množstvo vodnej pary, ktoré môže byť obsiahnuté vo vzduchu, závisí od teploty vzduchu.
1 m 3 vzduchu pri teplote -20 ° C môže obsahovať najviac 1 g vody; pri 0 ° С - nie viac ako 5 g; pri +10 ° С - nie viac ako 9 g; pri +30 ° С - nie viac ako 30 g vody.
Výkon:čím vyššia je teplota vzduchu, tým viac vodnej pary môže obsahovať.
Vzduch môže byť nasýtený a nie nasýtený vodná para. Takže ak pri teplote +30 ° C 1 m 3 vzduchu obsahuje 15 g vodnej pary, vzduch nie je nasýtený vodnou parou; ak je nasýtených 30 g.
Absolútna vlhkosť Je množstvo vodnej pary obsiahnuté v 1 m 3 vzduchu. Vyjadruje sa v gramoch. Ak sa napríklad povie „absolútna vlhkosť je 15“, znamená to, že 1 mL obsahuje 15 g vodnej pary.
Relatívna vlhkosť Je pomer (v percentách) skutočného obsahu vodnej pary v 1 m 3 vzduchu k množstvu vodnej pary, ktoré môže byť obsiahnutých v 1 ml L pri danej teplote. Ak napríklad rádio počas vysielania správy o počasí povedalo, že relatívna vlhkosť je 70 %, znamená to, že vzduch obsahuje 70 % vodnej pary, ktorú dokáže zadržať pri danej teplote.
Čím vyššia je relatívna vlhkosť vzduchu, t.j. čím je vzduch bližšie k nasýteniu, tým je pravdepodobnejší výskyt zrážok.
Vždy vysoká (až 90%) relatívna vlhkosť vzduchu je pozorovaná v rovníkovej zóne, pretože je tu vysoká teplota vzduchu počas celého roka a dochádza k veľkému vyparovaniu z povrchu oceánov. Rovnaká vysoká relatívna vlhkosť a v polárnych oblastiach, ale preto, že pri nízkych teplotách aj malé množstvo vodnej pary robí vzduch nasýteným alebo takmer nasýteným. V miernych zemepisných šírkach sa relatívna vlhkosť vzduchu mení s ročnými obdobiami – v zime je vyššia, v lete nižšia.
Obzvlášť nízka relatívna vlhkosť v púštiach: 1 m 1 vzduchu tam obsahuje dvakrát až trikrát menej, ako je množstvo vodnej pary možné pri danej teplote.
Na meranie relatívnej vlhkosti použite vlhkomer (z gréc. Hygros - mokro a meterco - meriam).
Pri ochladzovaní nedokáže nasýtený vzduch zadržať rovnaké množstvo vodnej pary, tá hustne (kondenzuje) a mení sa na kvapôčky hmly. Hmlu možno pozorovať v lete za jasnej chladnej noci.
Mraky- to je tá istá hmla, len sa nevytvára pri zemskom povrchu, ale v určitej výške. Pri stúpaní sa vzduch ochladzuje a vodná para v ňom kondenzuje. Výsledné drobné kvapôčky vody tvoria oblaky.
Na tvorbe oblakov sa podieľajú a pevné častice suspendované v troposfére.
Oblaky môžu mať rôzne tvary, ktoré závisia od podmienok ich vzniku (tab. 14).
Najnižšie a najťažšie oblaky sú stratus. Nachádzajú sa vo výške 2 km od zemského povrchu. Vo výške 2 až 8 km možno pozorovať malebnejšie kupovité oblaky. Najvyššie a najľahšie sú cirry. Nachádzajú sa vo výške 8 až 18 km nad zemským povrchom.
|
rodiny |
Narodenie oblakov |
Vonkajší vzhľad |
|
A. Oblačnosť hornej vrstvy - nad 6 km |
I. Cirrus |
Nitkové, vláknité, biele |
|
II. Cirrocumulus |
Vrstvy a hrebene jemných vločiek a kučier, biele |
|
|
III. Cirrostratus |
Priehľadný belavý závoj |
|
|
B. Stredná oblačnosť - nad 2 km |
IV. Altocumulus |
Švy a hrebene bielej a šedej farby |
|
V. Vysoko vrstvené |
Rovnomerný závoj mliečnej šedej |
|
|
B. Oblačnosť nízkej úrovne – do 2 km |
Vi. Nimbostratus |
Pevná beztvará sivá vrstva |
|
Vii. Stratocumulus |
Nepriesvitné sivé vrstvy a hrebene |
|
|
VIII. Vrstvený |
Nepriehľadný šedý plášť |
|
|
D. Mraky vertikálneho vývoja - od nižšej po hornú vrstvu |
IX. Kumulus |
Palice a kopule sú žiarivo biele, s roztrhnutými okrajmi vo vetre |
|
X. Cumulonimbus |
Silné kupovité hmoty, tmavé olovo |
Ochrana ovzdušia
Hlavným zdrojom sú priemyselné závody a automobily. Vo veľkých mestách je problém znečistenia plynom na hlavných dopravných ťahoch veľmi akútny. Preto sa v mnohých veľkých mestách sveta, vrátane našej krajiny, zaviedla environmentálna kontrola toxicity výfukových plynov vozidiel. Dym a prašnosť ovzdušia môžu podľa odborníkov znížiť prísun slnečnej energie na zemský povrch na polovicu, čo povedie k zmene prírodných podmienok.
Minimálne atmosférickému, za svoj vznik vďačí ani nie tak Slnku, ako životným procesom. Nápadný rozdiel medzi obsahom prvku č. 7 v litosfére (0,01 %) a v atmosfére (75,6 % hmotnosti alebo 78,09 % objemu). Vo všeobecnosti žijeme v dusíkovej atmosfére, mierne obohatenej kyslíkom.
Medzitým sa na iných planétach slnečnej sústavy, v zložení komét alebo iných studených vesmírnych objektov nenašiel žiadny voľný. Existujú jeho zlúčeniny a radikály - CN *, NH *, NH * 2, NH * 3, ale nie je tam žiadny dusík. Je pravda, že v atmosfére Venuše je zaznamenaných asi 2% dusíka, ale toto číslo ešte potrebuje potvrdenie.
Predpokladá sa, že v primárnej atmosfére Zeme nebol žiadny prvok 7. Kde je teda vo vzduchu? Atmosféru našej planéty zrejme spočiatku tvorili prchavé látky vznikajúce v zemskom vnútri: H2, H2O, CO2, CH4, NH3. Zadarmo, ak a vyšiel ako produkt sopečnej činnosti, premeniť na amoniak. Podmienky na to boli najvhodnejšie: nadbytok vodíka, zvýšené teploty – povrch Zeme ešte nevychladol. Čo to teda znamená, že dusík bol prítomný v atmosfére vo forme amoniaku? Očividne áno. Pamätajme na túto okolnosť.
Potom však vznikol život... Vladimír Ivanovič Vernadskij tvrdil, že „plynný obal zeme, náš vzduch, je stvorením života“. Bol to život, ktorý spustil úžasný mechanizmus fotosyntézy. Jeden z konečných produktov tohto procesu – voľný – sa začal aktívne spájať s amoniakom a uvoľňovať molekulárny dusík:
Fotosyntéza
CO2 + 2H2O → HCOH + NaO + O2;
4NH3 + 302 -> 2N2 + 6H20
A dusík, ako viete, za normálnych podmienok navzájom nereagujú, čo umožnilo zemskému vzduchu zachovať "status quo" kompozície. Všimnite si, že značná časť amoniaku sa môže rozpustiť vo vode počas tvorby hydrosféry.
V súčasnosti sú hlavným zdrojom N2 vstupujúceho do atmosféry sopečné plyny.
Ak prerušíte trojitú väzbu...
Po zničení nevyčerpateľných zásob viazaného aktívneho dusíka sa divoká zver postavila pred problém: ako dusík viazať.Vo voľnom, molekulárnom stave, ako vieme, sa ukázalo ako veľmi inertné. Je to kvôli jeho trojitej molekule: N≡ N.
Spojenia takejto početnosti sú zvyčajne nestabilné. Spomeňme si na klasický príklad acetylénu: HC≡ CH. Trojitá väzba jeho molekuly je veľmi krehká, čo vysvetľuje neuveriteľnú chemickú aktivitu tohto plynu. Ale dusík tu má jasnú anomáliu: jeho trojitá väzba tvorí najstabilnejšiu zo všetkých známych dvojatómových molekúl. Prerušiť toto spojenie si vyžaduje obrovské úsilie. Napríklad priemyselná syntéza amoniaku si vyžaduje tlak viac ako 200 atm a teplotu nad 500 °C a povinnú prítomnosť katalyzátorov... Pri riešení problému fixácie dusíka musela príroda zaviesť kontinuálnu výrobu dusíka zlúčeniny metódou búrok.
Štatistiky hovoria, že v atmosfére našej planéty bliknú ročne viac ako tri miliardy bleskov. Výkon jednotlivých výbojov dosahuje 200 miliónov kilowattov, pričom vzduch sa zohreje (samozrejme lokálne) až na 20 tisíc stupňov. Pri takej monštruóznej teplote sa molekuly kyslíka a dusíka rozpadajú na atómy, ktoré ľahko reagujú a vytvárajú krehký oxid dusnatý:
N2 + О2 → 2NO
Oxid dusnatý sa vďaka rýchlemu ochladeniu (úder blesku trvá desaťtisícinu sekundy) nerozkladá a ľahko sa oxiduje vzdušným kyslíkom na stabilnejší oxid
2NO + О2 → 2NО2.
V prítomnosti atmosférickej vlhkosti a dažďových kvapiek sa oxid dusičitý premieňa na kyselinu dusičnú:
3NО2 + Н2О → 2HNО3 + NO
Takže keď sa dostaneme do čerstvého búrkového dažďa, dostaneme príležitosť zaplávať si v slabom roztoku kyseliny dusičnej. Atmosféra prenikajúca do pôdy vytvára so svojimi látkami rôzne prírodné hnojivá.
Dusík je fixovaný v atmosfére a fotochemicky: po absorbovaní kvanta svetla prechádza molekula N2 do excitovaného, aktivovaného stavu a stáva sa schopným spájať sa s kyslíkom.
Atmosféra je plynný obal našej planéty, ktorý rotuje so Zemou. Plyn v atmosfére sa nazýva vzduch. Atmosféra sa dotýka hydrosféry a čiastočne pokrýva litosféru. Ale horné hranice je ťažké definovať. Konvenčne sa predpokladá, že atmosféra sa rozprestiera smerom nahor v dĺžke asi tritisíc kilometrov. Tam plynulo prechádza do bezvzduchového priestoru.
Chemické zloženie zemskej atmosféry
Tvorba chemického zloženia atmosféry sa začala asi pred štyrmi miliardami rokov. Spočiatku sa atmosféra skladala len z ľahkých plynov – hélia a vodíka. Prvotným predpokladom na vytvorenie plynového obalu okolo Zeme boli podľa vedcov sopečné erupcie, ktoré spolu s lávou uvoľnili obrovské množstvo plynov. Neskôr sa začala výmena plynov s vodnými priestormi, so živými organizmami, s produktmi ich činnosti. Zloženie ovzdušia sa postupne menilo a do dnešnej podoby bolo zaznamenané pred niekoľkými miliónmi rokov.
Hlavnými zložkami atmosféry sú dusík (asi 79 %) a kyslík (20 %). Zvyšné percento (1 %) pripadá na tieto plyny: argón, neón, hélium, metán, oxid uhličitý, vodík, kryptón, xenón, ozón, amoniak, oxid síry a dusičitý, oxid dusný a oxid uhoľnatý v tomto jednom percente.
Okrem toho vzduch obsahuje vodnú paru a častice (peľ rastlín, prach, kryštály soli, aerosólové nečistoty).
Nedávno vedci zaznamenali nie kvalitatívnu, ale kvantitatívnu zmenu niektorých zložiek vzduchu. A dôvodom je človek a jeho aktivity. Len za posledných 100 rokov sa obsah oxidu uhličitého výrazne zvýšil! Je to spojené s mnohými problémami, z ktorých najglobálnejším je zmena klímy.
Formovanie počasia a klímy
Atmosféra zohráva rozhodujúcu úlohu pri formovaní klímy a počasia na Zemi. Veľa závisí od množstva slnečného žiarenia, od charakteru podkladového povrchu a atmosférickej cirkulácie.
Zvážme faktory v poradí.
1. Atmosféra prepúšťa slnečné teplo a pohlcuje škodlivé žiarenie. Starí Gréci vedeli, že lúče Slnka dopadajú na rôzne časti Zeme pod rôznymi uhlami. Samotné slovo „klíma“ v preklade zo starovekej gréčtiny znamená „svah“. Na rovníku teda slnečné lúče dopadajú takmer kolmo, pretože je tu veľmi teplo. Čím bližšie k pólom, tým väčší je uhol sklonu. A teplota klesá.
2. Vplyvom nerovnomerného zahrievania Zeme vznikajú v atmosfére vzdušné prúdy. Sú klasifikované podľa ich veľkosti. Najmenšie (desiatky a stovky metrov) sú lokálne vetry. Potom nasledujú monzúny a pasáty, cyklóny a anticyklóny, planetárne frontálne zóny.
Všetky tieto vzdušné masy sa neustále pohybujú. Niektoré z nich sú dosť statické. Napríklad pasáty, ktoré vanú zo subtrópov smerom k rovníku. Pohyb ostatných je do značnej miery závislý od atmosférického tlaku.
3. Atmosférický tlak je ďalším faktorom ovplyvňujúcim formovanie klímy. Toto je tlak vzduchu na zemskom povrchu. Ako je známe, vzduchové hmoty sa pohybujú z oblasti so zvýšeným atmosférickým tlakom do oblasti, kde je tento tlak nižší.
Celkovo je 7 zón. Rovník je zóna nízkeho tlaku. Ďalej na oboch stranách rovníka až do tridsiatych šírok - oblasť vysokého tlaku. Od 30 ° do 60 ° - opäť nízky tlak. A od 60 ° k pólom - zóna vysokého tlaku. Medzi týmito zónami cirkulujú vzduchové hmoty. Tie, ktoré idú z mora na pevninu, prinášajú dažde a zlé počasie, a tie, ktoré fúkajú z kontinentov – jasné a suché počasie. V miestach, kde sa zrážajú vzdušné prúdy, vznikajú zóny atmosférického frontu, pre ktoré sú charakteristické zrážky a nepriaznivé, veterné počasie.
Vedci dokázali, že aj blaho človeka závisí od atmosférického tlaku. Podľa medzinárodných noriem je normálny atmosférický tlak 760 mm Hg. kolóne pri teplote 0 °C. Tento ukazovateľ sa počíta pre tie územia, ktoré sú takmer na úrovni hladiny mora. S výškou klesá tlak. Preto napríklad pre Petrohrad 760 mm Hg. je normou. Ale pre Moskvu, ktorá sa nachádza vyššie, je normálny tlak 748 mm Hg.
Tlak sa mení nielen vertikálne, ale aj horizontálne. Cítiť to najmä pri prechode cyklónmi.
Štruktúra atmosféry
Atmosféra pripomína lístkové cesto. A každá vrstva má svoje vlastné charakteristiky.
. Troposféra- vrstva najbližšie k Zemi. „Hrúbka“ tejto vrstvy sa mení so vzdialenosťou od rovníka. Nad rovníkom sa vrstva rozprestiera nahor na 16-18 km, v miernych pásmach - na 10-12 km, na póloch - na 8-10 km.
Práve tu sa nachádza 80 % celkovej hmotnosti vzduchu a 90 % vodnej pary. Tu sa tvoria mraky, objavujú sa cyklóny a anticyklóny. Teplota vzduchu závisí od výšky terénu. V priemere klesá o 0,65 °C na každých 100 metrov.
. Tropopauza- prechodná vrstva atmosféry. Jeho výška je od niekoľkých stoviek metrov do 1-2 km. Teplota vzduchu je v lete vyššia ako v zime. Takže napríklad nad pólmi v zime -65 ° C. A nad rovníkom kedykoľvek počas roka je -70 ° C.
. Stratosféra- Ide o vrstvu, ktorej horná hranica prebieha v nadmorskej výške 50-55 kilometrov. Turbulencie sú tu nízke, obsah vodnej pary vo vzduchu je zanedbateľný. Ale je tam veľa ozónu. Jeho maximálna koncentrácia je v nadmorskej výške 20-25 km. V stratosfére začína teplota vzduchu stúpať a dosahuje + 0,8 ° C. Je to spôsobené tým, že ozónová vrstva interaguje s ultrafialovým žiarením.
. Stratopauza- nízka medzivrstva medzi stratosférou a na ňu nadväzujúcou mezosférou.
. mezosféra- horná hranica tejto vrstvy je 80-85 kilometrov. Prebiehajú tu zložité fotochemické procesy zahŕňajúce voľné radikály. Poskytujú jemnú modrú žiaru našej planéty, ktorá je viditeľná z vesmíru.
Väčšina komét a meteoritov zhorí v mezosfére.
. Mezopauza- ďalšia medzivrstva, ktorej teplota vzduchu je najmenej -90 °.
. Termosféra- spodná hranica začína v nadmorskej výške 80 - 90 km a horná hranica vrstvy prebieha približne vo výške 800 km. Teplota vzduchu stúpa. Môže sa meniť od + 500 ° C do + 1 000 ° C. Teplotné výkyvy sú počas dňa stovky stupňov! Ale vzduch je tu taký riedky, že chápať pojem „teplota“ tak, ako si ho predstavujeme, tu nie je vhodné.
. Ionosféra- spája mezosféru, mezopauzu a termosféru. Vzduch sa tu skladá hlavne z molekúl kyslíka a dusíka, ako aj z kvázi neutrálnej plazmy. Slnečné lúče dopadajúce na ionosféru silne ionizujú molekuly vzduchu. V spodnej vrstve (do 90 km) je stupeň ionizácie nízky. Čím vyššia, tým väčšia ionizácia. Takže v nadmorskej výške 100-110 km sa koncentrujú elektróny. Pomáha to odrážať krátke až stredné rádiové vlny.
Najdôležitejšou vrstvou ionosféry je vrchná vrstva, ktorá sa nachádza v nadmorskej výške 150-400 km. Jeho zvláštnosťou je, že odráža rádiové vlny, čo prispieva k prenosu rádiových signálov na veľké vzdialenosti.
Práve v ionosfére dochádza k takému javu, akým je polárna žiara.
. Exosféra- pozostáva z atómov kyslíka, hélia a vodíka. Plyn v tejto vrstve je veľmi riedky a atómy vodíka často unikajú do vesmíru. Preto sa táto vrstva nazýva „zóna rozptylu“.
Prvým vedcom, ktorý naznačil, že naša atmosféra má váhu, bol Talian E. Torricelli. Ostap Bender napríklad vo svojom románe „Zlaté teľa“ lamentoval, že na každého človeka tlačí vzduchový stĺp s hmotnosťou 14 kg! Skvelý kombinátor sa ale trochu mýlil. Dospelý je pod tlakom 13-15 ton! Túto ťažkosť však necítime, pretože atmosférický tlak je vyvážený vnútorným tlakom človeka. Hmotnosť našej atmosféry je 5 300 000 000 000 ton. Postava je to kolosálna, hoci je to len milióntina hmotnosti našej planéty.
Dusík- hlavný prvok zemskej atmosféry. Jeho hlavnou úlohou je regulovať rýchlosť oxidácie riedením kyslíka. Dusík teda ovplyvňuje rýchlosť a intenzitu biologických procesov.
Existujú dva vzájomne súvisiace spôsoby extrakcie dusíka z atmosféry:
- 1) anorganické,
- 2) biochemické.
Obrázok 1. Geochemický cyklus dusíka (V.A. Vronsky, G.V. Voitkevich)
Anorganická extrakcia dusíka z atmosféry
V atmosfére pod vplyvom elektrických výbojov (počas búrky) alebo v procese fotochemických reakcií (slnečné žiarenie) vznikajú zlúčeniny dusíka (N 2 O, N 2 O 5, NO 2, NH 3 atď.) . Tieto zlúčeniny, ktoré sa rozpúšťajú v dažďovej vode, spolu so zrážkami padajú na zem a dostávajú sa do pôdy a vody.
Biologická väzba dusíka
Biologická väzba atmosférického dusíka sa vykonáva:
- - v pôde - nodulové baktérie v symbióze s vyššími rastlinami,
- - vo vode - planktónovými mikroorganizmami a riasami.
Množstvo biologicky viazaného dusíka je oveľa vyššie ako množstvo anorganického fixovaného.
Ako sa dusík dostáva späť do atmosféry?
Zvyšky živých organizmov sa rozkladajú vplyvom mnohých mikroorganizmov. V tomto procese dusík, ktorý je súčasťou bielkovín organizmov, prechádza niekoľkými transformáciami:
- - v procese rozkladu bielkovín vzniká amoniak a jeho deriváty, ktoré sa potom dostávajú do ovzdušia a vôd oceánov,
- - v budúcnosti amoniak a iné organické zlúčeniny obsahujúce dusík vplyvom baktérií Nitrosomonas a nitrobaktérií tvoria rôzne oxidy dusíka (N 2 O, NO, N 2 O 3 a N 2 O 5). Tento proces sa nazýva nitrifikácia,
- - kyselina dusičná pri interakcii s kovmi poskytuje soli. Tieto soli sú ovplyvnené denitrifikačnými baktériami,
- - počas denitrifikácia vzniká elementárny dusík, ktorý sa vracia späť do atmosféry (príkladom sú podzemné prúdy plynu pozostávajúce z čistého N 2).
Kde sa dusík nachádza?
Dusík sa dostáva do atmosféry pri sopečných erupciách vo forme amoniaku. Keď sa amoniak (NH 3) dostane do hornej atmosféry, oxiduje a uvoľňuje dusík (N 2).
Dusík je tiež pochovaný v sedimentárnych horninách a nachádza sa vo veľkých množstvách v bitúmenových ložiskách. Tento dusík sa však do atmosféry dostáva aj pri regionálnej metamorfóze týchto hornín.
- Hlavnou formou prítomnosti dusíka na povrchu našej planéty je teda molekulárny dusík (N 2) v zemskej atmosfére.
Dusík je stredne aktívny prvok, ktorý slabo reaguje s prírodnými anorganickými zlúčeninami. Preto je vysoká pravdepodobnosť, že značné množstvo tohto plynu bolo obsiahnuté v primárnej atmosfére. V tomto prípade je významná časť dusíka modernej atmosféry reliktná, zachovaná od vzniku Zeme asi pred 4,6 miliardami rokov, aj keď ďalšia jeho časť sa mohla odplyniť z plášťa už v geologickom štádiu vývoja naša planéta. Treba mať na pamäti, že pri vzniku života na Zemi asi pred 4,0 – 3,8 miliardami rokov bol tento plyn neustále viazaný v organickej hmote a pochovaný v oceánskych sedimentoch a po vzniku života na súši (asi pred 400 miliónmi rokov ) - a v kontinentálnych sedimentoch. Životná aktivita organizmov počas dlhého obdobia vývoja pozemského života by preto mohla výrazne znížiť parciálny tlak dusíka v pozemskej atmosfére, čím by sa zmenila klíma Zeme. Pri výpočte vplyvu absorpcie dusíka treba mať na pamäti, že organický dusík (Norg) oceánskych sedimentov spolu so zrážkami cez zóny akumulácie oceánskej kôry v archee alebo cez zóny podsunu dosiek v proterozoiku a fanerozoiku , bol neustále odstraňovaný z oceánov. Potom sa čiastočne začlenil do žulovo-metamorfovaných hornín kontinentálnej kôry alebo prešiel do plášťa, no čiastočne sa opäť odplynil a opäť vstúpil do atmosféry.
Okrem biogénneho procesu viazania atmosférického dusíka sa zdá, že existuje pomerne účinný abiogénny mechanizmus rovnakého smeru. Podľa výpočtov J. Junga a M. McElroya (Yung, McElroy, 1979) teda môže počas búrok dôjsť k fixácii dusíka v pôdach v dôsledku tvorby kyselín dusičnej a dusnej pri elektrických výbojoch vo vlhkom vzduchu.
Je ťažké odhadnúť množstvo dusíka odstráneného z atmosféry, ale je to možné. Obsah dusíka v sedimentárnych horninách zvyčajne priamo koreluje s koncentráciou organického uhlíka, ktorý je v nich pochovaný. Množstvo dusíka pochovaného v oceánskych sedimentoch sa preto dá zrejme odhadnúť z údajov o množstve organického uhlíka Corg, ktorý je v nich pochovaný. Na to je potrebné iba určiť koeficient úmernosti medzi H org a C org. V sedimentoch na dne otvoreného oceánu je pomer Corg:Norg:Porg približne rovný 106:20:0,91 (Lisitsyn a Vinogradov, 1982), ale súčasne sa až 80 % dusíka rýchlo odstráni z organickej hmoty; , pomer Corg: Norg v zrážkach sa môže zvýšiť na 1: 0,04. Podľa G. Fora (1989) je tento pomer v zrážkach približne rovný 1 : 0,05. Predpokladajme, podľa údajov A. B. Ronova a A. A. Yaroshevského (1978, 1993), že asi (2,7-2,86) × 10 kontinentálnych sedimentov - asi (9,2-8,09) × 10 21 g Corg. Podľa G. Forea sme vzali hodnoty pomerov Corg:Norg blízko k 20:1, potom obsah Horgov v sedimentoch oceánskeho dna a šelfov je približne 1,36 × 10 20 g a v kontinentálnych usadeniny - 5,0 × 10 20 g
Ako prvé priblíženie budeme predpokladať, že vývoj života v oceáne je limitovaný obsahom rozpusteného fosforu v oceánskych vodách a jeho koncentrácia sa v čase nevýznamne menila (Schopf, 1982). Z toho vyplýva, že biomasa oceánu zostala vždy približne úmerná hmotnosti vody v samotnom oceáne. Vývoj hmotnosti vody vo svetovom oceáne bol uvažovaný na obr. 112, krivka 2). Ak vezmeme do úvahy predpoklad o proporcionalite biomasy v oceánoch - hmotnosti samotných oceánskych vôd, je možné približne vziať do úvahy odstránenie Norgu spolu s oceánskymi sedimentmi cez zóny zhlukovania a subdukcie litosférických dosiek. počas geologického vývoja Zeme. Zodpovedajúce výpočty (Sorochtin, Ushakov, 1998) ukázali, že počas geologického vývoja Zeme (t. j. za posledné 3,8 – 4 miliardy rokov) sa v dôsledku uvažovaného procesu z pôdy odstránilo asi 19,2 × 10 20 g dusíka. Zemská atmosféra. K tomuto množstvu dusíka musíme pripočítať aj hmotnosť Norg ≈ 5,0 × 10 20 g, zakonzervovanú v sedimentoch kontinentov a nahromadenú tam za čas asi 400 miliónov rokov. Za celý život Zeme sa tak z jej atmosféry odstránilo približne 24,2 × 10 20 g dusíka, čo sa rovná poklesu atmosférického tlaku o 474 mbar (pre porovnanie, parciálny tlak dusíka v modernej atmosfére je 765 mbar).
Zvážte dva extrémne prípady. Najprv predpokladajme, že k odplynovaniu dusíka z plášťa vôbec nedošlo, potom je možné určiť počiatočný efektívny tlak zemskej atmosféry v katarchei (t.j. na intervale 4,6-4,0 miliardy rokov). Ukázalo sa, že sa približne rovná 1,23 baru (1,21 atm).
V druhom prípade budeme predpokladať, ako to bolo urobené v práci (Sorokhtin a Ushakov, 1991), že takmer všetok dusík v atmosfére bol za posledné 4 miliardy rokov odplynený z plášťa. Výpočet procesu odplyňovania dusíka z plášťa bol realizovaný pomocou výrazov (29) a (30) s prihliadnutím na skutočnosť, že v súčasnosti atmosféra obsahuje 3,87 × 10 21 g dusíka, v horninách a sedimentoch jeho obsah dosahuje 3,42 × 10 20 g a v dusíkovom plášti je to približne 4,07 × 10 21 g (Sorochtin a Ushakov, 1998). Index mobility dusíka by sa v priebehu času nemal meniť a bol približne rovný χ (N 2) ≈ 0,934. Po výpočte akumulácie dusíka vo vonkajších geosférach Zeme boli získané výsledky korigované na absorpciu tohto plynu v organickej hmote a jeho pochovávanie v horninách a sedimentoch. Zvyšok charakterizoval vývoj hmoty dusíka v zemskej atmosfére za podmienky jeho úplného odplynenia z plášťa.
Pre obe verzie boli následne vypočítané krivky vývoja parciálneho tlaku dusíka v zemskej atmosfére (obr. 117, krivky 1 a 3). Reálny obraz zmeny tohto tlaku by potom musel zodpovedať nejakej strednej krivke, ktorej polohu je možné určiť iba pritiahnutím dodatočných informácií o klíme Zeme, ktoré existovali v minulých geologických epochách. Takýmto referenčným bodom môžu byť napríklad informácie o vývoji najveľkolepejšieho zaľadnenia kontinentov v staršom proterozoiku, asi pred 2,5 – 2,3 miliardami rokov. Ako je uvedené v Ch. 8, kontinentálne masívy sa vtedy nachádzali v nízkych zemepisných šírkach (pozri obr. 98), no zároveň stáli vysoko nad hladinou mora (s priemernými výškami okolo 4-3 km). Preto by k výskytu takéhoto zaľadnenia mohlo dôjsť len vtedy, ak by priemerná teplota zemského povrchu na úrovni mora vtedy nepresiahla +6 ... +7 ° С, t.j. bola približne rovná 280 K.
Obrázok 117.
1 - podľa hypotézy prvenstva dusíkovej atmosféry; 2 - prijatá možnosť; 3 - podľa hypotézy o odplynení dusíkovej atmosféry z plášťa.
Obrázok 98.
1 - tillity a tilloidy; 2 - spevnená kontinentálna kôra; šípky na kanadskom štíte ukazujú identifikované smery ľadovcového šrafovania; biela farba - oblasť pokrytia zaľadnením. Av - Austrália; SAM a YUAM – Severná a Južná Amerika; An - Antarktída; ZAf - západná Afrika; Af - Afrika; Ev - Európa; Ying – India; K - Severná a Južná Čína; So - Sibír.
Ďalej bude ukázané, že v ranom proterozoiku sa atmosféra prakticky skladala len z dusíka s malým prídavkom argónu, pričom parciálne tlaky kyslíka a oxidu uhličitého nepresahovali 10 -6, resp. 10 -2 atm. konštanta bola rovná S = 1,14 x 106 erg/cm2 x s. Ak vezmeme T s ≈ 280 K ≈ 7 ° С pre túto studenú epochu, podľa nižšie uvedenej adiabatickej teórie skleníkového efektu sme zistili, že tlak dusíkovej atmosféry bol v tomto čase približne rovný p N 2 = 1,09 atm, pričom podľa primárnej hypotézy mala byť dusíková atmosféra v tomto čase p N 2 ≈ 1,19 atm a podľa hypotézy úplne odplyneného dusíka z plášťa p N 2 ≈ 0,99 atm. To ukazuje, že dusík modernej atmosféry je približne 54% reliktného plynu a iba 46% je odplynených z plášťa a najpravdepodobnejšia pravidelnosť vo vývoji tlaku dusíka v zemskej atmosfére je znázornená na obr. 117, krivka 2.
