Атмосфера Земли, ее строение, состав и экологическое значение

Экология |

Атмосфера — это газовая оболочка, которая окружает .Землю. Наличие атмосферы — одно из самых важных условий жизни на планете. Без еды человек может обходити­ся месяц, без воды — неделю, а без воздуха не проживет и нескольких минут.

Атмосфера, как элемент глобальной экосистемы, выполняет несколько основных функций: •защищает живые организмы от гиблого влияния космических излучений и ударов метеоритов; •регулирует сезонные и суточные колебания температуры (если бы на Земле не существовало атмосферы, то суточные колебания температу­ри достигали бы ± 200 °С); •является носителем тепла и влаги; •есть депо газов, которые принимают участие в фотосинтезе и обеспечивают дыхание; •предопределяет ряд сложных экзогенных процессов (выветривание горных пород, деятельность естественных вод, мерзлоты, ледников и тому подобное).

Ту часть воздуха, которая приблизительно одинаковая во всех уголках Земли и мало изменяется за день, неделю или даже год, назвали «постоянной составляющей атмосферы».

Отметим, что срок «постоянная составляющая» касается однородности состава воздуха в пределах ее нижних 94 км. (зона интенсивного конвективного перемешивания), а не его неизменности на протяжении длительного времени.

В последнее время хозяйственная активность человечества дает о себе знать для «постоянной» составной атмосферы, потому что интенсификация полеводства и животноводства за 300 лет удвоила количество метана в атмосфере, а сжигание органического топлива по меньшей мере на 1\4 увеличило концентрацию углекислого газа в ней.

Среди упомянутых выше постоянных составляющих атмосферы нет откровенно ядовитых. Интересно, что существенные изменения концентрации каждого из них вредные или нежелательные, ведь подавляющее большинство из них не поддерживает дыхания. Это касается даже нужного нам кислорода. Доказано, что рост его содержания свыше 27% сделает практически невозможным самоугасание пожаров в лесах, которые начинаются молниями.

Постоянная составляющая воздуха – экологически безопасная на всей поверхности Земли.

Если бы атмосферы не существовало, то колебание суточной температуры на Земле достигало бы ±200°С. Атмосфера является не только животворным “буфером” между Космосом и поверхностью нашей планеты, носителем тепла и влаги, но и влияет на характер и динамику всех экзогенных процессов, которые происходят в литосфере (физическое и химическое выветривание, деятельность ветра, естественных вод, мерзлоты, ледников).

Развитие гидросферы также в значительной мере зависело от атмосферы из-за того, что водный баланс и режим поверхностных и подземных бассейнов и акваторий формировался под воздействием режима осадков и испарения. Процессы гидросферы и атмосферы тесно связаны между собой.

С высотой резко уменьшаются плотность и давление атмосферы, а температура изменяется неравномерно и сложно. Изменение температуры в пределах атмосферы на разных высотах объясняется неодинаковым поглощением солнечной энергии газами. Интенсивнее всего тепловые процессы протекают в тропосфере, причем атмосфера нагревается снизу, от поверхности океана и суши.

Тропосфера - ближайший к нам нижний слой атмосферы. Высота верхней границы тропосферы зависит от температуры: зимой она ближе к земной поверхности, летом - дальнейшее. На протяжении суток колебания могут достигать нескольких километров. Нагревается за счет тепла нагретой Солнцем земной поверхности. В тропосфере содержится до 80% влаги всей атмосферы. Характерное постоянное вертикальное перемешивание воздуха, - здесь образуются тучи, отсюда выпадают осадки.

Через разницу температуры воздуха над экватором и полюсами в стратосфере происходят значительные горизонтальные перемещения воздушных масс со скоростью до 300 км/час.

В мезосфере продолжается снижение давления воздуха и температуры с высотой. Разрежен воздух очень ионизируется, - здесь возникают, так называемые, серебристые тучи.

В мезопаузи температура начинает повышаться. Считают, что ветер на этих высотах часто изменяет направление и имеет скорость до нескольких сотен километров за год.

В термосфери скорость движения частиц газа достигает очень высоких значений, но благодаря большое разжижение пространства их столкновения бывает очень редко.

Термосфера - это сфера розридженого ионизированного газа - преимущественно кислороду (по данным, полученным с помощью искусственных спутников Земли). Потому ее называют ионосферой. Ионизация является причиной высокой электропроводимости термосфери, в ней проходят мощные электрические токи. В термосфери на высоте 320-400 км. возникают, так называемые, полярные сияния. Считают, что причина их появления - это бомбардировка розриджених газов термосфери потоком корпускулярной солнечной радиации.

Екзосфера - это внешняя сфера Земли. Ее называют также сферой рассеивания. Скорость движения газов в екзосфери приближается к критической - 11,2 км/с, потому они рассеваются в междупланетное пространство. Это в первую очередь относится к водороду, который преобладает в составе екзосфери. Водород побеждает земное притяжение и выносится в космос - до 4-6 тыс. т за год, образует, так называемую, “водородную или гео- корону“ Земли, которая заканчивается на высоте 20 000 км. Газовый состав земной атмосферы, в первую очередь водород, пополняется за счет дегазирования мантии. Из космоса в атмосферу Земли поступают потоки плазмы, которые выбрасывающие Солнцем, и космическая пыль. геокорона постепенно переходит в междупланетный вакуум.

Рассмотрим переменные составные атмосферы, которые имеют естественное происхождение. Среди них перед ведет водяная пара, изменяемость концентрации которой нам и известная, и привычная.

Рекордная концентрация водяной пары – 5-6% достигает во влажных тропиках, какие врачи относят к малоблагоприятным для человека зонам Земли. Самые низкие концентрации водяной пары – до 0,00001% - наблюдаются над покрытой льдом Антарктидой.

Значительно меньше является концентрация других примесей в воздухе. Например, средняя концентрация озона совпадает с рекордный малой концентрацией пары воды.

Большинство озона постоянно находятся в слоях стратосферы на высотах 15-70 км. (максимум – на высоте 25 км.), образовывая озоносферу, «противоультрафиолетовый» щит Земли. Поглощая биоактивное излучение Солнца во время своего образования и распада, озон не пропускаедо поверхности. Земли несомненно вредную для биосферы часть солнечной энергии.

К сожалению, антропогенные примеси в атмосфере уже создали реальную угрозу потери так необходимого для современной биосферы слоя озона в стратосфере и «заменой» его крайне опасным «приземным» озоном.

Среди переменных составных атмосферы есть несколько соединений азота с кислородом (N2O, NO, NO2), которые как и озон образуются во время гроз энергией молний.

Очень сложные смеси газов выходят наружу из вулканов. В порядке уменьшения концентрации это Н2О, СО2, СО, Н2, HCI, HF, SO2, H2S, NH3, COS,CH4 и некоторые другие. Часть из них активно участвует в разнообразных химических реакциях в атмосфере и на поверхности почвы.

Все эти газы или откровенно ядовитые (как СО), или более-менее вредные для человека, и их природня концентрация на больших расстояниях от вулканов очень имела: она меньше миллионной частицы процента, не составляет опасности для здоровья человека. В случае выбросов из вулканов перемешивания воздуха быстро уменьшает концентрацию вредных газов вулканов, потому они не составляют опасности для действительно больших территорий.

Умное и контролируемое использование инертного газа – радону, который принадлежит к естественным радионуклидам из α-активністю дает возможность лечить еяки болезни.

К числу сравнимо новых объектов ученых принадлежат мелкие тверди или жидкие атмосферные аэрозольные частицы, средняя концентрация которых близка к ксенону, а минимальная – приблизительно 100 частиц в кубическом сантиметре чистого воздуха.

Мощнейшим источником самого нужного для образования дождевых капель аэрозолю есть соленая вода океана и морей, точнее – пена бесчисленных волн. Без аэрозолю дожди или другие осадки станут невозможными, а строение атмосферы – неблагоприятной для жизни.

Нижняя граница литосферы нечетка и определяется за резким уменьшением вязкости пород, увеличением их густоты и другими геофизическими характеристиками. С глубиной увеличивается давление от 13 тыс. атм (50 км.) до 3,5 млн. атм (в центре). Температура в центре Земли достигает 30000С.

Земная кора - это достаточно тонкая верхняя оболочка Земли, которая и составляет всего около 1% массы Земли. Земная кора на континентах трехслойная (осадки породы, гранитные, базальтовые), имеет толщину 40-80 км., а под океанами двухслойная (породы осадок и базальтовых) толщиной 5-10 км., в островных зонах, на границах океанов - переходный тип земной коры.

Наибольшую толщину земная кора имеет в горных районах (под Гималаями 75 км.), среднюю в районах платформ (30-40 км.), наименьшую в центральных районах океанов (5-7 км.).

Актуальность экологического изучения литосферы предопределена тем, что литосфера является средой всех минеральных ресурсов, одним из основных объектов антропогенной деятельности, через значительные изменения которого развивается экологический кризис.

Земная кора выплавилась из мантии в процессе длительной физико-химической и гравитационной дифференциации, - так образовался гранитный и базальтовый слой земной коры. Осадочный слой возник в результате разрушения гранитов и базальта в процессе выветривания.

В верхней части земной коры развитые ґрунти, значение которых для человека тяжело переоценить.

Почвы - это органо-минеральный продукт многолетней (от 100 до 1000 годов) совместной деятельности живых организмов, воды, воздуха, солнечного тепла и света - является одними из важнейших природных ресурсов. В зависимости от климатических и геолого-географических условий ґрунти имеют толщину от 15-25 см до 2-3 м.

С разными породами земной коры и с ее тектоническими структурами связаны разные полезные ископаемые: горючие, металлические, строительные, а также те, которые являются сырьем для химической и пищевой промышленности.

В пределах литосферы периодически происходили и происходят грозные экологические процессы: извержение вулканов, землетрясения, сдвиги, сели, обвалы, эрозия, - они имеют огромное значение для формирования экологических ситуаций в определенном регионе планеты, а иногда приводят к глобальным экологическим катастрофам.

Гидросфера - это водяная сфера (оболочка), это совокупность океанов, морей, вод континентов и ледниковых покровов.

Общий объем естественных вод составляет 1,39 млрд. км3 - 1/780 часть объема планеты. Из 510 млн. км2 общей поверхности земли 71% (361 км2) покрыто водой. Масса гидросферы - 1.39х109т, что составляет 0.

В Мировом океане сосредоточенно 98,3% гидросферы, она горьковато соленая, не пригодная для питья и технических потребностей. Соленость океанических вод составляет 35 0/00 (то есть в 1 л океанической воды содержится 35 г солей). Самая соленая вода в Мертвом море — 2600/00 (человек свободно лежит на поверхности этой воды, не погружаясь у нее), в Черном море — 18 0/00, Азовскому — 12 0/00.

Ученые считают, что химический состав океанических вод очень похож в состав человеческой крови - в них содержатся почти все известны нам элементы, но, конечно, в разных пропорциях. 95,5% всей массы элементов океанической воды приходится на 4 элемента : кислород, водород, хлор и натрий. В водах Мирового океана растворены много газов, из которых важнейшим является кислород и углекислый газ. Общая масса углекислого газа в океанических водах превышает его массу в атмосфере близко в 60 раз.

Запасы пресной воды составляют ~35 млн. км3. Эта вода распределена по земному шару очень неравномерно и в некоторых районах ее запасы уже исчерпаны. Основное количество пресной воды (75%) сосредоточено в ледовых покровах Антарктиды и Гренландии, горных ледниках и айсбергах, в зоне вечной мерзлоты. Из всей пресной воды лишь 0.6-1% находится в жидком состоянии. 20% всей пресной воды сосредоточенно в озере Байкал. Основным источником водоснабжения для человечества.

Пресные воды рек и озер составляют всего 4-5 млн. км3, то есть ~0,26%. Очень много используется воды для коммунально-бытовых потребностей в больших городах 200-600 л на сутки на 1 человека, причем необратимые потери составляют до 17% от забора води.

одземные запасы воды составляют ~40 млн. км3. В зависимости от состава пород и глубины залегания подземные воды имеют разнообразный химический состав.

В зависимости от содержания солей подземные воды разделяются на: сульфатные, сульфатно-натриевые, гидрокарбонатно-кальциевые, хлоридно-натриевые.

Иногда они содержат газовый компонент. Некоторые минерализовани подземные воды имеют лечебные свойства. Минеральные и термальные подземные воды имеют большое бальнеологическое значение, являются одним из рекреационных элементов естественной среды.

Земная кора – тонкая верхняя оболочка Земли. Она имеет толщину на континентах 40-80км и под океанами 5-10км и составляет 1% от массы Земли. В составе земной коры преобладают 8 элементов: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg. Важнейшее содержание кремния и алюминия. Породы, которые образуют земную кору Е.Зюсс назвал “соль” (Sial). От мантии земная кора отделена поверхностью Мохоровичича.

Выделяют два типа земной коры:

1. Материковый - земная кора трехслойная (осадочные породы, граниты и базальт). Мощность 40-80км.

2. Океанический - земная кора двухслойна, гранитный слой отсутствует (или очень тонкий) и осадочные породы залегают на базальтовом слое. Мощность 5-10 км.

Также, различают переходный тип земной коры - островной.

Мантия – состоит из окиси кремния и окислов магния и железа. В результате большого давления вещества в мантии очень плотные. Давление в мантии с глубиной растет и на границе с ядром составляет 1.3 млн.ат. плотность в верхних слоях мантии 3.5 г/см3, на границе с ядром 5.5 г/см3. температура веществ в мантии на глубине 100км +500°С, на границе с ядром +3800°С. Невзирая на такую высокую t, вещества в мантии в твердом состоянии.

Мантия разделяется на верхнюю и нижнюю. Граница между ними находится на глубине 900-1000км.

Верхний слой мантии – астеносфера (80-200 км.) находится в почти расплавленном состоянии и при понижении давления превращается в магму. Магма поднимается вверх и может выливаться на поверхность Земли.

Постоянной угрозой для людей являются вулканы, в последние годы внимание привлекли и озера в кратерах вулканов. В «долине гейзеров» нашли ложбину, где погибают даже медведи.

Климат Земли, которая зависит в основном от состояния ее атмосферы, на протяжении геологической истории периодически изменялся: чередовались эпохи существенного похолодания, когда значительные территории суши укрывались ледниками, и эпохи потепления.Но в последнее время атмосфера Земли разогревается намного быстрее, чем когда-либо в прошлом. По данным ООН, из конца XIX к началу XXI ст. глобальная температура на земном шаре повысилась в целом на 0,6°С. И это предопределено деятельностью человека:

За последние 120 лет содержимое СО2 в воздухе увеличилось на 17 %. В земной атмосфере углекислый газ действует как стекло в теплице или парнике: он свободно пропускает солнечные лучи к поверхности Земли, но удерживает ее тепло (рис. 5). Это вызывает разогревание атмосферы, известное как парниковый эффект. По расчетам ученых, ближайшими десятилетиями через парниковый эффект среднегодовая температура на Земле может повыситься на 1,5—2 °С.

Если человечество не уменьшит объема загрязнений атмосферы и глобальная температура будет расти и в дальнейшем, как это происходит на протяжении последних 20 лет, то очень быстро климат на Земле станет теплее, чем когда-либо на протяжении 100 тыс. лет. Это ускорит глобальный экологический кризис.

В чем же заключается опасность парникового эффекта? Расчеты и моделирования на ЭВМ свидетельствуют: повышение среднегодовой температуры повлечет изменения таких важнейших климатических параметров, как количество осадков, облачный покров, океанические течения, размеры полярных ледяных шапок. Внутренние районы континентов станут суше, а побережье — более влажными, зима будет короче и более тепло, а лето — более длительным и более знойным. Основные климатические зоны в северном полушарии сместятся на север приблизительно на 400 км. Это обусловит потепление в зоне тундры, таяния слоя вечной мерзлоты и полярных ледяных шапок. В средних широтах, то есть в главных «хлебных» районах (Украина, Черноземъя России, Кубань, «зерновые штаты» США), климат станет полупустыней, и урожаи зерна резко сократятся. Глобальное потепление приведет к таянию ледников Гренландии, Антарктиды и гор, уровень Мирового океана повысится на 6—10 м.

Значительно нарушают земную поверхность горные разработки — шахты, карьеры, скважины. Подземные разработки вызывают образование полостей и трещин в горных породах, проседание ґрунту, обвалы и сдвиги пород, осушения водоносных горизонтов. Из горных пород выделяются вредные газы (метан, сероводород), случаются внезапные прорывы подземных вод, явления так называемого «горного удара» и т.д. Проходка карьеров сопровождается большими искусственными понижениями рельефа, по краям карьеров развиваются сдвиги и обвалы, в районах карьеров и шахт существенно снижается уровень подземных вод. Вокруг месторождений, которые разрабатываются, образуются отвалы пустых пород, терриконы, которые занимают большие площади плодородных земель. Поверхностные водотоки загрязняются минерализованими водами, которые откачиваются из шахтных горизонтов.Известны способы если не предотвращение этим экологическим нарушением, то по крайней мере смягчение их негативных последствий.