Изменение газового состава атмосферы в прошлом и настоящем

Главная задача работы – выявить динамику изменения содержания различных газов в атмосфере с течением времени, и указать те факторы воздействия, которые служат катализаторами в этих процессах. I . ПОЯВЛЕНИЕ АТМОСФЕРЫ 1.Зарождение Земли.

Прежде чем говорить о происхождении планеты Земля, необходимо осветить вопрос о происхождении всей Солнечной системы в целом. «Иммануил Кант (1755 г.) считал, что Солнечная система возникла при эволюционном развитии холодной пылевой туманности, в центре образовалось Солнце, в периферийных частях – планеты»(3). Этой же теории придерживался и французский математик Лаплас. Но были еще и другие версии образования Солнечной системы. По теории О.Ю. Шмидта планеты образовались в результате выброса Солнцем огромного протуберанца, ставшего следствием столкновения Солнца с каким-либо космическим объектом. По третьей теории Солнце захватило облако, вследствие чего образовались планеты. «Большинство ученых считает, что Солнце и планеты образовались около 4,6 миллиардов лет назад из огромного облака твердых крошечных частиц и газов, называющегося туманностью.

Твердые частицы и часть газа остались от прежних уже погасших звезд.

Повинуясь собственной внутренней силе притяжения, туманность начала, вращаясь, сжиматься.

Частицы вещества, сталкиваясь на невероятной скорости в центре туманности, выделяли столько теплоты, что родилась сверкающая звезда Солнце.

Остальная часть туманности образовала вокруг Солнца кольцо, столкновения частиц внутри которого привели к образованию планет.

Некоторое время планеты были раскалены»(2). Так, наряду с другими, образовалась и наша планета. 2 .Появление атмосферы.

Возраст атмосферы принято приравнивать к возрасту самой планеты Земля – примерно 5000 миллионов лет. На первоначальном этапе своего формирования Земля разогрелась до внушительных температур. «Если, как считает большинство ученых, только что образовавшаяся Земля была чрезвычайно горячей (имела температуру около 9000 ° C ), то большинство газов, составляющих атмосферу, должны были бы покинуть её. По мере постепенного охлаждения и затвердевания Земли газы, растворенные в жидкой земной коре, выходили бы из неё»(8). Из этих газов и сложилась первичная земная атмосфера, благодаря которой стало возможным зарождение жизни. II . . СОСТАВ АТМОСФЕРЫ . 1.Первичный состав. Как только Земля остыла, вокруг неё, из выделенных газов, сформировалась атмосфера.

Точное процентное соотношение элементов химического состава первичной атмосферы, к сожалению, определить не представляется возможным, но можно с точностью предположить, что газы, входящие в её состав, были подобны тем, которые теперь выбрасываются вулканами – углекислый газ, водяной пар и азот. «Вулканические газы в виде перегретых паров воды, углекислого газа, азота, водорода, аммиака, кислых дымов, благородных газов и кислорода формировали праатмосферу. В это время накопление кислорода в атмосфере не происходило, поскольку он расходовался на окисление кислых дымов ( HCl , SiO 2 , H 2 S )»(1). Существуют две теории происхождения самого важного для жизни химического элемента – кислорода. По мере охлаждения Земли температура упала примерно до 100 ° C , большая часть водяного пара сконденсировалась и выпала на земную поверхность первым дождем, вследствие, чего образовались реки, моря и океаны – гидросфера. «Водяная оболочка на Земле обеспечила возможность накопления эндогенного кислорода, став его аккумулятором и (при насыщении) поставщиком в атмосферу, к этому времени уже очищенную от воды, углекислоты, кислых дымов, и других газов в результате прошедших ливней»(1). Другая теория утверждает, что кислород образовался при фотосинтезе в результате жизнедеятельности примитивных клеточных организмов, когда растительные организмы расселились по всей Земле, количество кислорода в атмосфере стало быстро увеличиваться.

Однако, многие учёные склонны рассматривать обе версии без взаимного исключения. 2.Нынешний состав. В сегодняшнем химическом составе атмосферы (рис.1) преобладает азот и кислород.

Представительство таких элементов как углекислый газ, аргон и других инертных газов очень мало, в общей сложности около 1%, но минимальное изменение их содержания может оказать серьёзное влияние на жизнь нашей планеты.

Рассмотрим свойства химических элементов доминирующих в составе земной атмосферы.

Кислород.

Кислород является одним из основных газов атмосферы (почти 21%), наиболее важен для жизни на планете. «Атмосфера содержит порядка 10 15 тонн свободного кислорода, тогда как в земной коре его наверняка больше 10 19 тонн»(1). Самый распространенный элемент на Земле (рис. 2).

Кислород химически активен, легко вступает в реакции со многими химическими элементами и соединениями.

Известны три изотопа кислорода – 16 O , 17 O , 18 O . В обычных условиях их содержание в атмосфере составляет соответственно (%) 99,74, 0,04 и 0,20. «Сильнейшим окислителем является трехатомное соединение кислорода – озон (О 3 ). Он составляет в атмосфере незначительную примесь»(4). На высоте примерно 22 – 25 км озон достигает максимальной концентрации – озоновый экран, который поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца (0,29 микрона), губительное для всего живого. Азот. «Азот – одна из основных компонент органической материи, и ввиду того, что он химически гораздо менее активен, чем кислород, необходимы особые условия для образования соединений азота и для усвоения его живыми организмами. Эти условия еще пока недостаточно изучены»(4). Азот – самый распространенный газ в атмосфере, около 78%. «Азот атмосферы играет огромную роль в геохимических процессах, активно участвуя в дифференциации минерального вещества, с одной стороны, в синтезе органических веществ – с другой.

Последнее обеспечивается биохимическими реакциями.

Известно, что азот участвует в фотосинтезе, синтезе белков и нуклеиновых кислот.

Следовательно, без азота жизнь в том виде, в котором мы её знаем, невозможна»(1). Углерод.

Углерод в земной атмосфере в основном представлен углекислым газом ( CO 2 ). Углекислый газ необходим растениям, так как используется ими для дыхания.

Содержание CO 2 в атмосфере так же влияет на тепловой баланс Земли.

Деятельность человека (сжигание угля и нефти) ведет к повышению его концентрации.

Водяной пар.

Водяной пар играет главную роль в образовании парникового эффекта.

Водяной пар пропускает коротковолновую солнечную радиацию, и поглощает длинноволновое излучение Земли. С ним связано образование облачных систем. 3.Тенденции изменения. «Нет единого мнения о природе и характере изменений в составе атмосферы за последние 1000 миллионов лет.

Геологические процессы (вулканическая активность, образование известняков и угля) должны были оказать определенное влияние на состав атмосферы. И есть основания предполагать, что в течение последних 300 миллионов лет количество кислорода и углекислого газа, поскольку эти газы связанны с вышеупомянутыми процессами, колебалось значительно относительно теперешнего уровня»(4). Рис. 3 «График увеличения содержания CO 2 в атмосфере в период с 19-20 вв. (Неклюкова 1976). Такое изменение содержания CO 2 , конечно, вызвано деятельностью человека – сжигание угля (рис. 3). «Начиная с 1900 года, количество сжигаемого топлива удваивается каждые 10 лет. Так как уголь состоит на 90% из углерода, при горении соединяющегося с кислородом, то в атмосфере увеличивается количество углекислого газа»(8). Содержание парниковых газов в атмосфере напрямую зависит от периодов потепления на нашей планете (рис. 4). «Была установлена корреляция между периодами потепления и содержанием в атмосфере углекислого газа и метана. 18 тысяч лет назад, в эпоху максимального обледенения, когда ледовый панцирь покрывал всю северную половину Европы и Северной Америки, содержание парниковых газов было меньше»(5). «За последние 850 лет на Земле произошло пять ледниковых периодов, когда температуры на Земле опускались на 3 ° C ниже нынешних»(7). В основном, более или менее сильные изменения газового состава атмосферы происходило в последние два века, ведь именно в этот период человечество осуществило существенные шаги в своём техническом развитии.

Особенно сильно сказался на атмосфере приход НТР (Научно Техническая Революция). «Деятельность человека начала воздействовать на атмосферу в начале XIX в. вследствие развития тяжелой Рис. 4 Колебание температуры на Земле за последние 850.000 лет (Мирская, 1997). промышленности. Дым тысяч заводских труб, сажа миллионов угольных каминов в городских домах затянули небо смогом.

Проблема смога существует во многих странах и сейчас»(7). рис. 5 Концентрация атмосферного CO 2 (Костицын, 1984). III . ПРИЧИНЫ И СЛЕДСТВИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ГАЗОВОГО СОСТАВА АТМОСФЕРЫ . 1. Причины.

Существует масса причин изменения газового состава атмосферы – первое, и самое главное это деятельность человека.

Второе, как ни странно, - деятельность самой природы. а) антропогенное воздействие.

Деятельность человека оказывает разрушающее действие на химический состав атмосферы. При производстве в окружающую среду выбрасывается углекислый газ и ряд других парниковых газов.

Особенно опасен выброс CO 2 различными заводами и предприятиями (рис. 5). «Все крупнейшие города, как правило, лежат в слое плотного тумана. И не от того, что часто расположены в низинах или у воды, а из-за ядер конденсации, сосредоточенных над городами. В некоторых местах воздух настолько загрязнен частицами выхлопных газов и промышленных выбросов, что велосипедисты вынуждены надевать маски. Эти частицы служат ядрами конденсации для тумана»(7). Так же губительное воздействие оказывают выхлопные газы автомобилей, содержащие оксид азота, свинец, а также большое количество диоксида углерода (углекислого газа). Одной из главных особенностей атмосферы является наличие озонового экрана.

Фреоны – фтор содержащие химические элементы, широко используются в производстве аэрозолей и холодильников, оказывают сильное воздействие на озоновый экран, разрушая его. «Ежегодно под пастбища вырубаются тропические леса на территории, равной площади Исландии, - в основном в бассейне реки Амазонки (Бразилия). Это может привести к сокращению количества осадков, т.к. количество влаги, испаряемой деревьями, сокращается.

Вырубка лесов способствует и усилению парникового эффекта, ведь растения поглощают углекислый газ»(7). б) естественное воздействие. И природа вносит свою лепту в историю атмосферы Земли, в основном, запыляя её. «Огромные массы пыли поднимают в воздух ветры пустынь. Она заносится на большую высоту и может разнестись очень далеко.

Возьмем ту же Сахару.

Мельчайшие частицы каменистых пород, поднятые здесь в воздух, закрывают горизонт, сквозь пыльное покрывало тускло светит Солнце»(6). Но опасны не только ветры. В августе 1883 года на одном из островов Индонезии разразилась катастрофа – взорвался вулкан Кракатау. При этом около семи кубических километров вулканической пыли было выброшено в атмосферу. Ветры разнесли эту пыль на высоту 70-80 км. Лишь спустя годы эта пыль осела. Так же причиной появления огромного количества пыли в атмосфере являются падающие на Землю метеориты. При попадание на земную поверхность, они поднимают в воздух огромные массы пыли. Так же в атмосфере периодически то появляются, то исчезают озоновые дыры – дыры в озоновом экране.

Многие ученые считают это явление естественным процессом развития географической оболочки Земли. 2.Следствия.

Вследствие промышленной деятельности человека и природы атмосфера Земли загрязняется различными веществами начиная от пыли и заканчивая сложными химическими соединениями.

Итогом этого служит прежде всего глобальное потепление климата и разрушение озонового экрана планеты. «Малые изменения в химическом составе атмосферы кажутся незначительными для атмосферы в целом. Но следует напомнить, что редкие газы, входящие в состав атмосферы, могут оказать значительное влияние на климат и погоду»(8). а) Озоновый экран.

Разрушение озонового экрана происходит под действием фтор содержащих компонентов, которые содержаться в аэрозолях и холодильниках.

Попадая в атмосферу, вступают в химическую реакцию с озоном, разрушая его.

Разрушение озонового экрана ведет к неизбежной гибели всего живого на планете от ультрафиолетового излучения Солнца б) Потепление климата. «Некоторые ученые, например, считают, что в последние годы с возрастанием углекислого газа изменился тепловой баланс атмосферы, ибо Земля стала больше поглощать инфракрасной радиации, уменьшился уход тепла от Земли в космос, и повысилась средняя температура природного слоя воздуха.

Некоторые исследователи оценивают повышение температуры в 0,01 ° C в год. Это свидетельствует о тесной связи температуры Земли с химическим составом атмосферы»(8). Повышение температуры ведет к потеплению климата, что ведет к таянию ледников Антарктики и Антарктиды, а как следствие повышение уровня мирового океана и затоплению прибрежных районов.

Глобальное потепление климата возможно в результате парникового эффекта. «Вследствие парникового эффекта произойдет заметное смещение климатических поясов. В результате некоторые крупные регионы мира станут теплее и суше, а другие – теплее и влажнее»(5).

Состав атмосферы не оставался постоянным, а изменялся во времени, чутко реагируя на события и явления, происходящие на земной поверхности.