Атмосфера Земли медленно теряет кислород

• Научно-популярное ,
• Экология

Тропосфера - нижний очень тонкий слой атмосферы высотой 8-18 км, в котором сосредоточено 80% массы атмосферы Земли

Важность атмосферного O 2 для биологических и геохимических процессов на Земле чрезвычайно высока. Поэтому учёные давно изучают, как изменялось содержание кислорода в истории нашей планеты. Это можно понять из расчёта парциального давления O 2 и N 2 в общем атмосферном давлении.

Несмотря на долгую историю вопроса, у специалистов до сих пор нет единого мнения об изменении атмосферного давления на протяжении последних 500 млн лет. Расчёты отличаются до 0,2 атм (см. диаграмму внизу). Даже за последние несколько миллионов лет нет ясной картины, как именно менялось атмосферное давление, парциальное давление и, следовательно, концентрация O 2 .

Вопрос непростой, ведь кислород из атмосферы постоянно потребляют животные, растения и даже камни. Группа учёных из Принстонского университета прояснила этот вопрос, изучив концентрацию воздушных пузырьков в ледяных кернах Гренландии и Антарктиды .

Ледяной керн с глубины 1837 м с видимыми годовыми слоями

На сегодняшний день ледяные керны - самый надёжный и точный источник данных об атмосферном давлении. Максимальный возраст льда в кернах - 800 тыс. лет, поэтому исследования ограничены этим временным интервалом.

Добыча ледяных кернов на научной станции «Восток» в Антарктиде

Оказалось, что в течение этого времени с Земли происходит довольно стабильная утечка кислорода со скоростью примерно 8,4 промилле за миллион лет. В частности, за последние 800 000 лет в атмосфере стало примерно на 0,7% меньше кислорода.

На диаграмме слева показано, как отличаются результаты научного моделирования соотношения O 2 /N 2 в атмосфере и парциального давления. На диаграмме справа - изменение парциального давления по результатам измерения воздушных пузырьков в ледяных кернах за 800 тыс. лет

«Мы проделали эти измерения больше из интереса, чем для подтверждения теории, - один из авторов научной работы Дэниель Столпер (Daniel Stolper). - Мы не знали, что получится: будет кислород увеличиваться с годами, уменьшаться или оставаться на постоянном уровне».

Уменьшение количества кислорода в атмосфере происходит довольно медленно. Вероятно, в ближайшие миллионы лет оно не угрожает человеческой жизни. Но информация о природе таких циклов очень важна для науки. Нам нужно знать, под влиянием каких факторов происходят изменения. Эту информацию можно использовать, в том числе, при терраформировании Марса, когда люди начнут заселение Красной планеты. Вероятно, нам придётся повышать количество кислорода в марсианской атмосфере.

На Земле тоже не было кислорода в первые пару миллиардов лет. Согласно наиболее вероятной теории, примерно 2,4 млрд лет назад уровень кислорода резко подскочил благодаря активности цианобактерий , известных также как сине-зелёные водоросли. Этот период резкого изменения состава атмосферы с последующей перестройкой биосферы и глобальным гуронским оледенением в истории Земли известен как кислородная катастрофа .

Сине-зелёные водоросли - причина, по которой 2,4 млрд лет назад на Земле появился кислород в большом количестве и возникла более продвинутая жизнь

Такую же кислородную катастрофу можно устроить на Марсе.

Учёные ещё не пришли к единому мнению, почему атмосфера Земли медленно теряет кислород. Есть две гипотезы . Одна из них - это происходит из-за увеличения скорости эрозии, в результате которой из почвы извлекается больше горных пород, которые окисляются и связывают больше кислорода. Другая теория связана с изменением климата: за последние несколько миллионов лет температура немного снизилась, несмотря на резкий рост в последние десятилетия. Из-за снижения температуры могла инициироваться цепочка экологических реакций, в результате которой больше кислорода стало растворяться и связываться в Мировом океане.

Пока что всё это лишь гипотезы, которые следует проверить.

В данный момент атмосфера Земли содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,039% углекислого газа и небольшие примеси других газов. В ней также постоянно изменяется концентрация водяного пара, который считается одним из основных парниковых газов. На уровне океана концентрация H 2 O в атмосфере составляет около 1%, а в среднем - около 0,4%. Общая масса атмосферы - 5,5×10 18 кг, то есть 5,5 зеттаграммов или 5,5 петатонн.

Накопление кислорода в атмосфере Земли . Зелёный график - нижняя оценка уровня кислорода, красный - верхняя оценка. 1. 3,85-2,45 млрд лет назад. 2. 2,45-1,85 млрд лет назад: начало производства кислорода и поглощение его океаном и породами морского дна. 3. 1,85-0,85 млрд лет назад: окисление горных пород на суше. 4. 0,85-0,54 млрд лет назад: все горные породы на суше окислены, начинается накопление кислорода в атмосфере. 5. 0,54 млрд лет назад - настоящее время

Утечка кислорода из земной атмосферы происходит медленно. Но учёные подчёркивают, что в их исследовании нет данных по изменению уровня кислорода за последние 200 лет, после начала Индустриальной революции, когда люди начали активно окислять углеводороды из земных недр, получая энергию от этой химической реакции и связывая большое количество кислорода из атмосферы. «Мы потребляем кислород в тысячу раз активнее, чем раньше, - говорит Дэниель Столпер. - Человечество полностью замкнуло [кислородный] цикл, сжигая тысячи тонн углерода… Это ещё одно свидетельство, что совместными усилиями люди способны значительно ускорить естественные процессы на Земле».

Заметное увеличение содержания свободного кислорода в атмосфере Земли 2,4 млрд лет назад, по-видимому, явилось результатом очень быстрого перехода от одного равновесного состояния к другому. Первый уровень соответствовал крайне низкой концентрации О 2 — примерно в 100 000 раз ниже той, что наблюдается сейчас. Второй равновесный уровень мог быть достигнут при более высокой концентрации, составляющей не менее чем 0,005 от современной. Содержание кислорода между двумя этими уровнями характеризуется крайней неустойчивостью. Наличие подобной «бистабильности» позволяет понять, почему в атмосфере Земли было так мало свободного кислорода в течение по крайней мере 300 млн лет после того, как его стали вырабатывать цианобактерии (синезеленые «водоросли»).

В настоящее время атмосфера Земли на 20% состоит из свободного кислорода, который есть не что иное как побочный продукт фотосинтеза цианобактерий, водорослей и высших растений. Очень много кислорода выделяется тропическими лесами, которые в популярных изданиях нередко называют легкими планеты. При этом, правда, умалчивается, что за год тропические леса потребляют практически столько же кислорода, сколько образуют. Расходуется он на дыхание организмов, разлагающих готовое органическое вещество, — в первую очередь бактерий и грибов. Для того, чтобы кислород начал накапливаться в атмосфере, хотя бы часть образованного в ходе фотосинтеза вещества должна быть выведена из круговорота — например, попасть в донные отложения и стать недоступной для бактерий, разлагающих его аэробно, то есть с потреблением кислорода.

Суммарную реакцию оксигенного (то есть «дающего кислород») фотосинтеза можно записать как:
CO 2 + H 2 O + hν → (CH 2 O) + O 2 ,
где hν — энергия солнечного света, а (CH 2 O) — обобщенная формула органического вещества. Дыхание же — это обратный процесс, который можно записать как:
(CH 2 O) + O 2 → CO 2 + H 2 O.
При этом будет высвобождаться необходимая для организмов энергия. Однако аэробное дыхание возможно только при концентрации O 2 не меньше чем 0,01 от современного уровня (так называемая точка Пастера). В анаэробных условиях органическое вещество разлагается путем брожения, а на завершающих стадиях этого процесса нередко образуется метан. Например, обобщенное уравнение метаногенеза через образование ацетата выглядит как:
2(СH 2 O) → CH 3 COOH → CH 4 + CO 2 .
Если комбинировать процесс фотосинтеза с последующим разложением органического вещества в анаэробных условиях, то суммарное уравнение будет иметь вид:
CO 2 + H 2 O + hν → 1/2 CH 4 + 1/2 CO 2 + O 2 .
Именно такой путь разложения органического вещества, видимо, был основным в древней биосфере.

Многие важные детали того, как установилось современное равновесие между поступлением кислорода в атмосферу и его изъятием, остаются невыясненными. Ведь заметное увеличение содержания кислорода, так называемое «Великое окисление атмосферы» (Great Oxidation), произошло только 2,4 млрд лет назад, хотя точно известно, что осуществляющие оксигенный фотосинтез цианобактерии были уже достаточно многочисленны и активны 2,7 млрд лет назад, а возникли они еще раньше — возможно, 3 млрд лет назад. Таким образом, в течение по крайней мере 300 миллионов лет деятельность цианобактерий не приводила к увеличению содержания кислорода в атмосфере .

Предположение о том, что в силу каких-то причин вдруг произошло радикальное увеличение чистой первичной продукции (то есть прироста органического вещества, образованного в ходе фотосинтеза цианобактерий), критики не выдержало. Дело в том, что при фотосинтезе преимущественно потребляется легкий изотоп углерода 12 С, а в окружающей среде возрастает относительное содержание более тяжелого изотопа 13 С. Соответственно, донные отложения, содержащие органическое вещество, должны быть обеднены изотопом 13 С, который скапливается в воде и идет на образование карбонатов. Однако соотношение 12 С и 13 С в карбонатах и в органическом веществе отложений остается неизменным несмотря на радикальные изменения в концентрации кислорода в атмосфере. Значит, всё дело не в источнике О 2 , а в его, как выражаются геохимики, «стоке» (изъятии из атмосферы), который вдруг существенным образом сократился, что и привело к существенному увеличению количества кислорода в атмосфере.

Обычно считается, что непосредственно до «Великого окисления атмосферы» весь образующийся тогда кислород расходовался на окисление восстановленных соединений железа (а потом серы), которых на поверхности Земли было довольно много. В частности, тогда образовались так называемые «полосчатые железные руды». Но недавно Колин Гольдблатт , аспирант Школы наук об окружающей среде при Университете Восточной Англии (Норвич, Великобритания), совместно с двумя коллегами из того же университета пришли к выводу о том, что содержание кислорода в земной атмосфере может быть в одном из двух равновесных состояний: его может быть или очень мало — примерно в 100 тысяч раз меньше, чем сейчас, или уже довольно много (хотя с позиции современного наблюдателя мало) — не менее, чем 0,005 от современного уровня.

В предлагаемой модели они учли поступление в атмосферу как кислорода, так и восстановленных соединений, в частности обратив внимание на соотношение свободного кислорода и метана. Они отметили, что если концентрация кислорода превышает 0,0002 от современного уровня, то часть метана уже может окисляться бактериями метанотрофами согласно реакции:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O.
Но остальной метан (а его довольно много, особенно при низкой концентрации кислорода) поступает в атмосферу.

Вся система находится в неравновесном состоянии с точки зрения термодинамики. Основной же механизм восстановления нарушенного равновесия — окисление метана в верхних слоях атмосферы гидроксильным радикалом (см. Колебания метана в атмосфере: человек или природа — кто кого , «Элементы», 06.10.2006). Гидроксильный радикал, как известно образуется в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения. Но если кислорода в атмосфере много (по меньшей мере 0,005 от современного уровня), то в верхних ее слоях образуется озоновый экран, хорошо защищающий Землю от жестких ультрафиолетовых лучей и вместе с тем мешающий физико-химическому окислению метана.

Авторы приходят к несколько парадоксальному выводу о том, что само по себе существование оксигенного фотосинтеза не является достаточным условием ни для того, чтобы сформировалась богатая кислородом атмосфера, ни для того, чтобы возник озоновый экран. Данное обстоятельство следует учитывать в тех случаях, когда мы пытаемся найти признаки существования жизни на других планетах основываясь на результатах обследования их атмосферы.

На уровне моря 1013,25 гПа (около 760 мм ртутного столба). Средняя по глобусу температура воздуха у поверхности Земли 15°С, при этом температура изменяется примерно от 57°С в субтропических пустынях до -89°С в Антарктиде. Плотность воздуха и давление убывают с высотой по закону, близкому к экспоненциальному.

Строение атмосферы . По вертикали атмосфера имеет слоистую структуру, определяемую главным образом особенностями вертикального распределения температуры (рисунок), которое зависит от географического положения, сезона, времени суток и так далее. Нижний слой атмосферы - тропосфера - характеризуется падением температуры с высотой (примерно на 6°С на 1 км), его высота от 8-10 км в полярных широтах до 16-18 км в тропиках. Благодаря быстрому убыванию плотности воздуха с высотой в тропосфере находится около 80% всей массы атмосферы. Над тропосферой располагается стратосфера - слой, который характеризуется в общем повышением температуры с высотой. Переходный слой между тропосферой и стратосферой называется тропопаузой. В нижней стратосфере до уровня около 20 км температура мало меняется с высотой (так называемая изотермическая область) и нередко даже незначительно уменьшается. Выше температура возрастает из-за поглощения УФ-радиации Солнца озоном, вначале медленно, а с уровня 34-36 км - быстрее. Верхняя граница стратосферы - стратопауза - расположена на высоте 50-55 км, соответствующей максимуму температуры (260-270 К). Слой атмосферы, расположенный на высоте 55-85 км, где температура снова падает с высотой, называется мезосферой, на его верхней границе - мезопаузе - температура достигает летом 150-160 К, а зимой 200-230 К. Над мезопаузой начинается термосфера - слой, характеризующийся быстрым повышением температуры, достигающей на высоте 250 км значений 800-1200 К. В термосфере поглощается корпускулярная и рентгеновская радиация Солнца, тормозятся и сгорают метеоры, поэтому она выполняет функцию защитного слоя Земли. Ещё выше находится экзосфера, откуда атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство за счёт диссипации и где происходит постепенный переход от атмосферы к межпланетному пространству.

Состав атмосферы . До высоты около 100 км атмосфера практически однородна по химическому составу и средняя молекулярная масса воздуха (около 29) в ней постоянна. Вблизи поверхности Земли атмосфера состоит из азота (около 78,1% по объёму) и кислорода (около 20,9%), а также содержит малые количества аргона, диоксида углерода (углекислого газа), неона и других постоянных и переменных компонентов (смотри Воздух).

Кроме того, атмосфера содержит небольшие количества озона, оксидов азота, аммиака, радона и др. Относительное содержание основных составляющих воздуха постоянно во времени и однородно в разных географических районах. Содержание водяного пара и озона переменно в пространстве и времени; несмотря на малое содержание, их роль в атмосферных процессах весьма существенна.

Выше 100-110 км происходит диссоциация молекул кислорода, углекислого газа и водяного пара, поэтому молекулярная масса воздуха уменьшается. На высоте около 1000 км начинают преобладать лёгкие газы - гелий и водород, а ещё выше атмосфера Земли постепенно переходит в межпланетный газ.

Наиболее важная переменная компонента атмосферы - водяной пар, который поступает в атмосферу при испарении с поверхности воды и влажной почвы, а также путём транспирации растениями. Относительное содержание водяного пара меняется у земной поверхности от 2,6% в тропиках до 0,2% в полярных широтах. С высотой оно быстро падает, убывая наполовину уже на высоте 1,5-2 км. В вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах содержится около 1,7 см «слоя осаждённой воды». При конденсации водяного пара образуются облака, из которых выпадают осадки атмосферные в виде дождя, града, снега.

Важной составляющей атмосферного воздуха является озон, сосредоточенный на 90% в стратосфере (между 10 и 50 км), около 10% его находится в тропосфере. Озон обеспечивает поглощение жёсткой УФ-радиации (с длиной волны менее 290 нм), и в этом - его защитная роль для биосферы. Значения общего содержания озона меняются в зависимости от широты и сезона в пределах от 0,22 до 0,45 см (толщина слоя озона при давлении р= 1 атм и температуре Т = 0°С). В озоновых дырах, наблюдаемых весной в Антарктике с начала 1980-х годов, содержание озона может падать до 0,07 см. Оно увеличивается от экватора к полюсам и имеет годовой ход с максимумом весной и минимумом осенью, причём амплитуда годового хода мала в тропиках и растёт к высоким широтам. Существенной переменной компонентой атмосферы является углекислый газ, содержание которого в атмосфере за последние 200 лет выросло на 35%, что объясняется в основном антропогенным фактором. Наблюдается его широтная и сезонная изменчивость, связанная с фотосинтезом растений и растворимостью в морской воде (согласно закону Генри, растворимость газа в воде уменьшается с ростом её температуры).

Важную роль в формировании климата планеты играет атмосферный аэрозоль - взвешенные в воздухе твёрдые и жидкие частицы размером от нескольких нм до десятков мкм. Различаются аэрозоли естественного и антропогенного происхождения. Аэрозоль образуется в процессе газофазных реакций из продуктов жизнедеятельности растений и хозяйственной деятельности человека, вулканических извержений, в результате подъёма пыли ветром с поверхности планеты, особенно с её пустынных регионов, а также образуется из космической пыли, попадающей в верхние слои атмосферы. Большая часть аэрозоля сосредоточена в тропосфере, аэрозоль от вулканических извержений образует так называемый слой Юнге на высоте около 20 км. Наибольшее количество антропогенного аэрозоля попадает в атмосферу в результате работы автотранспорта и ТЭЦ, химических производств, сжигания топлива и др. Поэтому в некоторых районах состав атмосферы заметно отличается от обычного воздуха, что потребовало создания специальной службы наблюдений и контроля за уровнем загрязнения атмосферного воздуха.

Эволюция атмосферы . Современная атмосфера имеет, по-видимому, вторичное происхождение: она образовалась из газов, выделенных твёрдой оболочкой Земли после завершения формирования планеты около 4,5 млрд. лет назад. В течение геологической истории Земли атмосфера претерпевала значительные изменения своего состава под влиянием ряда факторов: диссипации (улетучивания) газов, преимущественно более лёгких, в космическое пространство; выделения газов из литосферы в результате вулканической деятельности; химических реакций между компонентами атмосферы и породами, слагающими земную кору; фотохимических реакций в самой атмосфере под влиянием солнечного УФ-излучения; аккреции (захвата) материи межпланетной среды (например, метеорного вещества). Развитие атмосферы тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, а последние 3-4 миллиарда лет также с деятельностью биосферы. Значительная часть газов, составляющих современной атмосферы (азот, углекислый газ, водяной пар), возникла в ходе вулканической деятельности и интрузии, выносившей их из глубин Земли. Кислород появился в заметных количествах около 2 миллиардов лет тому назад как результат деятельности фотосинтезирующих организмов, первоначально зародившихся в поверхностных водах океана.

По данным о химическом составе карбонатных отложений получены оценки количества углекислого газа и кислорода в атмосфере геологического прошлого. На протяжении фанерозоя (последние 570 миллионов лет истории Земли) количество углекислого газа в атмосфере изменялось в широких пределах в соответствии с уровнем вулканической активности, температурой океана и уровнем фотосинтеза. Большую часть этого времени концентрация углекислого газа в атмосфере была значительно выше современной (до 10 раз). Количество кислорода в атмосфере фанерозоя существенно изменялось, причём преобладала тенденция к его увеличению. В атмосфере докембрия масса углекислого газа была, как правило, больше, а масса кислорода - меньше по сравнению с атмосферой фанерозоя. Колебания количества углекислого газа оказывали в прошлом существенное влияние на климат, усиливая парниковый эффект при росте концентрации углекислого газа, благодаря чему климат на протяжении основной части фанерозоя был гораздо теплее по сравнению с современной эпохой.

Атмосфера и жизнь . Без атмосферы Земля была бы мёртвой планетой. Органическая жизнь протекает в тесном взаимодействии с атмосферой и связанными с ней климатом и погодой. Незначительная по массе по сравнению с планетой в целом (примерно миллионная часть), атмосфера является непременным условием для всех форм жизни. Наибольшее значение из атмосферных газов для жизнедеятельности организмов имеют кислород, азот, водяной пар, углекислый газ, озон. При поглощении углекислого газа фотосинтезирующими растениями создаётся органическое вещество, используемое как источник энергии подавляющим большинством живых существ, включая человека. Кислород необходим для существования аэробных организмов, для которых приток энергии обеспечивается реакциями окисления органического вещества. Азот, усваиваемый некоторыми микроорганизмами (азотофиксаторами), необходим для минерального питания растений. Озон, поглощающий жёсткое УФ-излучение Солнца, значительно ослабляет эту вредную для жизни часть солнечной радиации. Конденсация водяного пара в атмосфере, образование облаков и последующее выпадение атмосферных осадков поставляют на сушу воду, без которой невозможны никакие формы жизни. Жизнедеятельность организмов в гидросфере во многом определяется количеством и химическим составом атмосферных газов, растворённых в воде. Поскольку химический состав атмосферы существенно зависит от деятельности организмов, биосферу и атмосферу можно рассматривать как часть единой системы, поддержание и эволюция которой (смотри Биогеохимические циклы) имела большое значение для изменения состава атмосферы на протяжении истории Земли как планеты.

Радиационный, тепловой и водный балансы атмосферы . Солнечная радиация является практически единственным источником энергии для всех физических процессов в атмосфере. Главная особенность радиационного режима атмосферы - так называемый парниковый эффект: атмосфера достаточно хорошо пропускает к земной поверхности солнечную радиацию, но активно поглощает тепловое длинноволновое излучение земной поверхности, часть которого возвращается к поверхности в форме встречного излучения, компенсирующего радиационную потерю тепла земной поверхностью (смотри Атмосферное излучение). В отсутствие атмосферы средняя температура земной поверхности была бы -18°С, в действительности она 15°С. Приходящая солнечная радиация частично (около 20%) поглощается в атмосферу (главным образом водяным паром, каплями воды, углекислым газом, озоном и аэрозолями), а также рассеивается (около 7%) на частицах аэрозоля и флуктуациях плотности (рэлеевское рассеяние). Суммарная радиация, достигая земной поверхности, частично (около 23%) отражается от неё. Коэффициент отражения определяется отражательной способностью подстилающей поверхности, так называемое альбедо. В среднем альбедо Земли для интегрального потока солнечной радиации близко к 30%. Оно меняется от нескольких процентов (сухая почва и чернозём) до 70-90% для свежевыпавшего снега. Радиационный теплообмен между земной поверхностью и атмосферой существенно зависит от альбедо и определяется эффективным излучением поверхности Земли и поглощённым ею противоизлучением атмосферы. Алгебраическая сумма потоков радиации, входящих в земную атмосферу из космического пространства и уходящих из неё обратно, называется радиационным балансом.

Преобразования солнечной радиации после её поглощения атмосферой и земной поверхностью определяют тепловой баланс Земли как планеты. Главный источник тепла для атмосферы - земная поверхность; теплота от неё передаётся не только в виде длинноволнового излучения, но и путём конвекции, а также выделяется при конденсации водяного пара. Доли этих притоков теплоты равны в среднем 20%, 7% и 23% соответственно. Сюда же добавляется около 20% теплоты за счёт поглощения прямой солнечной радиации. Поток солнечной радиации за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную солнечным лучам и расположенную вне атмосферы на среднем расстоянии от Земли до Солнца (так называемая солнечная постоянная), равен 1367 Вт/м 2 , изменения составляют 1-2 Вт/м 2 в зависимости от цикла солнечной активности. При планетарном альбедо около 30% средний по времени глобальный приток солнечной энергии к планете составляет 239 Вт/м 2 . Поскольку Земля как планета испускает в космос в среднем такое же количество энергии, то, согласно закону Стефана - Больцмана, эффективная температура уходящего теплового длинноволнового излучения 255 К (-18°С). В то же время средняя температура земной поверхности составляет 15°С. Разница в 33°С возникает за счёт парникового эффекта.

Водный баланс атмосферы в целом соответствует равенству количества влаги, испарившейся с поверхности Земли, количеству осадков, выпадающих на земную поверхность. Атмосфера над океанами получает больше влаги от процессов испарения, чем над сушей, а теряет в виде осадков 90%. Избыток водяного пара над океанами переносится на континенты воздушными потоками. Количество водяного пара, переносимого в атмосферу с океанов на континенты, равно объёму стока рек, впадающих в океаны.

Движение воздуха . Земля имеет шарообразную форму, поэтому к её высоким широтам приходит гораздо меньше солнечной радиации, чем к тропикам. Вследствие этого между широтами возникают большие температурные контрасты. На распределение температуры в существенной мере влияет также взаимное расположение океанов и континентов. Из-за большой массы океанических вод и высокой теплоёмкости воды сезонные колебания температуры поверхности океана значительно меньше, чем суши. В связи с этим в средних и высоких широтах температура воздуха над океанами летом заметно ниже, чем над континентами, а зимой - выше.

Неодинаковый разогрев атмосферы в разных областях земного шара вызывает неоднородное по пространству распределение атмосферного давления. На уровне моря распределение давления характеризуется относительно низкими значениями вблизи экватора, увеличением в субтропиках (пояса высокого давления) и понижением в средних и высоких широтах. При этом над материками внетропических широт давление зимой обычно повышено, а летом понижено, что связано с распределением температуры. Под действием градиента давления воздух испытывает ускорение, направленное от областей с высоким давлением к областям с низким, что приводит к перемещению масс воздуха. На движущиеся воздушные массы действуют также отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса), сила трения, убывающая с высотой, а при криволинейных траекториях и центробежная сила. Большое значение имеет турбулентное перемешивание воздуха (смотри Турбулентность в атмосфере).

С планетарным распределением давления связана сложная система воздушных течений (общая циркуляция атмосферы). В меридиональной плоскости в среднем прослеживаются две или три ячейки меридиональной циркуляции. Вблизи экватора нагретый воздух поднимается и опускается в субтропиках, образуя ячейку Хэдли. Там же опускается воздух обратной ячейки Феррела. В высоких широтах часто прослеживается прямая полярная ячейка. Скорости меридиональной циркуляции порядка 1 м/с или меньше. Из-за действия силы Кориолиса в большей части атмосферы наблюдаются западные ветры со скоростями в средней тропосфере около 15 м/с. Существуют сравнительно устойчивые системы ветров. К ним относятся пассаты - ветры, дующие от поясов высокого давления в субтропиках к экватору с заметной восточной составляющей (с востока на запад). Достаточно устойчивы муссоны — воздушные течения, имеющие чётко выраженный сезонный характер: они дуют с океана на материк летом и в противоположном направлении зимой. Особенно регулярны муссоны Индийского океана. В средних широтах движение воздушных масс имеет в основном западное направление (с запада на восток). Это зона атмосферных фронтов, на которых возникают крупные вихри - циклоны и антициклоны, охватывающие многие сотни и даже тысячи километров. Циклоны возникают и в тропиках; здесь они отличаются меньшими размерами, но очень большими скоростями ветра, достигающего ураганной силы (33 м/с и более), так называемые тропические циклоны. В Атлантике и на востоке Тихого океана они называются ураганами, а на западе Тихого океана - тайфунами. В верхней тропосфере и нижней стратосфере в областях, разделяющих прямую ячейку меридиональной циркуляции Хэдли и обратную ячейку Феррела, часто наблюдаются сравнительно узкие, в сотни километров шириной, струйные течения с резко очерченными границами, в пределах которых ветер достигает 100-150 и даже 200 м/с.

Климат и погода . Различие в количестве солнечной радиации, приходящей на разных широтах к разнообразной по физическим свойствам земной поверхности, определяет многообразие климатов Земли. От экватора до тропических широт температура воздуха у земной поверхности в среднем 25-30°С и мало меняется в течение года. В экваториальном поясе обычно выпадает много осадков, что создаёт там условия избыточного увлажнения. В тропических поясах количество осадков уменьшается и в ряде областей становится очень малым. Здесь располагаются обширные пустыни Земли.

В субтропических и средних широтах температура воздуха значительно меняется в течение года, причём разница между температурами лета и зимы особенно велика в удалённых от океанов областях континентов. Так, в некоторых районах Восточной Сибири годовая амплитуда температуры воздуха достигает 65°С. Условия увлажнения в этих широтах весьма разнообразны, зависят в основном от режима общей циркуляции атмосферы и существенно меняются от года к году.

В полярных широтах температура остаётся низкой в течение всего года, даже при наличии её заметного сезонного хода. Это способствует широкому распространению ледового покрова на океанах и суше и многолетнемёрзлых пород, занимающих в России свыше 65% её площади, в основном в Сибири.

За последние десятилетия стали всё более заметны изменения глобального климата. Температура повышается больше в высоких широтах, чем в низких; больше зимой, чем летом; больше ночью, чем днём. За 20 век среднегодовая температура воздуха у земной поверхности в России выросла на 1,5-2°С, причём в отдельных районах Сибири наблюдается повышение на несколько градусов. Это связывается с усилением парникового эффекта вследствие роста концентрации малых газовых примесей.

Погода определяется условиями циркуляции атмосферы и географическим положением местности, она наиболее устойчива в тропиках и наиболее изменчива в средних и высоких широтах. Более всего погода меняется в зонах смены воздушных масс, обусловленных прохождением атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов, несущих осадки и усиление ветра. Данные для прогноза погоды собираются на наземных метеостанциях, морских и воздушных судах, с метеорологических спутников. Смотри также Метеорология.

Оптические, акустические и электрические явления в атмосфере . При распространении электромагнитного излучения в атмосфере в результате рефракции, поглощения и рассеяния света воздухом и различными частицами (аэрозоль, кристаллы льда, капли воды) возникают разнообразные оптические явления: радуга, венцы, гало, мираж и др. Рассеяние света обусловливает видимую высоту небесного свода и голубой цвет неба. Дальность видимости предметов определяется условиями распространения света в атмосфере (смотри Атмосферная видимость). От прозрачности атмосферы на различных длинах волн зависят дальность связи и возможность обнаружения объектов приборами, в том числе возможность астрономических наблюдений с поверхности Земли. Для исследований оптической неоднородностей стратосферы и мезосферы важную роль играет явление сумерек. Например, фотографирование сумерек с космических аппаратов позволяет обнаруживать аэрозольные слои. Особенности распространения электромагнитного излучения в атмосфере определяют точность методов дистанционного зондирования её параметров. Все эти вопросы, как и многие другие, изучает атмосферная оптика. Рефракция и рассеяние радиоволн обусловливают возможности радиоприёма (смотри Распространение радиоволн).

Распространение звука в атмосфере зависит от пространственного распределения температуры и скорости ветра (смотри Атмосферная акустика). Оно представляет интерес для зондирования атмосферы дистанционными методами. Взрывы зарядов, запускаемых ракетами в верхнюю атмосфера, дали богатую информацию о системах ветров и ходе температуры в стратосфере и мезосфере. В устойчиво стратифицированной атмосфере, когда температура падает с высотой медленнее адиабатического градиента (9,8 К/км), возникают так называемые внутренние волны. Эти волны могут распространяться вверх в стратосферу и даже в мезосферу, где они затухают, способствуя усилению ветра и турбулентности.

Отрицательный заряд Земли и обусловленное им электрическое поле атмосфера вместе с электрически заряженными ионосферой и магнитосферой создают глобальную электрическую цепь. Важную роль при этом играет образование облаков и грозового электричества. Опасность грозовых разрядов вызвала необходимость разработки методов грозозащиты зданий, сооружений, линий электропередач и связи. Особую опасность это явление представляет для авиации. Грозовые разряды вызывают атмосферные радиопомехи, получившие название атмосфериков (смотри Свистящие атмосферики). Во время резкого увеличения напряжённости электрического поля наблюдаются светящиеся разряды, возникающие на остриях и острых углах предметов, выступающих над земной поверхностью, на отдельных вершинах в горах и др. (Эльма огни). Атмосфера всегда содержит сильно меняющееся в зависимости от конкретных условий количество лёгких и тяжёлых ионов, которые определяют электрическую проводимость атмосферы. Главные ионизаторы воздуха у земной поверхности - излучение радиоактивных веществ, содержащихся в земной коре и в атмосфере, а также космические лучи. Смотри также Атмосферное электричество.

Влияние человека на атмосферу. В течение последних столетий происходил рост концентрации парниковых газов в атмосфере вследствие хозяйственной деятельности человека. Процентное содержание углекислого газа возросло с 2,8-10 2 двести лет назад до 3,8-10 2 в 2005 году, содержание метана - с 0,7-10 1 примерно 300- 400 лет назад до 1,8-10 -4 в начале 21 века; около 20% в прирост парникового эффекта за последнее столетие дали фреоны, которых практически не было в атмосфере до середины 20 века. Эти вещества признаны разрушителями стратосферного озона, и их производство запрещено Монреальским протоколом 1987 года. Рост концентрации углекислого газа в атмосфере вызван сжиганием всё возрастающих количеств угля, нефти, газа и других видов углеродного топлива, а также сведением лесов, в результате чего уменьшается поглощение углекислого газа путём фотосинтеза. Концентрация метана увеличивается с ростом добычи нефти и газа (за счёт его потерь), а также при расширении посевов риса и увеличении поголовья крупного рогатого скота. Всё это способствует потеплению климата.

Для изменения погоды разработаны методы активного воздействия на атмосферные процессы. Они применяются для защиты сельскохозяйственных растений от градобития путём рассеивания в грозовых облаках специальных реагентов. Существуют также методы рассеяния туманов в аэропортах, защиты растений от заморозков, воздействия на облака с целью увеличения осадков в нужных местах или для рассеяния облаков в моменты массовых мероприятий.

Изучение атмосферы . Сведения о физических процессах в атмосфере получают прежде всего из метеорологических наблюдений, которые проводятся глобальной сетью постоянно действующих метеорологических станций и постов, расположенных на всех континентах и на многих островах. Ежедневные наблюдения дают сведения о температуре и влажности воздуха, атмосферном давлении и осадках, облачности, ветре и др. Наблюдения за солнечной радиацией и её преобразованиями проводятся на актинометрических станциях. Большое значение для изучения атмосферы имеют сети аэрологических станций, на которых при помощи радиозондов выполняются метеорологические измерения до высоты 30-35 км. На ряде станций проводятся наблюдения за атмосферным озоном, электрическими явлениями в атмосфере, химическим составом воздуха.

Данные наземных станций дополняются наблюдениями на океанах, где действуют «суда погоды», постоянно находящиеся в определённых районах Мирового океана, а также метеорологическими сведениями, получаемыми с научно-исследовательских и других судов.

Всё больший объём сведений об атмосфере в последние десятилетия получают с помощью метеорологических спутников, на которых установлены приборы для фотографирования облаков и измерения потоков ультрафиолетовой, инфракрасной и микроволновой радиации Солнца. Спутники позволяют получать сведения о вертикальных профилях температуры, облачности и её водозапасе, элементах радиационного баланса атмосферы, о температуре поверхности океана и др. Используя измерения рефракции радиосигналов с системы навигационных спутников, удаётся определять в атмосфере вертикальные профили плотности, давления и температуры, а также влагосодержания. С помощью спутников стало возможным уточнить величину солнечной постоянной и планетарного альбедо Земли, строить карты радиационного баланса системы Земля - атмосферы, измерять содержание и изменчивость малых атмосферных примесей, решать многие другие задачи физики атмосферы и мониторинга окружающей среды.

Лит.: Будыко М. И. Климат в прошлом и будущем. Л., 1980; Матвеев Л. Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. 2-е изд. Л., 1984; Будыко М. И., Ронов А. Б., Яншин А. Л. История атмосферы. Л., 1985; Хргиан А. Х. Физика атмосферы. М., 1986; Атмосфера: Справочник. Л., 1991; Хромов С. П., Петросянц М. А. Метеорология и климатология. 5-е изд. М., 2001.

Г. С. Голицын, Н. А. Зайцева.

Атмосфера (от. греч. ατμός - «пар» и σφαῖρα - «сфера») - газовая оболочка небесного тела, удерживаемая около него гравитацией. Атмосфера - газообразная оболочка планеты, состоящая из смеси различных газов, водных паров и пыли. Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с Космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы: водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, определяющей тепловой режим поверхности планеты, вызывающей диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов.

Атмосфера Земли содержит кислород, используемый большинством живых организмов для дыхания, и диоксид углерода, потребляемый растениями, водорослями и цианобактериями в процессе фотосинтеза. Атмосфера также является защитным слоем планеты, защищая её обитателей от солнечного ультрафиолетового излучения.

Атмосфера есть у всех массивных тел - планет земного типа, газовых гигантов.

Состав атмосферы

Атмосфера - это смесь газов, состоящая из азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), углекислого газа (0,03 %), аргона (0,93 %), небольшого количества гелия, неона, ксенона, криптона (0,01 %), 0,038 % двуокиси углерода, и небольшое количество водорода, гелия, других благородных газов и загрязнителей.

Современный состав воздуха Земли установился более сотни миллионов лет назад, однако резко возросшая производственная деятельность человека все же привела к его изменению. В настоящее время отмечается увеличение содержания СО 2 примерно на 10-12 %.Входящие в состав атмосферы газы выполняют различные функциональные роли. Однако основное значение этих газов определяется прежде всего тем, что они очень сильно поглощают лучистую энергию и тем самым оказывают существенное влияние на температурный режим поверхности Земли и атмосферы.

Начальный состав атмосферы планеты обычно зависит от химических и температурных свойств солнца в период формирования планет и последующего выхода внешних газов. Затем состав газовой оболочки эволюционирует под действием различных факторов.

Атмосфера Венеры и Марса в основном состоят из двуокиси углерода с небольшими добавлениями азота, аргона, кислорода и других газов. Земная атмосфера в большой степени является продуктом живущих в ней организмов. Низкотемпературные газовые гиганты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун - могут удерживать в основном газы с низкой молекулярной массой - водород и гелий. Высокотемпературные газовые гиганты, такие как Осирис или 51 Пегаса b, наоборот, не могут её удержать и молекулы их атмосферы рассеиваются в пространстве. Этот процесс протекает медленно, постоянно.

Азот, самый распространенный газ в атмосфере, химически мало активен.

Кислород , в отличие от азота, химически очень активный элемент. Специфическая функция кислорода - окисление органического вещества гетеротрофных организмов, горных пород и недоокисленных газов, выбрасываемых в атмосферу вулканами. Без кислорода не было бы разложения мертвого органического вещества.

Структура атмосферы

Структура атмосферы складывается из двух частей: внутренней- тропосферы, стратосферы, мезосферы и термосферы, или ионосферы, и внешней - магнитосферы (экзосферы).

1)Тропосфера – это нижняя часть атмосферы, в которой сосредоточено 3\4 т.е. ~ 80% всей земной атмосферы. Её высота определяется интенсивностью вертикальных (восходящих или нисходящих) потоков воздуха, вызванных нагреванием земной поверхности и океана, поэтому толщина тропосферы на экваторе составляет 16 – 18 км, в умеренных широтах 10-11 км, а на полюсах – до 8 км. Температура воздуха в тропосфере на высоте понижается на 0,6ºС на каждые 100м и колеблется от +40 до - 50ºС.

2)Стратосфера находится выше тропосферы и имеет высоту до 50км от поверхности планеты. Температура на высоте до 30км постоянная -50ºС. Затем она начинает повышаться и на высоте 50 км достигает +10ºС.

Верхней границей биосферы являются озоновый экран.

Озоновый экран – это слой атмосферы в пределах стратосферы, расположенный на разной высоте от поверхности Земли и имеющей максимальную плотность озона на высоте 20-26 км.

Высота озонового слоя у полюсов оценивается в 7 - 8 км, у экватора в 17-18км, а максимальная высота присутствия озона – 45-50 км. Выше озонового экрана жизнь невозможна из-за жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца. Если спрессовать все молекулы озона, то получится слой ~ 3мм вокруг планеты.

3)Мезосфера – верхняя граница этого слоя располагается до высоты 80км. Главная её особенность – резкое понижение температуры -90ºС у её верхней границы. Здесь фиксируется серебристые облака, состоящие из ледяных кристаллов.

4)Ионосфера (термосфера)- располагается до высоты 800 км и для неё характерно значительное повышение температуры:

150км температура +240ºС,

200км температура +500ºС,

600км температура +1500ºС.

Под действием ультрафиолетового излучения Солнца газы находятся в ионизированном состоянии. С ионизацией связано свечение газов и возникновение полярных сияний.

Ионосфера обладает способностью многократного отражения радиоволн, что обеспечивает дальнюю радиосвязь на планете.

5)Экзосфера – располагается выше 800км и простирается до 3000км. Здесь температура >2000ºС. Скорость движения газов приближается к критической ~ 11,2 км/сек. Господствуют атомы водорода и гелия, которые образуют вокруг Земли светящуюся корону, простирающуюся до высоты 20000км.

Функций атмосферы

1) Терморегулирующая – погода и климат на Земле зависит от распределения тепла, давления.

2) Жизнеобеспечивающая.

3) В тропосфере происходит глобальные вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс определяющий круговорот воды, теплообмен.

4) Практически все поверхности геологические процессы обусловлены взаимодействием атмосферы, литосферы и гидросферы.

5) Защитная – атмосфера защищает землю от космоса, солнечной радиации и метеоритной пыли.

Функции атмосферы . Без атмосферы жизнь на Земле была бы невозможна. Человек ежедневно потребляет 12-15 кг. воздуха, вдыхая каждую минуту от 5 до 100л, что значительно превосходит среднесуточную потребность в пище и воде. Кроме того, атмосфера надежно оберегает человека от опасностей, угрожающих ему из космоса: не пропускает метеориты, космические излучения. Без пищи человек может прожить пять недель, без воды - пять дней, без воздуха - пять минут. Нормальная жизнедеятельность людей требует не только воздуха, но и определенной его чистоты. От качества воздуха воздуха зависят здоровье людей, состояние растительного и животного мира, прочность и долговечность конструкций зданий, сооружений. Загрязненный воздух губителен для вод, суши, морей, почв. Атмосфера определяет световой и регулирует тепловой режимы земли, способствует перераспределению тепла на земном шаре. Газовая оболочка предохраняет Землю от чрезмерного остывания и нагревания. Если бы наша планета не была бы окружена воздушной оболочкой, то в течение одних суток амплитуда колебаний температуры достигла бы 200 С. Атмосфера спасает все живущее на Земле от губительных ультрафиолетовых, рентгеновских и космических лучей. Велико значение атмосферы в распределении света. Ее воздух разбивает солнечные лучи на миллион мелких лучей, рассеивает их и создает равномерное освещение. Атмосфера служит проводником звуков.

Тропосфера

Её верхняя граница находится на высоте 8-10 км в полярных, 10-12 км в умеренных и 16-18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м

Тропопауза

Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.

Стратосфера

Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11-25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25-40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.

Стратопауза

Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °C).

Мезосфера

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80-90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25-0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы.

Мезопауза

Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около -90 °C).

Линия Кармана

Высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. Линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.

Граница атмосферы Земли

Термосфера

Верхний предел - около 800 км. Температура растёт до высот 200-300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») - основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца. В периоды низкой активности происходит заметное уменьшение размеров этого слоя.

Термопауза

Область атмосферы прилегающая сверху к термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно и температура фактически не меняется с высотой.

Экзосфера (сфера рассеяния)

Атмосферные слои до высоты 120 км

Экзосфера - зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).

До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до −110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200-250 км соответствует температуре ~150 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.

На высоте около 2000-3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные час­тицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы - около 20 %; масса мезосферы - не более 0,3 %, термосферы - менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000-3000 км.

В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера - это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.