Размещено на http://www.allbest.ru/

Еволюція та сучасний склад атмосфери

Вступ

Земля, як і більшість інших планет, оточена газовою оболонкою - атмосферою. Атмосферне повітря - основний компонент біосфери. Перша наукова праця, в якому узагальнюються уявлення про атмосферу, належить Аристотелю, який висловив припущення, що Земля має форму кулі і тому повітряна оболонка повинна бути сферичної форми. Це і виражається словом «атмосфера» (по-грецьки «атмос» - пар, дихання, а «сфера» - куля).

Відомо, що людина без їжі може жити кілька десятків діб, без води - декілька діб, а без повітря - не більше кількох хвилин. Загальна кількість повітря в атмосфері складає 5,15 х10 т., а вміст у ньому кисню - в п'ять разів менше. Це дуже багато. І побоюватися, що в перспективі його не вистачить, очевидно, не слід, навіть при зростанні поживання всіма живими організмами та витрачання на виробничі потреби. Серйозну небезпеку для людини представляє не нестача повітря як такого, а його прогресуюче забруднення. Під забрудненням атмосфери розуміють присутність в ній одного або більше інгредієнтів або їх комбінацій в таких кількостях і протягом такого часу, що вони можуть принести шкоду здоров'ю або добробуту людини, або надмірно вплинути на сформований уклад життя.

Особливістю забруднювачів атмосфери є їх переваг громадської локалізація в порівняно невеликих географічних районах - містах та інших промислових центрах. Швидкість накопичення шкідливих речовин перевищує можливості самоочищення атмосфери. [1]

Об'єктом дослідження курсової є атмосфера Землі.

Предметом - основні властивості атмосфери, та їх зміна в процесі еволюції.

Мета - дослідження атмосферного складу та будови в процесі еволюції та на сучасному етапі. В ході написання курсової роботи виконуються наступні завдання: розглядаються особливості атмосфери на початковому етапі її утворення.

· розглядаються чинники, які посприяли набуття атмосфери сучасного складу.

· дається загальна характеристика будови атмосфери.

· розкриваються сучасні проблеми забруднення атмосфери.

1. Атмосфера землі та її значення

1.1 Загальна характеристика атмосфери Землі

В даний час Земля має атмосферу масою приблизно 5,27х10¹⁸ кг. Половина всієї маси атмосфери зосереджена в шарі до 5 км, 75% - до висоти 10 км, 95% - до 20 км. Близько поверхні вона містить 78,08% азоту, 20,95% кисню, 0,94% інертних газів, 0,03% вуглекислого газу і в незначних кількостях інші гази. Крім того атмосфера містить близько 1,3?1,5?10¹⁶ кг води, основну масу якої зосереджено у тропосфері. Тиск і щільність в атмосфері зменшується з висотою. Половина повітря міститься в нижніх 5,6 км, а майже вся друга половина зосереджена до висоти 11,3 км. На висоті 95 км щільність повітря в мільйон разів нижче, ніж у поверхні. На цьому рівні і хімічний склад атмосфери вже іншою. Зростає частка легких газів, і переважаючими стають водень і гелій. Частина молекул розкладається на іони, утворюючи іоносферу. Вище 1000 кілометрів знаходяться радіаційні пояси. Їх теж можна розглядати як частину атмосфери, заповнену дуже енергійними ядрами атомів водню і електронами, захопленими магнітним полем планети.

Відповідно до змін температури з висотою в атмосфері виділяють такі шари:

§ тропосфера - до 8-10 км у полярних областях та до 18 км - над екватором. У тропосфері зосереджено майже 80% атмосферного повітря, майже всю водяну пару, тут утворюються хмари і випадають опади. Теплообмін у тропосфері здійснюється здебільшого конвективно. Процеси, що відбуваються в тропосфері, безпосередньо впливають на життя та діяльність людей. Температура у тропосфері з висотою знижується в середньому на 6°C на 1 км, а тиск - на 11 мм рт. ст. на кожні 100 м.

Умовною межею тропосфери вважають тропопаузу, у якій зниження температури з висотою припиняється.

§ стратосфера - від тропопаузи до стратопаузи, яка розташована на висоті близько 50-55 км. Характеризується незначним збільшенням температури з висотою, яка сягає локального максимуму на верхній межі. На висоті 20-25 км у стратосфері розташовано шар озону, який захищає живі організми від згубного впливу ультрафіолетового випромінювання.

§ мезосфера - розташована на висотах 55-85 км. Температура поступово падає (від 0°C у стратопаузі до -70 ? -90°C у мезопаузі).

§ термосфера - пролягає на висотах від 85 до 400-800 км. Температура зростає із висотою (від 200 K до 500-2000 K у термопаузі).

За ступенем іонізації атмосфери в ній виділяють нейтральний шар (нейтросферу) - до висоти 90 км, та іонізований шар - іоносферу - вище 90 км.

За однорідністю атмосферу поділяють на гомосферу (однорідну атмосферу постійного хімічного складу) та гетеросферу (склад атмосфери змінюється з висотою). Умовною межею між ними на висоті близько 100 км є гомопауза. Верхня частина атмосфери, де концентрація молекул знижується настільки, що вони рухаються переважно балістичними траєкторіями, майже без зіткнень між собою, має назву екзосфера. Вона починається на висоті близько 550 км, складається переважно гелію та водню і поступово переходить у міжпланетний простір. [2]

1.2 Значення атмосфери для людини

Атмосфера є однією з необхідних умов виникнення та існування життя на Землі. Вона бере участь у формуванні клімату на планеті, регулює її тепловий режим, сприяє перерозподілу тепла біля поверхні. Частина променистої енергії Сонця поглинається атмосферою, а інша енергія, досягаючи поверхні Землі, частково йде в грунт, водойми, а частково відбивається в атмосферу.

Атмосфера оберігає Землю від різких коливань температури. При відсутності атмосфери і водойм температура поверхні Землі протягом доби коливалася б в інтервалі 200° С. Завдяки наявності кисню атмосфера бере участь в обміні і кругообігу речовин у біосфері.

У сучасному стані атмосфера існує сотні мільйонів років, все живе пристосоване до строго певного її складу. Газова оболонка захищає живі організми від згубних ультрафіолетових, рентгенівських і космічних променів. Атмосфера оберігає Землю від падіння метеоритів. В атмосфері розподіляються і розсіюються сонячні промені, що створює рівномірне освітлення. Вона є середовищем, де поширюється звук. Через дії гравітаційних сил атмосфера не розсіюється у світовому просторі.

З усіх складових частин біосфери для нормальної життєдіяльності людини, перш за все, потрібне повітря. Без їжі людина може прожити до п'яти днів, без повітря не більше п'яти хвилин. За добу людина в середньому споживає близько кілограма їжі, до двох з половиною літрів води і кисень з двадцяти кілограмів повітря. Але споживаний повітря повинне відповідати певним санітарним вимогам, інакше він викличе гострі або хронічні захворювання. В результаті промислових викидів повітря багатьох зарубіжних міст забруднений настільки, що вдень майже не видно сонця. Промислова пил являє собою один з основних видів забруднення атмосфери. Шкода, заподіяна пилом і попелом, є глобальним. Запилена атмосфера погано пропускає ультрафіолетову радіацію, що володіє бактерицидними властивостями, і перешкоджає самоочищення атмосфери. Пил засмічує слизові оболонки дихальних органів і очей, дратує шкірні покриви людини, є переносником бактерій і вірусів, знижує освітленість вулиць, заводських будівель, жител, викликаючи перевитрату електроенергії. Сажа, що є компонентом пилу і представляє собою практично чистий атмосферне вуглець, збільшує захворюваність раком легенів. [7]

Атмосферне повітря - це джерело дихання людини, тварин і рослинності, сировина для процесів горіння та синтезу хімічних речовин; він є матеріалом, застосовуваним для охолодження різних промислових і транспортних установок, а також середовищем, в яку викидаються відходи життєдіяльності людини, вищих і нижчих тварин і рослин. Важливу роль у всіх природних процесах відіграє атмосфера. Вона служить надійним захистом від шкідливих космічних випромінювань, визначає клімат даної місцевості і планети в цілому. Повітря атмосфери є одним з основних життєво важливих елементів навколишнього середовища, її життєдайним джерелом. Берегти його, зберігати в чистоті - значить зберігати життя на Землі. У Всесвіті земна атмосфера - унікальне і дивовижне явище. Вона складається з азоту, кисню, аргону, вуглекислого газу та інших елементів. До безцінним багатств нашої планети слід віднести в першу чергу багату киснем і збалансовану по газовому складу атмосферу. Атмосфера є складовою частиною біосфери і являє собою газоподібну оболонку Землі, що обертається разом з нею як єдине ціле. Ця оболонка шарувата. Кожен шар має свою назву і характерні фізико-хімічні особливості. Умовно прийнято атмосферу ділити на дві великі складові частини: верхню і нижню. Найбільший інтерес представляє для нас нижня частина атмосфери, головним чином тропосфера, оскільки в ній відбуваються основні метеорологічні явища, що впливають на забруднення атмосферного повітря.

Атмосферне повітря виступає свого роду посередником забруднення всіх інших об'єктів природи, він сприяє поширенню великих мас забруднень на великі відстані. Промисловими викидами, які переносяться по повітрю, забруднюється Світовий океан, окисляється грунт і вода. Спалювання таких видів палива, як вугілля, нафта, сланці, веде до забруднення повітря сірчистим газом - джерелом закислення грунтів та водойм. Вивільнені при цьому тепло розсіюється в навколишнє середовище і служить джерелом теплового забруднення атмосфери. Ступінь шкідливості забруднюючих природу речовин залежить від багатьох факторів навколишнього середовища і від самих речовин. Науково-технічний прогрес ставить завдання розробити об'єктивні й універсальні критерії шкідливості. Це засаднича проблема захисту біосфери на сьогоднішній день остаточно ще не вирішена. Аналіз накопичених з цього питання даних, наведений у дослідницьких роботах, показує, що метод розсіювання, і розведення забруднювачів не забезпечує захист біосфери. [3]

2. Утворення та еволюція атмосфери

Атмосфера почала утворюватися разом з формуванням Землі. У процесі еволюції планети і в міру наближення її параметрів до сучасних значень відбулися принципово якісні зміни її хімічного складу і фізичних властивостей. Відповідно до еволюційної моделі, на ранньому етапі Земля перебувала в розплавленому стані і близько 4,5 млрд. років тому сформувалася як тверде тіло. Цей рубіж приймається за початок геологічного літочислення. З цього часу почалася повільна еволюція атмосфери. У догеологічний час, у фазу розплавлення зовнішньої сфери земної кулі, виділялися величезні маси газів, що утворили первинну атмосферу Землі. Основними компонентами які виділялися з надр Землі були вуглекислий газ і водяна пара. Склад первинної атмосфери Землі, що утворилася за рахунок виділення газів і води при розплавленні планетної речовини, був схожий за складом з компонентами вулканічних вивержень сучасності. Гази, що виділяються з сучасних вулканів, містять переважно водяна пара. У складі газів базальтових лав, наприклад, гавайських вулканів з температурами до 1200°С водяна пара складає 70-80% за об'ємом. У фумарольних газах Курильських островів з температурами близько 100°С міститься 79,7% водяної пари. Другим за значенням складовим компонентом атмосфери, є вуглекислий газ. У газах з лав його вміст становить від 6 до 15%. Крім водяної пари з лав відганяються й інші компоненти:

§ за температур 800-1000°С це переважно «кислі дими» - НСl і HF.

§ за температур 500°С - сірка та її сполуки - H₂S, SO₂ та ін.

§ за нижчих температур - борна кислота і солі амонію.

Представляється, що парціальний тиск водяної пари ранньої атмосфери Землі в кілька разів перевищував парціальний тиск вуглекислого газу.

Іншими словами, атмосфера складалася головним чином з водяної пари з істотною домішкою вуглекислого газу.

Таким чином, у фазу розплавлення зовнішньої сфери земної кулі практично вся гідросфера перебувала у складі атмосфери. Таку своєрідну атмосферу, що складається в основному з пари води, Дж. Уолкер назвав «примітивною паровою атмосферою». Другим за значенням компонентом, складовим атмосфери, є вуглекислий газ. У газах з вулканічних лав СО₂ міститься від 6 до 15%. [6]

Отже, атмосфера того часу складалася головним чином з водяної пари з істотною домішкою вуглекислого газу. У цю фазу виділялася водяна пара, охолоджуючись на великій висоті, утворював густий хмарний покрив і інтенсивні дощові опади. Однак падаючі з хмар краплі води на деякій висоті над поверхнею планети, де температура повітря була вищою за 100°С, перетворювалися в пару, яка знову піднімався вгору. Над розпеченої поверхнею Землі функціонував своєрідний кругообіг води: пар - дощові опади - пар, тобто потужний парниковий ефект, аналогічно спостережуваний нині на Венері. У самий ранній період формування щільної атмосфери навколо остигає Землі, мабуть, відбувалося за рахунок парів і газів, що виділяються в результаті дегазації мантії. Передбачається, що надалі формування атмосфери відбувалося за рахунок газів, які вивергаються вулканами протягом перших 500 млн. років існування Землі, які складалися з водню, водяної пари, метану, оксидів вуглецю, аміаку та ін. Кругообіг води в природі, локалізований в первинній атмосфері Землі поблизу температурного рівня 100°С, практично не впливав на загальний хід еволюції планети і на розвиток її поверхні. Але це були передумови могутнього кругообігу води на Землі, який сформувався пізніше і мав величезний вплив на розвиток природного середовища та планети в цілому.

Після охолодження земної поверхні до температури нижче 100°С відбувся перехід атмосферної водяної пари в рідку воду. На сухій і дуже гарячій тоді земній поверхні утворився стік, річкова мережа й виникли водойми. Земна поверхня стала сильно обводнена і почала зазнавати інтенсивному впливу водних потоків. Цей етап і став початком геологічної історії. [9]

Отже, первісна атмосфера була відновлювальною та містила незначну кількість кисню, який утворювався за рахунок фотодиссоціації водяної пари під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця і дегазації базальтової магми. Конденсація водяної пари близько 4 млрд. років тому привела до утворення гідросфери. Зміни температурних умов на Землі, а слідом за цим і всієї природного обстановки не могли не відбитися і на атмосфері. Вилучення з атмосфери величезної кількості води та поява поверхневого стоку і водойм справили величезний вплив на склад і еволюцію повітряного середовища. З водної атмосфери вона перетворилася в основному в вуглекислу, в якій водяна пара з панівного компонента перетворилася на другорядний, хоча й важливий. Поява на земній поверхні великих водойм справила вплив на подальшу еволюцію атмосфери. У ній почалося швидке зменшення вмісту вуглекислого газу. СО₂ легко розчиняється у воді, і переважна його частина була поглинена нею.

Наразі, в умовах рівноважного стану між атмосферним вуглекислим газом і розчиненим в океанах, в океанічних водах міститься в 60 разів більше вуглекислого газу, ніж в атмосфері. Якщо ж врахувати здатність вуглекислого газу легко переходити з водного середовища у товщі відкладень, то його вміст у водах океану буде весь час зменшуватися, а відповідно буде падати величина парціального тиску розчиненого газу. Результатом зростаючої нерівноваги між парціальним тиском вуглекислого газу у водному середовищі й атмосфері буде перехід СО₂ з повітряного середовища у водне. Це зменшення вмісту вуглекислого газу в атмосфері мало тривати доти, доки знову не відновлювалася рівновага. Звідси випливає, що до початку геологічної історії склад атмосфери та її інші параметри дуже змінилися. Повітряне середовище не лише втратило майже всю воду, що перебувала в ньому у вигляді пари, але в ньому залишилося мало СО₂. У багато разів зменшився і тиск атмосфери. Природні умови на Землі різко змінилися. Природне середовище на нашій планеті стало не схоже на те, що було у неї в ранні фази історії.

Деякі геологічні процеси, (наприклад, виливи лави при виверженнях вулканів) супроводжувалися викидом газів з надр Землі. До їх складу входили азот, аміак, метан, водяну пару, оксид СО і діоксид СО ₂ вуглецю. Під впливом сонячної ультрафіолетової радіації водяна пара розкладалася на водень і кисень, але звільнився кисень вступав у реакцію з оксидом вуглецю, утворюючи вуглекислий газ. Аміак розкладався на азот і водень. Водень в процесі дифузії піднімався вгору і залишав атмосферу, а важчий азот не міг зникнути і поступово накопичувався, стаючи основним компонентом, хоча деяка його частина була пов'язана в молекули в результаті хімічних реакцій.

Під впливом ультрафіолетових променів і електричних розрядів суміш газів, присутніх у первісній атмосфері Землі, вступала в хімічні реакції, у результаті яких відбувалося утворення органічних речовин, зокрема амінокислот. Через відсутність значних кількостей кисню, а, отже, й озону, ультрафіолетові промені легко проникали крізь атмосферу, що створювало сприятливі умови для утворення таких органічних речовин, як амінокислоти і піридинові підстави, які є найголовнішими складовими частинами живої матерії. Вихідними речовинами для цього процесу служили молекули метану, оксиду вуглецю (II), водню, води й аміаку. Необхідно зазначити, що передумовою ускладнення структури була відсутність повної деструкції молекул органічних сполук до вуглекислого газу і води, як це відбувається при наявності в атмосфері кисню.

Отже, у відновній атмосфері відбувалося не окислення органічних речовин, а розкладання їх на окремі фрагменти, які служили вихідним матеріалом для синтезу більш складних речовин. Ці органічні речовини могли поступово накопичуватися в окремих, найбільш сприятливих місцях первісного океану, наприклад на берегах, що забезпечило виникнення життя і її прогресивну еволюцію. Першими видами живих організмів були, ймовірно, бактерії, у яких обмін речовин відбувався без участі кисню. Вони отримали назву анаеробних. На ранній стадії розвитку існувала анаеробна відновна атмосфера, і якщо, врешті-решт, відбувся перехід до атмосфери окисної та аеробної, то фактором, відповідальним за цей перехід, стала життєдіяльність фотосинтезуючих організмів. Сутність життєдіяльності цих організмів полягає в тому, що при поглинанні із зовнішнього середовища неорганічних речовин (вуглекислого газу і води) та сонячної енергії за допомогою хлорофілу вони виробляють органічні речовини і кисень. Сумарна хімічна реакція цього процесу виражається рівнянням:

CO₂ + 6H₂ = C₆H₁₂O₆ + 6O_2.

Живі організми, що з'явилися у водах стародавнього океану, стали визначальним фактором розвитку атмосфери. Найважливішим результатом діяльності цих організмів стало накопичення великої кількості кисню в атмосфері, супроводжуване поглинанням вуглекислого газу. Процес накопичення в атмосфері кисню сприяло виникненню озонового шару, який здатний затримувати більшу частину короткохвильових і ультрафіолетових променів, згубних для всього живого. Озоновий шар утворився на висоті 25-30 км від поверхні Землі за рахунок фотохімічної реакції. Коли озоновий шар атмосфери сформувався повністю, ультрафіолетові промені вже не досягали поверхні Землі і живі організми змогли жити на суші. Еволюція живих організмів пішла ще швидше завдяки пишного розвитку рослинності. Збільшення вмісту кисню в атмосфері сприяло окислення аміаку, що виділяється при інтенсивному вулканізмі. У результаті реакції окислення аміаку утворювався азот:

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O

Так поступово створювалася азотно-киснева атмосфера Землі. Більша частина кисню, що виділився внаслідок фотосинтезу за геологічну історію планети, була похована в літосфері у вигляді карбонатів, сульфатів, оксидів заліза та інших осадових утворень. Захороненню піддавався не тільки кисень, але і вуглець. Продукцією біохімічної діяльності живих організмів стали поклади кам'яного і бурого вугілля, нафти. Процес поховання органічної речовини сприяв збіднення атмосфери вуглекислим газом і збагачення киснем.

Стародавня атмосфера, за сучасними розрахунками, була насичена СО₂ в 1000 разів більше, ніж сучасна. Джерелом фотосинтетичного кисню є морська і континентальна рослинність. Близько 80% загальної його кількості утворюється в результаті життєдіяльності фітопланктону, що міститься у верхніх шарах морів і океанів. Фітопланктон являє собою мікроскопічні рослинні морські організми. Наземні рослинні організми дають приблизно 20% фотосинтетичного кисню. За сучасними уявленнями, весь вільний кисень атмосфери утворився в основному за рахунок двох потужних джерел - фотосинтетичного та ендогенного (глибинного), тобто в результаті дегазації базальтової магми. За підрахунками В.І. Вернадського, загальна кількість вільного кисню в атмосфері оцінюється в 1,5*10¹⁵ т, що узгоджується зі справжніми визначеннями. [8]

3. Сучасний склад атмосфери

3.1 Сучасний склад атмосферного повітря

На відміну від атмосфери Юпітера, Сатурна, що складаються головним чином з водню і гелію, і атмосфери Марса і Венери, основного компонента яких - вуглекислий газ, земна атмосфера складається переважно з азоту і кисню. Атмосфера Землі містить також аргон, вуглекислий газ, неон і інші постійні в змінні компоненти. Відносна об'ємна концентрація постійних газів, а також відомості про середні концентраціях ряду змінних компонентів (вуглекислий газ, метан, закис азоту і деякі інші), що відносяться тільки до нижніх шарів атмосфери, наведені в таблиці 3.1. Найбільш важлива змінна складова частина атмосфери - водяний пар. Основна маса водяної пари зосереджена в тропосфері, оскільки його концентрація швидко зменшується з висотою. Середній вміст водяної пари у вертикальному стовпі атмосфери в помірних широтах - близько 1,6-1,7 см «шару обложеної води» (таку товщину матиме шар сконденсованого водяної пари). Відомості щодо вмісту водяної пари в стратосфері суперечливі. Передбачалося, наприклад, що в діапазоні висот від 20 до 30 км питома вологість сильно збільшується з висотою. Проте подальші вимірювання вказують на велику сухість стратосфери. Мабуть, питома вологість в стратосфері мало залежить від висоти і складає 2-4 мг / кг. Хімічний склад сухого атмосферного повітря в земної поверхні (таблиця 3.1). Частину повітря, яка приблизно однакова в усіх куточках Землі й мало змінюється за день, тиждень чи навіть рік, назвали сталою складовою атмосфери. До неї входять десять газів. Домінують два з них: азот N₂ 78,084% і кисень 0₂ 20,946%. Частка всіх інших узятих разом газів не сягає й одного відсотка у сухому повітрі. Ці інші вісім газів постійні складові атмосфери за концентрацією розташовуються у такій послідовності наведені в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1. Хімічний склад сухого атмосферного повітря

Термін «стала складова» стосується однорідності складу повітря у межах нижніх межах атмосфери (зона інтенсивного конвективного перемішування), а не його незмінності впродовж тривалого часу. Дуже точні виміри на океанічних островах показують, що вміст вуглекислого газу невпинно підвищується, коливаючись упродовж року. Щовесни він трохи більший, аніж восени, коли частину С0₂ поглинають під час літньої вегетації рослини суходолу Північної півкулі (Додаток А). А ось плавне підвищення пояснюють найчастіше тим, що людство весело і радісно спалює практично все, що може горіти, добуваючи теплову енергію і виділяючи у повітря щороку майже 10 або вже й 20 млрд. т СО₂. [5]

3.2 Баланс газів в атмосфері

Постійні складові атмосфери. Чому сучасна атмосфера Землі особливо сприятлива для життя? На це запитання можна відповісти коротко: «Вона містить досить кисню і не має отруйних газів». Та якщо ми хочемо здійснити своєрідну екологічну експертизу і оцінювання газової оболонки Землі, то обмежитися цим твердженням аж ніяк не зможемо.

На наш погляд, першою з багатьох властивостей атмосфери є її «однаковість» для всієї поверхні Землі. Якщо знехтувати домішками і забрудненнями, то всі земляни дихають практично однаковим повітрям, коли перебувають на одній і тій самій висоті над рівнем моря. Мандрівники давніх часів не сушили собі голову перед мандрівкою запитанням типу: «А чим і як там ми будемо дихати?» Вони намагалися розв'язати інші проблемі, а саме: «Яка там вода? Де знайти їжу?»

Це видається настільки очевидним, що сучасні мандрівники «по вертикалі» (альпіністи і туристи) інколи забувають про ту важливу обставину, що, плануючи сходження, варто добре подумати над тим, «чим ми будемо дихати?» Тут, звісно, можна заперечити, що ці люди прекрасно знають, яка висота бажаної вершини. Якщо це 5-6 км, то обходяться без кисневих масок, адже на цій висоті люди живуть постійно в Гімалаях і Тибеті. Лише коли передбачається сходження на 7-8 км, то запасаються киснем. Та не раз траплялося, що за цими міркуваннями забували про зміни погоди, про можливість тимчасової зміни тиску. Зниження тиску в центрі потужного циклону фактично еквівалентне «підніманню» місцевості на більшу висоту (і це не на метри, а на сотні метрів і більше), а підвищення його для умов антициклону «опусканню» місцевості ближче до рівня моря. На жаль, не раз гинули від задухи на висоті 6-7 км ті альпіністи, на нещастя яких глибокий циклон «піднімав» їх на небезпечну висоту.

Відомо, що практично вся територія України лежить у комфортній для дихання зоні малої висоти над рівнем моря. «Стрибки» тиску погодного характеру не відчуває більша частина здорового населення. Вони не становлять для них жодної небезпеки. А от для тих, хто «ледь дихає» навіть у сприятливих погодних умовах, зниження тиску повітря у циклонну негоду помітно ускладнює життя і погіршує самопочуття. Відносна сталість складу атмосфери спостерігається в усій її нижній частині, де сила тяжіння скупчила переважну більшість молекул газів. Засобом для вирівнювання складу і безперервного «перемішування» є всі види вітрів і конвективний рух вгору чи вниз при різниці температур (і тисків) повітряних мас у різних місцях поверхні землі. Якщо пригадати, що спалювання супроводжується вилученням з повітря кисню й приєднанням його до атомів вуглецю чи водню з палива, то можуть виникнути побоювання типу: «А чи вистачить на наш вік кисню?» Виявляється, вони абсолютно безпідставні, бо кількість кисню надто велика порівняно з масою вуглецю у паливі. Навіть якщо одномоментно спалити все, що міститься у відомих родовищах вугілля, нафти і газу, то вміст кисню знизиться з 21% до приблизно 12%, а ось кількість вуглекислого газу у повітрі збільшиться у багато разів і наслідки цього будуть надто відчутні. [4]

Вивчення впливу вуглекислого газу на температуру приземного шару повітря є одним з досягнень сучасної науки. Якщо раніше про нього тільки здогадувалися, то дослідження повітря у зразках льоду з нижніх шарів льодовиків Гренландії та Антарктиди дали незаперечні докази зв'язку між вмістом С02 і температурою «на Землі». Виявилося, що максимальні концентрації вуглекислого газу у певні моменти впродовж останніх 150 тис. років щоразу відповідали потеплінням. Зниження вмісту С02 і схожого до нього за впливом на температуру повітря метану супроводжувалося розвитком льодовиків (льодовикові періоди). Погодьтеся, що це серйозний здобуток сучасної науки. Лишається лише зачекати, коли вона зможе встановити, що з цих двох чинників є причиною, а що наслідком.

Пошуки відповіді на останнє запитання актуальні ще й тому, що останнім часом господарська активність людства теж позначається на сталій складовій атмосфери, бо інтенсифікація рільництва і тваринництва за 300 років подвоїла кількість метану в атмосфері, а спалювання органічного палива щонайменше на чверть збільшило концентрацію вуглекислого газу в ній.

Серед згаданих сталих складових атмосфери немає явно отруйних. Цікаво, що істотні зміни концентрації кожного з газів шкідливі чи небажані, адже переважна більшість з них не підтримує дихання. Це стосується навіть потрібного нам кисню. Доведено, що внаслідок підвищення його вмісту понад межу 27% стане практично неможливим самозгасання пожеж у лісах, які спричинюються блискавками (дощ не зможе зробити листя чи гілки досить «мокрими»). Ще гірше, що посилення окислення призведе до розігрівання і самозаймання куп листя чи вугілля, елеваторів і сховищ зерна, торфовищ тощо.

Стала складова повітря екологічно безпечна на всій поверхні Землі.

Змінні складові атмосфери (домішки). Такого переконливого заспокійливого твердження, на жаль, не можна висловити стосовно домішок в атмосфері.

Розглянемо спочатку ті змінні складові атмосфери, які мають природне походження. Серед них перед веде водяна пара, змінність концентрації якої нам і відома, і звична.

Ми почуваємося не дуже добре, коли повітря надто сухе. Ситуація погіршується, коли високий вміст пари поєднується з підвищенням температури. У цих умовах навіть у здорової людини утруднюється теплова регуляція, важко (і небезпечно) виконувати інтенсивну фізичну працю, дуже підвищується ймовірність виникнення теплового удару. Саме тому вологі тропіки лікарі вважають малосприятливими для людини зонами Землі.

Рекордна концентрація водяної пари сягає там 56%, а середня близька до 34%. Влітку над Україною повітря містить найбільшу кількість водяної пари. Взимку повітря сухіше, бо вона конденсується в сніг та іній. Найнижчі концентрації водяної пари до 0,00001% спостерігаються над вкритою льодом Антарктидою. Значно нижча концентрація інших домішок у повітрі. Наприклад, середня концентрація озону (О3) збігається з рекордно малою концентрацією пари води. Відомо кілька природних джерел утворення цього активного окислювача з характерним запахом. У приземних шарах атмосфери це блискавки й окислення смол хвойних дерев, а утворені ними концентрації озону позитивно впливають на наше самопочуття.

Більшість озону постійно перебуває в шарах стратосфери на висотах 15-70 км (максимум на висоті 25 км), утворюючи озоносферу «протиультрафіолетовий» щит Землі. Поглинаючи біоактивне випромінювання Сонця під час свого утворення й розпаду, озон не пропускає до поверхні Землі безсумнівно шкідливу для біосфери частину сонячної енергії. На жаль, антропогенні домішки в атмосфері вже створили реальну загрозу втрати такого необхідного для сучасної біосфери шару озону у стратосфері та «заміною» його вкрай небезпечним «приземним» озоном. Про це йтиметься трохи далі.

Серед змінних складових атмосфери є кілька сполук азоту з киснем (N2O, NO, NO2), які, як і озон, теж утворюються під час гроз енергією блискавок. Дуже складні суміші газів виходять назовні з вулканів. У порядку зменшення концентрації це Н2О, СO2, CO, Н2, НCl, HF, S02, H2S, NH3, COS, CH4 та деякі інші. Частина з них бере активну участь у різноманітних хімічних реакціях в атмосфері та на поверхні ґрунту. Зазначені гази або явно отруйні (як CO), або більшменш шкідливі для людини, та їхня природна концентрація на великих відстанях від вулканів дуже мала, вона менша мільйонної частки процента і не становить небезпеки для здоров'я людини. Добре відомо, що отруйні викиди з вулканів не раз вбивали багато людей (інколи десятки тисяч!) в його найближчих околицях. Та, на щастя, перемішування повітря швидко зменшує концентрацію шкідливих газів вулканів, тому вони не становлять небезпеки для справді великих територій.

Раніше нехтували виділенням газів з гірських порід, звертаючи всю увагу на добре помітні стовпи диму з вулканів. Лише не так давно встановлено, що сумарний газовий потік у горах (гейзери, джерела газованих вод типу нарзану, просочування з тріщин тощо) близький до вулканічного. Навіть виходи корінних порід на рівнинах «видихають» гази, хоч і порівняно мало (водень, СH4 та ін.). Серед цих «інших» радон став об'єктом поглибленого вивчення.

Цей важкий інертний газ належить до природних радіонуклідів з осактивністю. Тривале перебування людини у гранітних печерах, шахтах, напівпідвальних приміщеннях, які контактують з гранітами, суттєво підвищують ризик захворіти на рак легенів. На відкритому повітрі і в звичайних будинках радон не становить небезпеки, а його контрольоване використання у санаторіях дає змогу лікувати деякі хвороби.

Та найпотужнішим джерелом найпотрібнішого для утворення дощових крапель аерозолю є солона вона океану і морів, точніше піна незліченних хвиль. Доведено прямими вимірами, що двоміліметрова бульбашка, лопаючись, утворює понад 2000 мікрокрапель, випаровування яких дає найкращі ядра конденсації водяних крапель у всіх дощових хмарах Землі.

Без аерозолю дощі чи інші опади стануть неможливими, а будова атмосфери несприятливою для життя. Одне це робить ці частинки дуже корисними для біосфери, яка добре пристосувалася до їх існування. У наш час медики інтенсивно вивчають вплив природних та антропогенних аерозолів на здоров'я, бо дедалі збільшується кількість осіб, які хворобливо реагують на пилок дерев та інші мікрочастинки. Надзвичайна різноманітність господарської активності людини спричинила появу у повітрі не тільки пилу, а й великої кількості газів забруднювачів.

атмосфера озон склад повітря

3.3 Домішки в атмосфері

В атмосферному повітрі містяться різні домішки - пил, гази і т.д. Частина цих домішок має природне походження. Наприклад, вулканічна і ґрунтова пил, пил лісових пожеж і т.д. Гниття органічних речовин веде до вступу в атмосферу сірководню, аміаку; бродіння вуглецевмісних речовин - до виділення метану. В атмосфері є різні неорганічні солі, які потрапляють до неї з океанів і морів у результаті випаровування та розбризкування під час хвилювання. При випаровуванні води солі поступають в повітря в молекулярно-дисперсному стані. З 1 м³ води виходить 0,5 г солі. При випаровуванні з усієї поверхні Світового океану (500 тис. км²) в атмосферу щорічно переходить з водяною парою приблизно 250 млн. т розчинених речовин, до складу яких входять такі елементи: йод, бром, свинець, цинк, мідь, нікель і ін. Наприклад, щорічно з морської води в атмосферу випаровується близько 50 000 т йоду. Але головним природним джерелом металів в атмосфері є пил, що утворюється при вивітрюванні гірських порід і переносима вітровими потоками. Деяка кількість металів приносить космічний пил, 1 млн. т якої щороку осідає на поверхню Землі. В даний час головним постачальником металів в атмосферу є антропогенні джерела, що приносять в повітря в 18 разів більше свинцю, в 9 - більше кадмію і в 7 разів більше цинку.

За останнє десятиліття в атмосферу надійшло свинцю більше, ніж за всю історію цивілізації до 1900 р. Кількість вуглекислого газу, щорічно утворюється в сфері товарного виробництва, в 100-200 разів більше, ніж його надходження при виверженні вулканів. Під впливом земного радіоактивного випромінювання і космічних променів в атмосфері утворюється багато іонів.

У 1 см³ повітря їх може утримуватися від кількох сотень до кількох десятків тисяч. Безпосередніми складовими атмосфери природного походження є SО_2, HF, HC1 (вулканічного походження), а також H₂S (з природного газу). В атмосфері завжди присутня водяна пара. Кількість водяної пари в тропосфері залежить від пори року та географічної широти. Маса води, що міститься в атмосфері, досягає 13,25 * 10¹² т.

У тропосферу безперервно надходить пил різного походження - космічна, вулканічна, грунтова, пил лісових пожеж. Звичайно в природних умовах на 1 км² щороку випадає близько 5 т пилу. Хімічний склад атмосфери залишається практично постійною протягом багатьох мільйонів років. Це можна пояснити тим, що її склад регулюється біологічними процесами, що відбуваються в напрямку оптимізації умов розвитку біосфери. Як писав В.І. Вернадський, життя створює в оточуючому.

Варто підкреслити, що з ростом населення планети, розвитком промисловості й збільшенням кількості транспортних засобів спостерігається, особливо в останні два десятиліття, значне погіршення якості атмосферного повітря. Насамперед збільшується концентрація окису вуглецю. Це газ без кольору й заходу, якому можна виявити за допомогою приладів або хімічних речовин. Він в 200 разів активніше кисню.

У великих містах зміст окису вуглецю наближається до небезпечної риси. Головним джерелом його є викиди автомобільного транспорту. Потрапляючи в легені людини, газ витісняє кисень із гемоглобіну, відтворює міцну сполуку (карбоксигемоглобин). У результаті значна кількість гемоглобіну припиняє брати участь у найважливішому процесі - переносі кисню з повітря до тканин і органів.

При отруєнні окисом вуглецю в людини з'являються шум у вухах, головний біль, запаморочення, пульсація в скронях, нудота, блювота, втрата свідомості.

Легковий автомобіль викидає до 3 м³/рік окиси вуглецю, а вантажний - до 6. У повітрі найбільших міст США її втримується від 20 до 300 мг/м³. Особливо багато окису вуглецю в повітрі на перехрестях вулиць, де автомобільні двигуни працюють вхолосту чекаючи зеленого сигналу світлофора. Цей газ може накопичуватися також у кабінах водіїв автомобілів із двигунами внутрішнього згоряння.

Окисом вуглецю регулярно дихають курці: у тютюновому димі сигарети втримується близько 1% окису вуглецю. Вона також утвориться в печах при спалюванні вугілля, інших видів твердого й рідкого палива. Окис вуглецю втримується й у димових газах, що відходять. Ще 30 років тому при спалюванні 200 млн. т вугілля в атмосферу було викинуто більше 4 млн. т ці гази. За останні роки у зв'язку зі збільшенням обсягів виробництва й недостатньою ефективністю прийнятих мір концентрація окису вуглецю в повітрі зростає. Тільки в США щорічно викидається його в атмосферу 60 млн. т.

Сірчистий газ зустрічається в природі в складі газоподібних продуктів вулканічних вивержень, однак газу такого походження небагато. Основне джерело сірчистого газу, що забруднює атмосферу, - хімічна, металургійна промисловість, теплоенергетика. При нормальних температурі й тиску це - безбарвний газ із різким заходом, що добре розчиняється у воді, відтворює сірчисту кислоту. Аналогічний процес може відбуватися й у вологому повітрі. сірчиста кислота, Що Утвориться в атмосфері, шкідливо впливає на самопочуття людини, а також на флору й фауну.

Сірчистий газ попадає в повітря в результаті спалювання палива, що містить сірку: кам'яного вугілля, нафтопродуктів, газу, - може окислятися до сірчистого газу, що утворить із водою сірчану кислоту. У куті Донбасу втримується до 3,5 Урал - до 6% сірки. Сірчистий газ дратує слизуваті оболонки очей, дихальних шляхів, викликаючи кашель, спазми в горлі. У результаті може розвиватися бронхіт. Вдихання повітря зі змістом 400 - 500 мг/м³ сірчистого газу приводить до отруєння організму. Газ небезпечний і для рослинності. Особливо чутливі до нього хвойні й фруктові дерева. Мармур під впливом сірчистого газу перетворюється в гіпс (сірчанокислий кальцій).

Щоб позбутися від шкідливих газів, будують високі димарі. Однак такий прийом для міст не ефективний. Намагаються також витягти сірку з палива до його використання, однак поки без видимих результатів. Найбільш надійний метод - будівництво очисних споруджень. Для вловлювання сірчистого й інших шкідливих газів застосовують їхнє промивання водою, обробку вапняним розчином, аміаком і іншими реагентами. [5]

Висновки

Земля, як і більшість інших планет, оточена газовою оболонкою - атмосферою. Атмосферне повітря - основний компонент біосфери. Атмосфера почала утворюватися разом з формуванням Землі. У процесі еволюції планети і в міру наближення її параметрів до сучасних значень відбулися принципово якісні зміни її хімічного складу і фізичних властивостей. Підводячи підсумок, виділимо основні етапи еволюції атмосфери і клімату нашої планети. В догеологічний час, в фазу розплавлювання зовнішньої сфери земної кулі, величезні маси газів утворили первинну атмосферу Землі. Основними компонентами виділялися з надр Землі газів були вуглекислий газ і водяна пара. Склад первинної атмосфери Землі, що утворилася за рахунок виділення газів і води при розплавлюванні планетного речовини, був схожий за складом з компонентами вулканічних вивержень сучасності. Гази, що виділяються з сучасних вулканів, містять переважно водяний пар.

Другим за значенням компонентом, складовим атмосферу, є вуглекислий газ. В газах з вулканічних лав СО₂ міститься від 6 до 15%. Атмосфера того часу складалася головним чином з водяної пари з істотною домішкою вуглекислого газу. У фазу розплавлювання зовнішньої сфери земної кулі практично вся гідросфера перебувала в складі атмосфери. У цю фазу виділився водяний пар, охолоджуючись на великій висоті, утворював густий хмарний покрив і інтенсивні дощові опади.

Земна поверхня стала сильно обводненной і почала піддаватися інтенсивному впливу водних потоків. Цей етап і був початком геологічної історії. Подальша еволюція атмосфери пов'язана головним чином, з появою і розвитком органічного світу, насамперед рослинності.

Сучасна атмосфера Землі особливо сприятлива для життя. Вона містить досить кисню і не має отруйних газів. Варто підкреслити, що з ростом населення планети, розвитком промисловості й збільшенням кількості транспортних засобів спостерігається, особливо в останні два десятиліття, значне погіршення якості атмосферного повітря. Насамперед збільшується концентрація окису вуглецю. Це газ без кольору й заходу, якому можна виявити за допомогою приладів або хімічних речовин. Він в 200 разів активніше кисню.

Список джерел

1. Загальне землезнавство [навчальний посібник] / І.І. Волошин: Міністерство освіти і науки України, Ніжинський державний педагогічний університет імені Миколи Гоголя (Ніжин), Атмосфера - 50 с.

2. Атмосфера и погода [научно-популярная литература] / А.П. Гальцов: В помощь лектору, 1953.-52 с.

3. Атмосфера [Електронний ресурс], режим доступу: http://uk. Wikipedia.org.

4. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Выпуск 12. Ленинград Гидрометеоиздат 1968. - 647 с.

5. Метеорология и климатология [учебник] / Хромов С.П., Петросянц, М.А.: Москов. ун-та, 1994. - 528 с.

6. Походження та склад атмосфери [Електронний ресурс], режим доступу: http:// geografica.net.ua.

7. Еволюція атмосфери [Електронний ресурс], режим доступу: http://eco-live.com.ua.

8. Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет [научно-популярная литература] / Сафронов В.С: Наука, 1969. - 244 с.

9. Происхождение и эволюция атмосферы Земли [научный пособник] / Сорохтин О.Г., Ушаков С.А.М., Изд-во МГУ, 1992. 35-45 с.

Размещено на Allbest.ru