Reklama na portáli

Atmosféra, jej zloženie a štruktúra. Funkcie atmosféry. Zloženie atmosféry Atmosférické podmienky

Zdá sa, že výrazný nárast voľného kyslíka v zemskej atmosfére pred 2,4 miliardami rokov bol výsledkom veľmi rýchleho prechodu z jedného rovnovážneho stavu do druhého. Prvá úroveň zodpovedala extrémne nízkej koncentrácii O 2 - asi 100 000-krát nižšej, ako sa pozoruje teraz. Druhá rovnovážna úroveň mohla byť dosiahnutá pri vyššej koncentrácii, nie menej ako 0,005 modernej. Obsah kyslíka medzi týmito dvoma úrovňami je charakterizovaný extrémnou nestabilitou. Prítomnosť takejto „bistability“ umožňuje pochopiť, prečo bolo v zemskej atmosfére tak málo voľného kyslíka najmenej 300 miliónov rokov po tom, čo ho začali produkovať sinice (modrozelené „riasy“).

V súčasnosti tvorí zemskú atmosféru z 20 % voľný kyslík, ktorý nie je ničím iným ako vedľajším produktom fotosyntézy siníc, rias a vyšších rastlín. Tropické pralesy, ktoré sa v populárnych publikáciách často nazývajú pľúcami planéty, uvoľňujú veľa kyslíka. Zároveň sa však mlčí, že tropické pralesy počas roka spotrebujú takmer toľko kyslíka, koľko vyprodukujú. Vynakladá sa na dýchanie organizmov, ktoré rozkladajú hotové organické látky – predovšetkým baktérie a huby. Pre to, Aby sa kyslík začal hromadiť v atmosfére, musí byť z cyklu odstránená aspoň časť látky vzniknutej pri fotosyntéze- dostať sa napríklad do spodných sedimentov a stať sa nedostupným pre baktérie, ktoré ho rozkladajú aeróbne, teda pri spotrebe kyslíka.

Celkovú reakciu kyslíkovej (to znamená „poskytovania kyslíka“) fotosyntézy možno zapísať ako:
C02 + H20 + hν→ (CH20) + O2,
Kde hν je energia slnečného žiarenia a (CH20) je všeobecný vzorec organickej hmoty. Dýchanie je opačný proces, ktorý možno napísať ako:
(CH20) + 02 -> C02 + H20.
Zároveň sa uvoľní energia potrebná pre organizmy. Aeróbne dýchanie je však možné len pri koncentrácii O 2 nie nižšej ako 0,01 modernej úrovne (takzvaný Pasteurov bod). V anaeróbnych podmienkach sa organická hmota rozkladá fermentáciou a v záverečných fázach tohto procesu často vzniká metán. Napríklad zovšeobecnená rovnica pre metanogenézu prostredníctvom tvorby acetátu vyzerá takto:
2(CH20) → CH3COOH → CH4 + CO2.
Ak spojíme proces fotosyntézy s následným rozkladom organickej hmoty v anaeróbnych podmienkach, potom bude celková rovnica vyzerať takto:
C02 + H20 + hν→ 1/2 CH4 + 1/2 CO2 + O2.
Bola to práve táto cesta rozkladu organickej hmoty, ktorá bola zrejme hlavnou v starovekej biosfére.

Mnoho dôležitých detailov o tom, ako sa vytvorila moderná rovnováha medzi prísunom kyslíka a jeho odstraňovaním z atmosféry, zostáva nejasných. Koniec koncov, k výraznému zvýšeniu obsahu kyslíka, k takzvanej „veľkej oxidácii atmosféry“, došlo len pred 2,4 miliardami rokov, hoci je s istotou známe, že sinice vykonávajúce kyslíkovú fotosyntézu boli pomerne početné a aktívne už pred 2,7 miliardami rokov. a vznikli ešte skôr – možno pred 3 miliardami rokov. Teda v rámci najmenej 300 miliónov rokov aktivita cyanobaktérií neviedla k zvýšeniu obsahu kyslíka v atmosfére.

Predpoklad, že z nejakého dôvodu náhle došlo k radikálnemu nárastu čistej primárnej produkcie (teda nárast organickej hmoty vznikajúcej pri fotosyntéze siníc), neobstál. Faktom je, že pri fotosyntéze sa prevažne spotrebováva ľahký izotop uhlíka 12 C a v prostredí vzrastá relatívny obsah ťažšieho izotopu 13 C. V súlade s tým musia byť spodné sedimenty obsahujúce organickú hmotu ochudobnené o izotop 13 C, ktorý sa hromadí vo vode a vedie k tvorbe uhličitanov. Pomer 12 C ku 13 C v uhličitanoch a organickej hmote sedimentov však zostáva nezmenený napriek radikálnym zmenám koncentrácie kyslíka v atmosfére. To znamená, že celý bod nie je v zdroji O 2 , ale v jeho, ako hovoria geochemici, „výpadku“ (odstránenie z atmosféry), ktorý sa náhle výrazne znížil, čo viedlo k výraznému zvýšeniu množstva kyslíka. v atmosfére.

Zvyčajne sa verí, že bezprostredne pred „veľkou oxidáciou atmosféry“ sa všetok vytvorený kyslík minul na oxidáciu redukovaných zlúčenín železa (a potom síry), ktorých bolo na zemskom povrchu dosť. Vtedy vznikli najmä takzvané „páskové železné rudy“. Nedávno však Colin Goldblatt, postgraduálny študent na School of Environmental Sciences na University of East Anglia (Norwich, UK), spolu s dvoma kolegami z tej istej univerzity, dospeli k záveru, že obsah kyslíka v zemskej atmosfére môže byť jeden z dvoch rovnovážnych stavov: môže byť buď veľmi malý - asi 100-tisíckrát menej ako teraz, alebo už dosť veľa (hoci z pozície moderného pozorovateľa je malý) - nie menej ako 0,005 modernej úrovne.

V navrhovanom modeli brali do úvahy vstup kyslíka aj redukovaných zlúčenín do atmosféry, pričom dbali najmä na pomer voľného kyslíka a metánu. Poznamenali, že ak koncentrácia kyslíka prekročí 0,0002 súčasnej úrovne, časť metánu už môže byť oxidovaná metanotrofnými baktériami podľa reakcie:
CH4 + 202 -> C02 + 2H20.
Ale zvyšok metánu (a je ho pomerne veľa, najmä pri nízkych koncentráciách kyslíka) sa dostáva do atmosféry.

Celý systém je z hľadiska termodynamiky v nerovnovážnom stave. Hlavným mechanizmom obnovenia narušenej rovnováhy je oxidácia metánu v horných vrstvách atmosféry hydroxylovým radikálom (pozri Kolísanie metánu v atmosfére: človek alebo príroda – kto vyhráva, „Elementy“, 10.6.2006). Je známe, že hydroxylový radikál vzniká v atmosfére pod vplyvom ultrafialového žiarenia. Ak je však v atmosfére veľa kyslíka (najmenej 0,005 súčasnej úrovne), potom sa v jej horných vrstvách vytvorí ozónová clona, ​​ktorá dobre chráni Zem pred tvrdými ultrafialovými lúčmi a zároveň zasahuje do fyzikálno-chemických procesov. oxidácia metánu.

Autori dospievajú k trochu paradoxnému záveru, že samotná existencia kyslíkovej fotosyntézy nie je dostatočnou podmienkou ani pre vznik atmosféry bohatej na kyslík, ani pre vznik ozónovej clony. Túto okolnosť treba brať do úvahy v prípadoch, keď sa na základe výsledkov prieskumu ich atmosféry snažíme nájsť známky existencie života na iných planétach.

Atmosféra (z gréckeho ατμός – „para“ a σφαῖρα – „guľa“) je plynový obal nebeského telesa, ktorý okolo neho drží gravitácia. Atmosféra je plynný obal planéty, ktorý pozostáva zo zmesi rôznych plynov, vodných pár a prachu. Atmosféra vymieňa látky medzi Zemou a Kozmom. Zem prijíma kozmický prach a meteoritový materiál a stráca najľahšie plyny: vodík a hélium. Atmosférou Zeme skrz naskrz preniká silné žiarenie zo Slnka, ktoré určuje tepelný režim povrchu planéty, spôsobuje disociáciu molekúl atmosférických plynov a ionizáciu atómov.

Atmosféra Zeme obsahuje kyslík, ktorý väčšina živých organizmov využíva na dýchanie, a oxid uhličitý, ktorý spotrebúvajú rastliny, riasy a sinice pri fotosyntéze. Atmosféra je tiež ochrannou vrstvou planéty, chráni jej obyvateľov pred slnečným ultrafialovým žiarením.

Všetky masívne telesá - pozemské planéty a plynní obri - majú atmosféru.

Atmosférické zloženie

Atmosféra je zmes plynov pozostávajúca z dusíka (78,08 %), kyslíka (20,95 %), oxidu uhličitého (0,03 %), argónu (0,93 %), malého množstva hélia, neónu, xenónu, kryptónu (0,01 %), 0,038 % oxidu uhličitého a malé množstvo vodíka, hélia, iných vzácnych plynov a znečisťujúcich látok.

Moderné zloženie ovzdušia Zeme vzniklo pred viac ako sto miliónmi rokov, no prudko zvýšená ľudská výrobná aktivita napriek tomu viedla k jeho zmene. V súčasnosti dochádza k zvýšeniu obsahu CO 2 približne o 10-12 %.Plyny obsiahnuté v atmosfére plnia rôzne funkčné úlohy. Hlavný význam týchto plynov je však daný predovšetkým skutočnosťou, že veľmi silne absorbujú energiu žiarenia a tým výrazne ovplyvňujú teplotný režim zemského povrchu a atmosféry.

Počiatočné zloženie atmosféry planéty zvyčajne závisí od chemických a teplotných vlastností Slnka počas formovania planét a následného uvoľňovania vonkajších plynov. Potom sa zloženie plynového obalu vyvíja pod vplyvom rôznych faktorov.

Atmosféra Venuše a Marsu sa skladá predovšetkým z oxidu uhličitého s menším množstvom dusíka, argónu, kyslíka a iných plynov. Atmosféra Zeme je z veľkej časti produktom organizmov, ktoré v nej žijú. Nízkoteplotní plynní obri – Jupiter, Saturn, Urán a Neptún – dokážu zadržiavať najmä plyny s nízkou molekulovou hmotnosťou – vodík a hélium. Vysokoteplotné plynné obry, ako Osiris alebo 51 Pegasi b, ju naopak nedokážu udržať a molekuly ich atmosféry sú rozptýlené vo vesmíre. Tento proces prebieha pomaly a neustále.

dusík, Najbežnejší plyn v atmosfére, je chemicky neaktívny.

Kyslík, na rozdiel od dusíka, je chemicky veľmi aktívny prvok. Špecifickou funkciou kyslíka je oxidácia organickej hmoty heterotrofných organizmov, hornín a podoxidovaných plynov emitovaných do atmosféry sopkami. Bez kyslíka by nedošlo k rozkladu mŕtvej organickej hmoty.

Atmosférická štruktúra

Štruktúra atmosféry sa skladá z dvoch častí: vnútornej - troposféra, stratosféra, mezosféra a termosféra, alebo ionosféra, a vonkajšej - magnetosféry (exosféry).

1) Troposféra– je to spodná časť atmosféry, v ktorej sú sústredené 3/4 t.j. ~ 80% celej zemskej atmosféry. Jeho výška je určená intenzitou vertikálneho (vzostupného alebo klesajúceho) prúdenia vzduchu spôsobeného zahrievaním zemského povrchu a oceánu, preto je hrúbka troposféry na rovníku 16–18 km, v miernych šírkach 10–11 km a na póloch – do 8 km. Teplota vzduchu v troposfére v nadmorskej výške klesá o 0,6ºС na každých 100 m a pohybuje sa od +40 do - 50ºС.

2) Stratosféra sa nachádza nad troposférou a má výšku až 50 km od povrchu planéty. Teplota vo výške do 30 km je konštantná -50ºС. Potom začne stúpať a vo výške 50 km dosiahne +10ºС.

Horná hranica biosféry je ozónová clona.

Ozónová clona je vrstva atmosféry v stratosfére, ktorá sa nachádza v rôznych výškach od zemského povrchu a má maximálnu hustotu ozónu vo výške 20-26 km.

Výška ozónovej vrstvy na póloch sa odhaduje na 7-8 km, na rovníku na 17-18 km a maximálna výška prítomnosti ozónu je 45-50 km. Život nad ozónovým štítom je nemožný kvôli drsnému ultrafialovému žiareniu Slnka. Ak stlačíte všetky molekuly ozónu, získate okolo planéty ~ 3 mm vrstvu.

3) Mezosféra– horná hranica tejto vrstvy sa nachádza do výšky 80 km. Jeho hlavnou črtou je prudký pokles teploty -90ºС na hornej hranici. Sú tu zaznamenané nočné svietiace oblaky pozostávajúce z ľadových kryštálikov.

4) Ionosféra (termosféra) - sa nachádza do nadmorskej výšky 800 km a vyznačuje sa výrazným zvýšením teploty:

150 km teplota +240ºС,

200 km teplota +500ºС,

600 km teplota +1500ºС.

Pod vplyvom ultrafialového žiarenia zo Slnka sú plyny v ionizovanom stave. Ionizácia je spojená so žiarou plynov a objavením sa polárnych žiar.

Ionosféra má schopnosť opakovane odrážať rádiové vlny, čo zabezpečuje diaľkovú rádiovú komunikáciu na planéte.

5) Exosféra– nachádza sa nad 800 km a siaha až do 3000 km. Tu je teplota >2000ºС. Rýchlosť pohybu plynu sa blíži ku kritickej ~ 11,2 km/s. Dominantnými atómami sú vodík a hélium, ktoré okolo Zeme tvoria svetelnú korónu siahajúcu do nadmorskej výšky 20 000 km.

Funkcie atmosféry

1) Termoregulačné – počasie a klíma na Zemi závisia od rozloženia tepla a tlaku.

2) Udržiavanie života.

3) V troposfére dochádza ku globálnym vertikálnym a horizontálnym pohybom vzdušných hmôt, ktoré určujú kolobeh vody a výmenu tepla.

4) Takmer všetky povrchové geologické procesy sú spôsobené interakciou atmosféry, litosféry a hydrosféry.

5) Ochranná - atmosféra chráni Zem pred vesmírom, slnečným žiarením a meteoritovým prachom.

Funkcie atmosféry. Bez atmosféry by bol život na Zemi nemožný. Človek skonzumuje 12-15 kg denne. vzduchu, vdychuje každú minútu od 5 do 100 litrov, čo výrazne prevyšuje priemernú dennú potrebu jedla a vody. Atmosféra navyše spoľahlivo chráni ľudí pred nebezpečenstvami, ktoré im hrozia z vesmíru: nedovoľuje preniknúť meteoritom ani kozmickému žiareniu. Človek vydrží bez jedla päť týždňov, bez vody päť dní, bez vzduchu päť minút. Normálny ľudský život si vyžaduje nielen vzduch, ale aj jeho určitú čistotu. Od kvality ovzdušia závisí zdravie ľudí, stav flóry a fauny, pevnosť a odolnosť stavebných konštrukcií a konštrukcií. Znečistený vzduch je deštruktívny pre vody, zem, moria a pôdu. Atmosféra určuje svetlo a reguluje tepelné režimy Zeme, prispieva k prerozdeleniu tepla na zemeguli. Plynový obal chráni Zem pred nadmerným ochladzovaním a zahrievaním. Ak by naša planéta nebola obklopená vzduchovým plášťom, tak v priebehu jedného dňa by amplitúda teplotných výkyvov dosiahla 200 C. Atmosféra zachraňuje všetko živé na Zemi pred ničivým ultrafialovým, röntgenovým a kozmickým žiarením. Atmosféra hrá veľkú úlohu pri distribúcii svetla. Jeho vzduch láme slnečné lúče na milión malých lúčov, rozptyľuje ich a vytvára rovnomerné osvetlenie. Atmosféra slúži ako vodič zvukov.

Troposféra - spodná veľmi tenká vrstva atmosféry vysoká 8-18 km, v ktorej je sústredených 80% hmoty zemskej atmosféry

Význam atmosférického O 2 pre biologické a geochemické procesy na Zemi je mimoriadne vysoký. Vedci preto dlho skúmali, ako sa menil obsah kyslíka v histórii našej planéty. To možno pochopiť výpočtom parciálneho tlaku O 2 a N 2 v celkovom atmosférickom tlaku.

Napriek dlhej histórii problému odborníci stále nemajú konsenzus o zmenách atmosférického tlaku za posledných 500 miliónov rokov. Výpočty sa líšia až o 0,2 atm (pozri diagram nižšie). Dokonca ani za posledných niekoľko miliónov rokov neexistuje jasný obraz o tom, ako sa presne zmenil atmosférický tlak, parciálny tlak a teda aj koncentrácie O 2 .

Otázka nie je jednoduchá, pretože kyslík z atmosféry neustále spotrebúvajú zvieratá, rastliny a dokonca aj kamene. Skupina vedcov z Princetonskej univerzity objasnila tento problém štúdiom koncentrácie vzduchových bublín v ľadových jadrách z Grónska a Antarktídy.

Ľadové jadro z hĺbky 1837 m s viditeľnými ročnými vrstvami

Dnes sú ľadové jadrá najspoľahlivejším a najpresnejším zdrojom údajov o atmosférickom tlaku. Maximálny vek ľadu v jadrách je 800 tisíc rokov, takže výskum je obmedzený na tento časový interval.


Ťažba ľadových jadier na výskumnej stanici Vostok v Antarktíde

Ukázalo sa, že počas tejto doby dochádza k pomerne stabilnému úniku kyslíka zo Zeme rýchlosťou približne 8,4 ppm za milión rokov. Najmä za posledných 800 000 rokov bolo v atmosfére asi o 0,7 % menej kyslíka.


Tabuľka vľavo ukazuje, ako sa výsledky vedeckého modelovania líšia medzi atmosférickým pomerom O 2 / N 2 a parciálnym tlakom. Diagram vpravo ukazuje zmenu parciálneho tlaku na základe výsledkov merania vzduchových bublín v ľadových jadrách za 800 tisíc rokov

„Tieto merania sme urobili skôr zo záujmu, než aby sme potvrdili teóriu,“ povedal jeden z autorov vedeckej práce Daniel Stolper. "Nevedeli sme, čo sa stane: či sa kyslík v priebehu rokov zvýši, zníži alebo zostane na konštantnej úrovni."

K poklesu množstva kyslíka v atmosfére dochádza pomerne pomaly. Pravdepodobne nebude ohrozovať ľudský život na milióny rokov. Ale informácie o povahe takýchto cyklov sú pre vedu veľmi dôležité. Musíme vedieť, aké faktory ovplyvňujú zmeny. Tieto informácie je možné využiť okrem iného aj pri terraformácii Marsu, keď ľudia začnú osídľovať Červenú planétu. Pravdepodobne budeme musieť zvýšiť množstvo kyslíka v atmosfére Marsu.

Prvých pár miliárd rokov na Zemi tiež nebol žiadny kyslík. Najpravdepodobnejšou teóriou je, že hladina kyslíka vzrástla asi pred 2,4 miliardami rokov v dôsledku aktivity cyanobaktérií, známych aj ako modrozelené riasy. Toto obdobie dramatických zmien v zložení atmosféry, po ktorých nasleduje reštrukturalizácia biosféry a globálne hurónske zaľadnenie v histórii Zeme, je známe ako kyslíková katastrofa.


Modrozelené riasy sú dôvodom, prečo sa pred 2,4 miliardami rokov objavil na Zemi kyslík vo veľkých množstvách a vznikol pokročilejší život

Rovnaká kyslíková katastrofa môže vzniknúť na Marse.

Vedci zatiaľ nedospeli ku konsenzu, prečo zemská atmosféra pomaly stráca kyslík. Existujú dve hypotézy. Jedným z nich je, že je to spôsobené zvýšenou rýchlosťou erózie, ktorá odoberá viac horniny z pôdy, ktorá oxiduje a viaže viac kyslíka. Ďalšia teória sa týka klimatických zmien: teploty za posledných niekoľko miliónov rokov mierne klesli, napriek prudkému nárastu v posledných desaťročiach. V dôsledku poklesu teploty sa mohol spustiť reťazec environmentálnych reakcií, v dôsledku ktorých sa vo Svetovom oceáne začalo rozpúšťať a viazať viac kyslíka.

Zatiaľ sú to všetko len hypotézy, ktoré treba otestovať.

V súčasnosti zemská atmosféra obsahuje 78,09 % dusíka, 20,95 % kyslíka, 0,93 % argónu, 0,039 % oxidu uhličitého a malé množstvo iných plynov. Neustále tiež mení koncentráciu vodnej pary, ktorá je považovaná za jeden z hlavných skleníkových plynov. Na úrovni oceánu je koncentrácia H2O v atmosfére asi 1% a v priemere je to asi 0,4%. Celková hmotnosť atmosféry je 5,5 × 10 18 kg, teda 5,5 zettagramu alebo 5,5 petatónu.


Akumulácia kyslíka v zemskej atmosfére. Zelený graf je dolný odhad hladiny kyslíka, červený graf je horný odhad. 1. Pred 3,85-2,45 miliardami rokov. 2. Pred 2,45-1,85 miliardami rokov: začiatok produkcie kyslíka a jeho absorpcia horninami oceánu a morského dna. 3. Pred 1,85-0,85 miliardami rokov: oxidácia hornín na súši. 4. Pred 0,85-0,54 miliardami rokov: všetky horniny na súši sú oxidované, začína sa hromadenie kyslíka v atmosfére. 5. Pred 0,54 miliardami rokov – súčasnosť

Kyslík uniká zo zemskej atmosféry pomaly. Vedci však zdôrazňujú, že ich štúdia neobsahuje údaje o zmenách hladín kyslíka za posledných 200 rokov, po začiatku priemyselnej revolúcie, keď ľudia začali aktívne oxidovať uhľovodíky z útrob zeme, pričom získavali energiu z tejto chemickej reakcie. a viažu veľké množstvo kyslíka z atmosféry. „Spotrebujeme kyslík tisíckrát viac ako predtým,“ hovorí Daniel Stolper. "Ľudstvo úplne uzavrelo [kyslíkový] cyklus a spálilo tisíce ton uhlíka... Toto je ďalší dôkaz, že spoločnou prácou môžu ľudia výrazne urýchliť prírodné procesy na Zemi."

Na rozdiel od horúcich a studených planét našej slnečnej sústavy existujú na planéte Zem podmienky, ktoré umožňujú život v určitej forme. Jednou z hlavných podmienok je zloženie atmosféry, ktorá dáva všetkým živým veciam možnosť voľne dýchať a chráni ich pred smrtiacou radiáciou, ktorá vládne vo vesmíre.

Z čoho pozostáva atmosféra?

Atmosféra Zeme pozostáva z mnohých plynov. V podstate čo zaberá 77%. Plyn, bez ktorého je život na Zemi nemysliteľný, zaberá oveľa menší objem, obsah kyslíka vo vzduchu sa rovná 21 % celkového objemu atmosféry. Posledné 2% sú zmesou rôznych plynov vrátane argónu, hélia, neónu, kryptónu a iných.

Atmosféra Zeme stúpa do výšky 8 tisíc km. Vzduch vhodný na dýchanie sa nachádza iba v spodnej vrstve atmosféry, v troposfére, ktorá dosahuje 8 km na póloch a 16 km nad rovníkom. S rastúcou nadmorskou výškou sa vzduch stáva redším a tým väčší je nedostatok kyslíka. Aby sme zvážili, aký je obsah kyslíka vo vzduchu v rôznych nadmorských výškach, uvedieme príklad. Na vrchole Everestu (výška 8848 m) sa vo vzduchu nachádza 3-krát menej tohto plynu ako nad hladinou mora. Preto môžu dobyvatelia vysokých horských štítov – horolezci – vyliezť na jeho vrchol len v kyslíkových maskách.

Kyslík je hlavnou podmienkou prežitia na planéte

Na začiatku existencie Zeme vzduch, ktorý ju obklopoval, tento plyn vo svojom zložení nemal. To sa celkom hodilo pre život prvokov – jednobunkových molekúl, ktoré plávali v oceáne. Nepotrebovali kyslík. Tento proces sa začal približne pred 2 miliónmi rokov, keď prvé živé organizmy v dôsledku reakcie fotosyntézy začali uvoľňovať malé dávky tohto plynu, získaného v dôsledku chemických reakcií, najskôr do oceánu a potom do atmosféry. . Život sa na planéte vyvinul a nadobudol rôzne podoby, z ktorých väčšina neprežila do modernej doby. Niektoré organizmy sa nakoniec adaptovali na život s novým plynom.

Naučili sa bezpečne využívať jeho silu v bunke, kde fungoval ako elektráreň na získavanie energie z potravy. Tento spôsob využívania kyslíka sa nazýva dýchanie a robíme ho každú sekundu. Práve dýchanie umožnilo vznik zložitejších organizmov a ľudí. V priebehu miliónov rokov sa obsah kyslíka vo vzduchu vyšplhal na moderné úrovne – približne 21 %. Akumulácia tohto plynu v atmosfére prispela k vytvoreniu ozónovej vrstvy vo výške 8-30 km od zemského povrchu. Planéta zároveň dostala ochranu pred škodlivými účinkami ultrafialových lúčov. Ďalší vývoj foriem života na vode a na súši sa rýchlo zvýšil v dôsledku zvýšenej fotosyntézy.

Anaeróbny život

Hoci sa niektoré organizmy prispôsobili zvyšujúcim sa hladinám uvoľňovaného plynu, mnohé z najjednoduchších foriem života, ktoré existovali na Zemi, zmizli. Iné organizmy prežili vďaka úkrytu pred kyslíkom. Niektoré z nich dnes žijú v koreňoch strukovín a využívajú dusík zo vzduchu na stavbu aminokyselín pre rastliny. Smrteľný organizmus botulizmus je ďalším utečencom pred kyslíkom. Ľahko prežíva vo vákuovo balených konzervách.

Aká hladina kyslíka je optimálna pre život?

Predčasne narodené deti, ktorých pľúca ešte nie sú úplne otvorené na dýchanie, končia v špeciálnych inkubátoroch. V nich je obsah kyslíka vo vzduchu objemovo vyšší a namiesto zvyčajných 21 % je jeho hladina stanovená na 30 – 40 %. Deti s vážnymi problémami s dýchaním sú obklopené vzduchom so 100-percentnou hladinou kyslíka, aby sa zabránilo poškodeniu mozgu dieťaťa. Byť v takýchto podmienkach zlepšuje kyslíkový režim tkanív, ktoré sú v stave hypoxie, a normalizuje ich životné funkcie. Ale príliš veľa vo vzduchu je rovnako nebezpečné ako príliš málo. Nadmerný kyslík v krvi dieťaťa môže poškodiť krvné cievy v očiach a spôsobiť stratu zraku. To ukazuje dualitu vlastností plynu. Aby sme žili, musíme ho dýchať, no jeho nadbytok sa niekedy môže stať pre telo jedom.

Oxidačný proces

Keď sa kyslík spája s vodíkom alebo uhlíkom, dochádza k reakcii nazývanej oxidácia. Tento proces spôsobuje rozpad organických molekúl, ktoré sú základom života. V ľudskom tele prebieha oxidácia nasledovne. Červené krvinky zbierajú kyslík z pľúc a prenášajú ho do celého tela. Dochádza k procesu ničenia molekúl potravy, ktorú jeme. Tento proces uvoľňuje energiu, vodu a zanecháva oxid uhličitý. Ten sa vylúči krvinkami späť do pľúc a my ho vydýchneme do vzduchu. Osoba sa môže udusiť, ak jej bráni dýchať dlhšie ako 5 minút.

Dych

Uvažujme obsah kyslíka vo vdychovanom vzduchu, ktorý sa pri vdychovaní dostáva zvonku do pľúc, sa nazýva inhalačný a vzduch, ktorý pri výdychu vychádza cez dýchací systém, sa nazýva vydychovaný.

Je to zmes vzduchu, ktorý naplnil alveoly tým v dýchacom trakte. Chemické zloženie vzduchu, ktorý zdravý človek vdychuje a vydychuje za prirodzených podmienok, sa prakticky nemení a je vyjadrené v nasledujúcich číslach.

Kyslík je hlavnou zložkou vzduchu pre život. Zmeny v množstve tohto plynu v atmosfére sú malé. Ak obsah kyslíka vo vzduchu pri mori dosahuje až 20,99 %, tak ani vo veľmi znečistenom ovzduší priemyselných miest jeho hladina neklesne pod 20,5 %. Takéto zmeny neodhalia účinky na ľudský organizmus. Fyziologické poruchy sa objavia, keď percento kyslíka vo vzduchu klesne na 16-17%. V tomto prípade je zrejmé, že vedie k prudkému poklesu vitálnej aktivity a keď je obsah kyslíka vo vzduchu 7-8%, je možná smrť.

Atmosféra v rôznych obdobiach

Zloženie atmosféry vždy ovplyvňovalo vývoj. V rôznych geologických časoch sa v dôsledku prírodných katastrof pozorovalo zvýšenie alebo zníženie hladiny kyslíka, čo malo za následok zmeny v biosystéme. Asi pred 300 miliónmi rokov sa jeho obsah v atmosfére zvýšil na 35% a planétu kolonizoval hmyz gigantických rozmerov. K najväčšiemu vymieraniu živých tvorov v histórii Zeme došlo asi pred 250 miliónmi rokov. Počas nej zomrelo viac ako 90 % obyvateľov oceánu a 75 % obyvateľov pevniny. Jedna verzia masového vymierania hovorí, že na vine bola nízka hladina kyslíka vo vzduchu. Množstvo tohto plynu kleslo na 12 %, a to v spodnej vrstve atmosféry až do nadmorskej výšky 5300 metrov. V našej dobe dosahuje obsah kyslíka v atmosférickom vzduchu 20,9 %, čo je o 0,7 % menej ako pred 800 tisíc rokmi. Tieto údaje potvrdili vedci z Princetonskej univerzity, ktorí skúmali vzorky grónskeho a atlantického ľadu, ktorý sa v tom čase vytvoril. Zamrznutá voda zachovala vzduchové bubliny a táto skutočnosť pomáha vypočítať hladinu kyslíka v atmosfére.

Čo určuje jeho hladinu vo vzduchu?

Jeho aktívna absorpcia z atmosféry môže byť spôsobená pohybom ľadovcov. Ako sa vzďaľujú, odhaľujú gigantické oblasti organických vrstiev, ktoré spotrebúvajú kyslík. Ďalším dôvodom môže byť ochladzovanie vôd Svetového oceánu: jeho baktérie pri nižších teplotách aktívnejšie absorbujú kyslík. Výskumníci tvrdia, že priemyselný skok a s ním aj spaľovanie obrovského množstva paliva nemajú osobitný vplyv. Svetové oceány sa ochladzujú už 15 miliónov rokov a množstvo látok udržujúcich život v atmosfére sa znížilo bez ohľadu na vplyv človeka. Na Zemi pravdepodobne prebiehajú niektoré prirodzené procesy, ktoré vedú k tomu, že spotreba kyslíka je vyššia ako jeho produkcia.

Vplyv človeka na zloženie atmosféry

Povedzme si niečo o vplyve človeka na zloženie vzduchu. Úroveň, ktorú máme dnes, je ideálna pre živé bytosti, obsah kyslíka vo vzduchu je 21%. Rovnováha medzi ním a ostatnými plynmi je daná životným cyklom v prírode: živočíchy vydychujú oxid uhličitý, rastliny ho využívajú a uvoľňujú kyslík.

Neexistuje však žiadna záruka, že táto úroveň bude vždy konštantná. Množstvo oxidu uhličitého uvoľňovaného do atmosféry sa zvyšuje. Je to spôsobené tým, že ľudstvo používa palivo. A ako viete, vznikol z fosílií organického pôvodu a oxid uhličitý sa dostáva do ovzdušia. Najväčšie rastliny na našej planéte, stromy, sú medzitým ničené čoraz rýchlejšie. Do minúty miznú kilometre lesa. To znamená, že časť kyslíka vo vzduchu postupne klesá a vedci už bijú na poplach. Zemská atmosféra nie je neobmedzená zásobáreň a kyslík sa do nej nedostáva zvonku. Neustále sa vyvíjal spolu s vývojom Zeme. Vždy musíme pamätať na to, že tento plyn produkuje vegetácia počas procesu fotosyntézy prostredníctvom spotreby oxidu uhličitého. A každý výrazný úbytok vegetácie v podobe ničenia lesov nevyhnutne znižuje vstup kyslíka do atmosféry, čím narúša jej rovnováhu.

Štruktúra a zloženie zemskej atmosféry, treba povedať, neboli vždy konštantné hodnoty v jednom alebo druhom období vývoja našej planéty. Dnes je vertikálna štruktúra tohto prvku, ktorý má celkovú „hrúbku“ 1,5-2,0 tisíc km, reprezentovaná niekoľkými hlavnými vrstvami, vrátane:

  1. Troposféra.
  2. Tropopauza.
  3. Stratosféra.
  4. Stratopauza.
  5. Mezosféra a mezopauza.
  6. Termosféra.
  7. Exosféra.

Základné prvky atmosféry

Troposféra je vrstva, v ktorej sa pozorujú silné vertikálne a horizontálne pohyby, tu sa formuje počasie, sedimentárne javy a klimatické podmienky. Rozprestiera sa 7-8 kilometrov od povrchu planéty takmer všade, s výnimkou polárnych oblastí (tam až 15 km). V troposfére dochádza k postupnému znižovaniu teploty, približne o 6,4 °C s každým kilometrom nadmorskej výšky. Tento ukazovateľ sa môže líšiť pre rôzne zemepisné šírky a ročné obdobia.

Zloženie zemskej atmosféry v tejto časti predstavujú tieto prvky a ich percentá:

Dusík - asi 78 percent;

Kyslík - takmer 21 percent;

Argón - asi jedno percento;

Oxid uhličitý - menej ako 0,05%.

Jednotné zloženie do nadmorskej výšky 90 kilometrov

Okrem toho tu môžete nájsť prach, kvapky vody, vodnú paru, splodiny horenia, ľadové kryštály, morské soli, množstvo aerosólových častíc atď. Toto zloženie zemskej atmosféry možno pozorovať až do výšky približne deväťdesiat kilometrov, takže vzduch je približne rovnaké v chemickom zložení nielen v troposfére, ale aj v nadložných vrstvách. Ale tam má atmosféra zásadne odlišné fyzikálne vlastnosti. Vrstva, ktorá má všeobecné chemické zloženie, sa nazýva homosféra.

Aké ďalšie prvky tvoria zemskú atmosféru? V percentách (objemovo, v suchom vzduchu) plyny ako kryptón (asi 1,14 x 10-4), xenón (8,7 x 10-7), vodík (5,0 x 10-5), metán (asi 1,7 x 10-5) sú tu zastúpené 4), oxid dusný (5,0 x 10 -5) atď. V hmotnostných percentách je najviac uvedených zložiek oxid dusný a vodík, potom hélium, kryptón atď.

Fyzikálne vlastnosti rôznych vrstiev atmosféry

Fyzikálne vlastnosti troposféry úzko súvisia s jej blízkosťou k povrchu planéty. Odtiaľ je odrazené slnečné teplo vo forme infračervených lúčov nasmerované späť nahor, čo zahŕňa procesy vedenia a konvekcie. Preto teplota klesá so vzdialenosťou od zemského povrchu. Tento jav je pozorovaný do výšky stratosféry (11-17 km), potom sa teplota takmer nemení do 34-35 km a potom teplota opäť stúpa do nadmorských výšok 50 km (horná hranica stratosféry) . Medzi stratosférou a troposférou je tenká medzivrstva tropopauzy (do 1-2 km), kde sú nad rovníkom pozorované konštantné teploty - asi mínus 70 °C a nižšie. Nad pólmi sa tropopauza v lete „vyhreje“ na mínus 45°C, v zime sa tu teploty pohybujú okolo -65°C.

Zloženie plynu zemskej atmosféry zahŕňa taký dôležitý prvok, akým je ozón. Na povrchu je ho relatívne málo (desať až mínus šiesta mocnina jedného percenta), keďže plyn vzniká vplyvom slnečného žiarenia z atómového kyslíka v horných častiach atmosféry. Najviac ozónu je najmä v nadmorskej výške okolo 25 km a celá „ozónová clona“ sa nachádza v oblastiach od 7 do 8 km na póloch, od 18 km na rovníku a celkovo do päťdesiat kilometrov nad morom. povrchu planéty.

Atmosféra chráni pred slnečným žiarením

Zloženie ovzdušia v zemskej atmosfére hrá veľmi dôležitú úlohu pri zachovaní života, keďže jednotlivé chemické prvky a zloženia úspešne obmedzujú prístup slnečného žiarenia k zemskému povrchu a ľuďom, zvieratám a rastlinám žijúcim na ňom. Napríklad molekuly vodnej pary účinne absorbujú takmer všetky rozsahy infračerveného žiarenia, s výnimkou dĺžok v rozsahu od 8 do 13 mikrónov. Ozón pohlcuje ultrafialové žiarenie až do vlnovej dĺžky 3100 A. Bez jeho tenkej vrstvy (v priemere len 3 mm, ak sa umiestni na povrch planéty) je možné použiť iba vodu v hĺbke viac ako 10 metrov a podzemné jaskyne, kde slnečné žiarenie neprenikne. dosah sa dá obývať..

Nula Celzia v stratopauze

Medzi nasledujúcimi dvoma úrovňami atmosféry, stratosférou a mezosférou, sa nachádza pozoruhodná vrstva – stratopauza. Zodpovedá približne výške ozónových maxím a teplota je tu pre človeka relatívne príjemná - okolo 0°C. Nad stratopauzou, v mezosfére (začína niekde vo výške 50 km a končí vo výške 80-90 km), je opäť pozorovaný pokles teploty s rastúcou vzdialenosťou od zemského povrchu (na mínus 70-80 °C ). Meteory zvyčajne úplne zhoria v mezosfére.

V termosfére - plus 2000 K!

Chemické zloženie zemskej atmosféry v termosfére (začína po mezopauze od nadmorských výšok cca 85-90 až 800 km) predurčuje možnosť takého javu, akým je postupné zahrievanie vrstiev veľmi riedkeho „vzduchu“ vplyvom slnečného žiarenia. . V tejto časti „vzduchovej pokrývky“ planéty sa teploty pohybujú od 200 do 2000 K, ktoré sa získavajú ionizáciou kyslíka (atómový kyslík sa nachádza nad 300 km), ako aj rekombináciou atómov kyslíka na molekuly. , sprevádzané uvoľňovaním veľkého množstva tepla. Termosféra je miesto, kde sa vyskytujú polárne žiary.

Nad termosférou sa nachádza exosféra – vonkajšia vrstva atmosféry, z ktorej môžu ľahké a rýchlo sa pohybujúce vodíkové atómy unikať do vesmíru. Chemické zloženie zemskej atmosféry je tu reprezentované väčšinou jednotlivými atómami kyslíka v spodných vrstvách, atómami hélia v stredných vrstvách a takmer výlučne atómami vodíka v horných vrstvách. Prevládajú tu vysoké teploty - okolo 3000 K a nie je tu žiadny atmosférický tlak.

Ako sa formovala zemská atmosféra?

Ale, ako už bolo spomenuté vyššie, planéta nemala vždy také zloženie atmosféry. Celkovo existujú tri koncepty pôvodu tohto prvku. Prvá hypotéza naznačuje, že atmosféra bola získaná procesom akrécie z protoplanetárneho oblaku. Dnes je však táto teória značne kritizovaná, pretože takáto primárna atmosféra mala byť zničená slnečným „vetrom“ z hviezdy v našej planetárnej sústave. Okrem toho sa predpokladá, že prchavé prvky nebolo možné udržať v zóne formovania terestrických planét kvôli príliš vysokým teplotám.

Zloženie primárnej atmosféry Zeme, ako naznačuje druhá hypotéza, mohlo vzniknúť v dôsledku aktívneho bombardovania povrchu asteroidmi a kométami, ktoré prileteli z blízkosti Slnečnej sústavy v raných štádiách vývoja. Potvrdiť alebo vyvrátiť tento koncept je dosť ťažké.

Experiment na IDG RAS

Najpravdepodobnejšia sa zdá byť tretia hypotéza, ktorá sa domnieva, že atmosféra sa objavila v dôsledku uvoľnenia plynov z plášťa zemskej kôry približne pred 4 miliardami rokov. Tento koncept bol testovaný v Ústave geografie Ruskej akadémie vied počas experimentu s názvom „Carev 2“, keď sa vzorka látky meteorického pôvodu zahrievala vo vákuu. Potom bolo zaznamenané uvoľňovanie plynov ako H 2, CH 4, CO, H 2 O, N 2 atď.. Vedci preto správne predpokladali, že chemické zloženie primárnej atmosféry Zeme zahŕňa vodu a oxid uhličitý, fluorovodík ( HF), plynný oxid uhoľnatý (CO), sírovodík (H 2 S), zlúčeniny dusíka, vodík, metán (CH 4), pary amoniaku (NH 3), argón atď. Na vzniku sa podieľala vodná para z primárnej atmosféry hydrosféry bol oxid uhličitý vo väčšej miere vo viazanom stave v organických látkach a horninách, dusík prechádzal do zloženia súčasného ovzdušia a tiež opäť do sedimentárnych hornín a organických látok.

Zloženie primárnej atmosféry Zeme by moderným ľuďom nedovolilo byť v nej bez dýchacích prístrojov, keďže vtedy tam nebol kyslík v požadovanom množstve. Tento prvok sa objavil vo významných množstvách pred jeden a pol miliardou rokov a predpokladá sa, že súvisí s vývojom procesu fotosyntézy v modrozelených a iných riasach, ktoré sú najstaršími obyvateľmi našej planéty.

Minimálne množstvo kyslíka

O tom, že zloženie zemskej atmosféry bolo spočiatku takmer bezkyslíkaté, svedčí fakt, že v najstarších (katarchejských) horninách sa nachádza ľahko oxidovateľný, ale nezoxidovaný grafit (uhlík). Následne sa objavili takzvané pásové železné rudy, ktoré obsahovali vrstvy obohatených oxidov železa, čo znamená, že sa na planéte objavil silný zdroj kyslíka v molekulárnej forme. Ale tieto prvky boli nájdené len periodicky (možno rovnaké riasy alebo iní producenti kyslíka sa objavili na malých ostrovoch v anoxickej púšti), zatiaľ čo zvyšok sveta bol anaeróbny. Toto podporuje skutočnosť, že ľahko oxidovateľný pyrit bol nájdený vo forme kamienkov spracovaných prúdením bez stôp po chemických reakciách. Keďže tečúce vody nemožno zle prevzdušňovať, vyvinul sa názor, že atmosféra pred kambriom obsahovala menej ako jedno percento dnešného kyslíkového zloženia.

Revolučná zmena v zložení vzduchu

Približne v polovici prvohôr (pred 1,8 miliardami rokov) nastala „kyslíková revolúcia“, keď svet prešiel na aeróbne dýchanie, počas ktorého možno z jednej molekuly živiny (glukózy) získať 38 a nie dve (ako napr. anaeróbne dýchanie) jednotky energie. Zloženie zemskej atmosféry, pokiaľ ide o kyslík, začalo presahovať jedno percento toho, čo je dnes, a začala sa objavovať ozónová vrstva, ktorá chráni organizmy pred žiarením. Práve od nej sa napríklad pod hrubými škrupinami „schovávali“ také staroveké zvieratá, ako sú trilobity. Odvtedy až do našej doby sa obsah hlavného „dýchacieho“ prvku postupne a pomaly zvyšoval, čím sa zabezpečila rôznorodosť vývoja foriem života na planéte.