Вуглекислий газ виділяється в атмосферу. Склад і будова атмосфери

Склад Землі. повітря

Повітря - це механічна суміш з різних газів, складових атмосферу Землі. Повітря необхідне для дихання живих організмів, Знаходить широке застосування в промисловості.

Те, що повітря являє собою саме суміш, а не однорідну субстанцію, було доведено в ході експериментів шотландського вченого Джозефа Блека. В ході одного з них учений виявив, що при нагріванні білої магнезії (вуглекислий магній) виділяється «пов'язане повітря», тобто вуглекислий газ, і утворюється палена магнезія (оксид магнію). При випалюванні вапняку, навпаки, відбувається видалення «пов'язаного повітря». На основі цих експериментів учений зробив висновок, що відмінність між вуглекислими і їдкими лугами полягає в тому, що до складу перших входить вуглекислий газ, який є однією з складових частинповітря. Сьогодні ж ми знаємо, що крім вуглекислого, до складу земного повітрявходять:

Зазначене в таблиці співвідношення газів в земній атмосфері характерно для її нижніх шарів, до висоти 120 км. У цих областях лежить добре перемішана, однорідна за складом область, звана гомосфери. Вище гомосфери лежить гетеросферу, для якої характерно розкладання молекул газів на атоми і іони. Області відокремлені один від одного турбопаузи.

Хімічна реакція, при якій під впливом сонячного і космічного випромінювання відбувається розкладання молекул на атоми, називається фотодисоціація. При розпаді молекулярного кисню утворюється атомарний кисень, який є основним газом атмосфери на висотах понад 200 км. На висотах від 1200 км починають переважати водень і гелій, які є найбільш легкими з газів.

Оскільки основна маса повітря зосереджена в 3 нижніх атмосферних шарах, зміни складу повітря на висотах понад 100 км не роблять помітного впливу на загальний склад атмосфери.

Азот - найпоширеніший газ, на частку якого припадає більше трьох чвертей обсягу земного повітря. Сучасний азот утворився при окисленні ранньої аміачно-водневої атмосфери молекулярним киснем, який утворюється в процесі фотосинтезу. В даний час невелика кількість азоту в атмосферу надходить в результаті денітрифікації - процесу відновлення нітратів до нітритів, з подальшим утворенням газоподібних оксидів і молекулярного азоту, який проводиться анаеробними прокариотами. Частина азоту в атмосферу надходить при вулканічних виверженнях.

У верхніх шарах атмосфери при впливі електричних розрядів за участю озону молекулярний азот окислюється до монооксиду азоту:

N 2 + O 2 → 2NO

У звичайних умовах монооксид негайно ж вступає в реакцію з киснем з утворенням закису азоту:

2NO + O 2 → 2N 2 O

Азот є найважливішим хімічним елементомземної атмосфери. Азот входить до складу білків, забезпечує мінеральне живлення рослин. Він визначає швидкість біохімічних реакцій, відіграє роль розчинника кисню.

Другим за поширеністю газом атмосфери Землі є кисень. Утворення цього газу пов'язують з фотосинтезуючої діяльністю рослин і бактерій. І чим більш різноманітними і численними ставали фотосинтезуючі організми, тим більш значним ставав процес вмісту кисню в атмосфері. Невелика кількість важкого кисню виділяється при дегазації мантії.

У верхніх шарах тропосфери і стратосфери під впливом ультрафіолетового сонячного випромінювання (позначимо його як hν) утворюється озон:

O 2 + hν → 2O

В результаті дії того ж ультрафіолетового випромінювання відбувається і розпад озону:

О 3 + hν → О 2 + О

О 3 + O → 2О 2

В результаті першої реакції утворюється атомарний кисень, в результаті другої - молекулярний кисень. Всі 4 реакції носять назву «механізм Чепмена», по імені британського вченого Сідні Чепмена відкрив їх в 1930 році.

Кисень служить для дихання живих організмів. З його допомогою відбуваються процеси окислення і горіння.

Озон служить для захисту живих організмів від ультрафіолетового випромінювання, яке викликає незворотні мутації. Найбільша концентрація озону спостерігається в нижній стратосфері в межах т.зв. озонового шару або озонового екрану, лежачого на висотах 22-25 км. Вміст озону невелика: при нормальному тиску весь озон земної атмосфери займав би шар товщиною всього 2,91 мм.

Освіта третього за поширеністю в атмосфері газу аргону, а також неону, гелію, криптону і ксенону пов'язують з вулканічними виверженнями і розпадом радіоактивних елементів.

Зокрема гелій є продуктом радіоактивного розпаду урану, торію і радію: 238 U → 234 Th + α, 230 Th → 226 Ra + 4 He, 226 Ra → 222 Rn + α (в цих реакція α-частинка є ядром гелію, яка в процесі втрати енергії захоплює електрони і стає 4 He).

Аргон утворюється в процесі розпаду радіоактивного ізотопу калію: 40 K → 40 Ar + γ.

Неон випаровується з вивержених порід.

Криптон утворюється як кінцевий продукт розпаду урану (235 U і 238 U) і торію Th.

Основна маса атмосферного криптону утворилася ще на ранніх стадіях еволюції Землі як результат розпаду трансуранових елементів з феноменально малим періодом напіврозпаду або надійшла з космосу, зміст криптону в якому в десять мільйонів разів вище ніж на Землі.

Ксенон є результатом ділення урану, але основна маса цього газу залишилася з ранніх стадій утворення Землі, від первинної атмосфери.

Вуглекислий газ надходить в атмосферу в результаті вулканічних вивержень і в процесі розкладання органічної речовини. Його вміст в атмосфері середніх широт Землі сильно розрізняється залежно від сезонів року: взимку кількість CO 2 зростає, а влітку - знижується. Пов'язано це коливання з діяльністю рослин, які використовують вуглекислий газ в процесі фотосинтезу.

Водень утворюється в результаті розкладання води сонячним випромінюванням. Але, будучи найлегшим з газів, що входять до складу атмосфери, постійно випаровується в космічний простір, і тому зміст його в атмосфері дуже невелика.

Водяна пара є результатом випаровування води з поверхні озер, річок, морів і суші.

Концентрація основних газів в нижніх шарах атмосфери, за винятком водяної пари і вуглекислого газу, постійна. У невеликих кількостях в атмосфері містяться оксид сірки SO 2, аміак NH 3, монооксид вуглецю СО, озон O 3, хлороводень HCl, фтороводород HF, монооксид азоту NO, вуглеводні, пари ртуті Hg, йоду I 2 і багато інших. У нижньому атмосферному шарі тропосфері постійно знаходиться велика кількість зважених твердих і рідких частинок.

Джерелами твердих частинок в атмосфері Землі є вулканічні виверження, пилок рослин, мікроорганізми, а останнім часом і діяльність людини, наприклад, спалювання викопного палива в процесі виробництва. Найдрібніші частинки пилу, які є ядрами конденсації, служать причинами освіти туманів і хмар. Без твердих частинок, постійно присутніх в атмосфері, на Землю не випадало б опади.

Атмосфера - газова оболонка нашої планети, яка обертається разом з Землею. Газ, що знаходиться в атмосфері, називають повітрям. Атмосфера стикається з гідросферою і частково покриває літосферу. А ось верхня межа визначити важко. Умовно прийнято вважати, що атмосфера простягається вгору приблизно на три тисячі кілометрів. Там вона плавно перетікає в безповітряний простір.

Хімічний склад атмосфери Землі

формування хімічного складуатмосфери почалося близько чотирьох мільярдів років тому. Спочатку атмосфера складалася лише з легких газів - гелію і водню. На думку вчених вихідними передумовами створення газової оболонкинавколо Землі стали виверження вулканів, які разом з лавою викидали величезна кількість газів. Надалі почався газообмін з водними просторами, з живими організмами, з продуктами їх діяльності. Склад повітря поступово змінювався і в сучасному вигляді зафіксувався кілька мільйонів років тому.

Головні ж складові атмосфери це азот (близько 79%) і кисень (20%). Відсоток, доводиться на наступні гази: аргон, неон, гелій, метан, вуглекислий газ, водень, криптон, ксенон, озон, аміак, двоокису сірки та азоту, закис азоту і окис вуглецю.

Крім того, в повітрі міститься водяна пара і тверді частинки (пилок рослин, пил, кристалики солі, домішки аерозолів).

Останнім часом вчені відзначають не якісне, а кількісне зміна деяких інгредієнтів повітря. І причина тому - людина і його діяльність. Тільки за останні 100 років вміст вуглекислого газу зросла в десять разів! Це загрожує багатьма проблемами, сама глобальна з яких - зміна клімату.

Формування погоди і клімату

Атмосфера відіграє найважливішу роль у формуванні клімату і погоди на Землі. Дуже багато залежить від кількості сонячних променів, від характеру підстильної поверхні і атмосферної циркуляції.

Розглянемо фактори по порядку.

1. Атмосфера пропускає тепло сонячних променів і поглинає шкідливу радіацію. Про те, що промені Сонця падають на різні ділянки Землі під різними кутами, знали ще стародавні греки. Саме слово "клімат" в перекладі з давньогрецької означає "нахил". Так, на екваторі сонячні промені падають практично прямовисно, тому тут дуже жарко. Чим ближче до полюсів, тим більше кут нахилу. І температура знижується.

2. Через нерівномірне нагрівання Землі в атмосфері формуються повітряні течії. Вони класифікуються за своїми розмірами. Найменші (десятки і сотні метрів) - це місцеві вітру. Далі йдуть мусони і пасати, циклони і антициклони, планетарні фронтальні зони.

Всі ці повітряні масипостійно переміщаються. Деякі з них досить статичні. Наприклад, пасати, які дмуть від субтропіків в напрямку до екватора. Рух інших багато в чому залежить від атмосферного тиску.

3. Атмосферний тиск - ще один фактор, що впливає на формування клімату. Це тиск повітря на поверхню землі. Як відомо, повітряні маси переміщаються з області з підвищеним атмосферним тиском в сторону області, де цей тиск нижче.

Всього виділено 7 зон. Екватор - зона низького тиску. Далі, по обидва боки від екватора аж до тридцятих широт - область високого тиску. Від 30 ° до 60 ° - знову низький тиск. А від 60 ° до полюсів - зона високого тиску. Між цими зонами і циркулюють повітряні маси. Ті, що йдуть з моря на сушу, несуть дощі і негода, а ті, що дмуть з континентів - ясну і суху погоду. У місцях, де повітряні течії стикаються, утворюються зони атмосферного фронту, Які характеризуються опадами і похмурої, вітряною погодою.

Вчені довели, що від атмосферного тиску залежить навіть самопочуття людини. За міжнародними стандартами нормальне атмосферний тиск- 760 мм рт. стовпа при температурі 0 ° C. Цей показник розрахований на ті ділянки суші, які знаходяться практично врівень з рівнем моря. З висотою тиск знижується. Тому, наприклад, для Санкт-Петербурга 760 мм рт.ст. - це норма. А ось для Москви, яка розташована вище, нормальний тиск - 748 мм рт.ст.

Тиск змінюється не тільки по вертикалі, але і по горизонталі. Особливо це відчувається при проходженні циклонів.

будова атмосфери

Атмосфера нагадує листковий пиріг. І кожен шар має свої особливості.

. тропосфера- найближча до Землі шар. "Товщина" цього шару змінюється в міру віддалення від екватора. Над екватором шар простягається вгору на 16-18 км, в помірних зонах- на 10-12км, на полюсах - на 8-10 км.

Саме тут міститься 80% всієї маси повітря і 90% водяної пари. Тут утворюються хмари, виникають циклони і антициклони. Температура повітря залежить від висоти місцевості. В середньому вона знижується на 0,65 ° C на кожні 100 метрів.

. тропопауза- перехідний шар атмосфери. Його висота - від декількох сотень метрів до 1-2 км. Температура повітря влітку вище, ніж взимку. Так, наприклад, над полюсами взимку -65 ° C. А над екватором в будь-який час року тримається -70 ° C.

. стратосфера- це шар, верхня межа якого проходить на висоті 50-55 кілометрів. Турбулентність тут низька, вміст водяної пари в повітрі - незначна. Зате дуже багато озону. Максимальна його концентрація - на висоті 20-25 км. У стратосфері температура повітря починає підвищуватися і досягає позначки + 0,8 ° C. Це обумовлено тим, що озоновий шар взаємодіє з ультрафіолетовим випромінюванням.

. Стратопауза- невисокий проміжний шар між стратосферой і наступної за нею мезосферою.

. мезосфера- верхня межа цього шару - 80-85 кілометрів. Тут відбуваються складні фотохімічні процеси за участю вільних радикалів. Саме вони забезпечують те ніжне блакитне сяйво нашої планети, яке бачиться з космосу.

У мезосфері згорає більшість комет і метеоритів.

. мезопауза- наступний проміжний шар, температура повітря в якому мінімум -90 °.

. термосфера- нижня межа починається на висоті 80 - 90 км, а верхня межа шару проходить приблизно по позначці 800 км. Температура повітря зростає. Вона може варіюватися від + 500 ° C до +1000 ° C. Протягом доби температурні коливання складають сотні градусів! Але повітря тут настільки розріджене, що розуміння терміна "температура" як ми його уявляємо, тут не доречно.

. іоносфера- об'єднує мезосферу, мезопаузи і термосферу. Повітря тут полягає в основному з молекул кисню та азоту, а також з квазинейтральной плазми. Сонячні промені, потрапляючи в іоносферу сильно іонізують молекули повітря. У нижньому шарі (до 90 км) ступінь іонізація низька. Чим вище, тим більше іонізація. Так, на висоті 100-110 км електрони концентруються. Це сприяє відображенню коротких і середніх радіохвиль.

Найважливіший шар іоносфери - верхній, який знаходиться на висоті 150-400 км. Його особливість в тому, що він відбиває радіохвилі, а це сприяє передачі радіосигналів на значні відстані.

Саме в іоносфері відбуваються таке явище, як полярне сяйво.

. екзосфера- складається з атомів кисню, гелію і водню. Газ в цьому шарі дуже розріджене і нерідко атоми водню вислизають в космічний простір. Тому цей шар і називають "зоною розсіювання".

Першим вченим, який припустив, що наша атмосфера має вагу, був італієць Е. Торрічеллі. Остап Бендер, наприклад, в романі "Золоте теля" журився, що на кожну людину тисне повітряний стовп вагою в 14 кг! Але великий комбінатор трохи помилявся. Доросла людина відчуває на себе тиск в 13-15 тонн! Але ми не відчуваємо цієї тяжкості, тому що атмосферний тиск врівноважується внутрішнім тиском людини. Вага нашої атмосфери становить 5 300 000 000 000 000 тон. Цифра колосальна, хоча це всього лише мільйонна частина ваги нашої планети.