Oglaševanje na portalu

Atmosfera, njena sestava in struktura. Funkcije ozračja. Atmosferska sestava Atmosferske razmere

Zdi se, da je izrazito povečanje prostega kisika v Zemljini atmosferi pred 2,4 milijarde let posledica zelo hitrega prehoda iz enega ravnotežnega stanja v drugega. Prva raven je ustrezala izjemno nizki koncentraciji O 2 - približno 100.000-krat nižji od tiste, ki jo opažamo zdaj. Drugo ravnotežno raven bi lahko dosegli pri višji koncentraciji, ne manj kot 0,005 od sodobne. Za vsebnost kisika med tema dvema nivojema je značilna izjemna nestabilnost. Prisotnost takšne "bistabilnosti" omogoča razumevanje, zakaj je bilo v Zemljinem ozračju tako malo prostega kisika vsaj 300 milijonov let po tem, ko so ga cianobakterije (modrozelene "alge") začele proizvajati.

Trenutno je Zemljina atmosfera sestavljena iz 20 % prostega kisika, ki ni nič drugega kot stranski produkt fotosinteze cianobakterij, alg in višjih rastlin. Veliko kisika sproščajo tropski gozdovi, ki jih v priljubljenih publikacijah pogosto imenujejo pljuča planeta. Ob tem pa se zamolči, da tropski gozdovi med letom porabijo skoraj toliko kisika, kot ga proizvedejo. Porabi se za dihanje organizmov, ki razgrajujejo končno organsko snov - predvsem bakterij in gliv. Za to, Da bi se kisik začel kopičiti v ozračju, je treba vsaj del snovi, ki nastane med fotosintezo, odstraniti iz cikla- na primer pride v talne usedline in postane nedostopen bakterijam, ki ga razgrajujejo aerobno, torej s porabo kisika.

Celotno reakcijo kisikove fotosinteze (to je "dajanje kisika") fotosinteze lahko zapišemo kot:
CO 2 + H 2 O + hν→ (CH 2 O) + O 2,
Kje hν je energija sončne svetlobe in (CH 2 O) je posplošena formula organske snovi. Dihanje je obraten proces, ki ga lahko zapišemo kot:
(CH 2 O) + O 2 → CO 2 + H 2 O.
Hkrati se bo sprostila energija, potrebna za organizme. Vendar pa je aerobno dihanje možno le pri koncentraciji O 2, ki ni nižja od 0,01 sodobne ravni (tako imenovana Pasteurjeva točka). V anaerobnih pogojih se organske snovi razgradijo s fermentacijo, v končnih fazah tega procesa pa pogosto nastane metan. Na primer, posplošena enačba za metanogenezo skozi tvorbo acetata izgleda takole:
2(CH 2 O) → CH 3 COOH → CH 4 + CO 2.
Če združimo proces fotosinteze s kasnejšo razgradnjo organske snovi v anaerobnih pogojih, bo splošna enačba videti tako:
CO 2 + H 2 O + hν→ 1/2 CH 4 + 1/2 CO 2 + O 2.
Prav ta pot razgradnje organske snovi je bila očitno glavna v starodavni biosferi.

Številne pomembne podrobnosti o tem, kako je bilo vzpostavljeno sodobno ravnovesje med dovajanjem in odstranjevanjem kisika iz ozračja, ostajajo nejasne. Navsezadnje se je opazno povečanje vsebnosti kisika, tako imenovana "velika oksidacija atmosfere", zgodila šele pred 2,4 milijarde let, čeprav je zagotovo znano, da so bile cianobakterije, ki izvajajo kisikovo fotosintezo, precej številne in aktivne že 2,7 milijarde let. in so nastali še prej – morda pred 3 milijardami let. Tako znotraj vsaj 300 milijonov let aktivnost cianobakterij ni povzročila povečanja vsebnosti kisika v ozračju.

Predpostavka, da je iz nekega razloga nenadoma prišlo do radikalnega povečanja neto primarne produkcije (to je povečanja organske snovi, nastale med fotosintezo cianobakterij), ni vzdržala kritike. Dejstvo je, da se med fotosintezo porablja predvsem lahki izotop ogljika 12 C, v okolju pa se poveča relativna vsebnost težjega izotopa 13 C, zato morajo biti pridnene usedline, ki vsebujejo organske snovi, osiromašene z izotopom 13 C, ki se kopiči v vodi in gre za tvorbo karbonatov. Razmerje 12 C proti 13 C v karbonatih in v organski snovi sedimentov pa ostaja nespremenjeno kljub korenitim spremembam koncentracije kisika v ozračju. To pomeni, da vsa poanta ni v izvoru O 2, ampak v njegovem, kot pravijo geokemiki, "ponoru" (odvzemu iz atmosfere), ki se je nenadoma močno zmanjšal, kar je povzročilo znatno povečanje količine kisika. v atmosferi.

Običajno se verjame, da je bil tik pred »veliko oksidacijo atmosfere« ves takrat nastali kisik porabljen za oksidacijo reduciranih železovih spojin (in nato žvepla), ki jih je bilo na površju Zemlje precej. Takrat so nastale zlasti tako imenovane »pasaste železove rude«. Nedavno pa je Colin Goldblatt, podiplomski študent na Fakulteti za okoljske znanosti na Univerzi East Anglia (Norwich, Združeno kraljestvo), skupaj z dvema kolegoma z iste univerze prišel do zaključka, da je lahko vsebnost kisika v zemeljskem ozračju v eno od dveh ravnovesnih stanj: lahko je bodisi zelo majhno - približno 100 tisočkrat manj kot zdaj, bodisi že precej (čeprav je s položaja sodobnega opazovalca majhno) - nič manj kot 0,005 sodobne ravni.

V predlaganem modelu so upoštevali vstop v atmosfero tako kisika kot reduciranih spojin, pri čemer so bili pozorni predvsem na razmerje prostega kisika in metana. Opazili so, da če koncentracija kisika preseže 0,0002 trenutne ravni, lahko nekaj metana že oksidira metanotrofna bakterija v skladu z reakcijo:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O.
Toda preostali del metana (in tega je precej, zlasti pri nizkih koncentracijah kisika) vstopi v ozračje.

Celoten sistem je s termodinamičnega vidika v neravnotežnem stanju. Glavni mehanizem za vzpostavitev porušenega ravnovesja je oksidacija metana v zgornjih plasteh atmosfere s hidroksilnim radikalom (glej Nihanje metana v atmosferi: človek ali narava - kdo zmaga, "Elementi", 10/06/2006). Znano je, da hidroksilni radikal nastaja v atmosferi pod vplivom ultravijoličnega sevanja. Če pa je v atmosferi veliko kisika (vsaj 0,005 trenutne ravni), potem se v njegovih zgornjih plasteh oblikuje ozonski zaslon, ki dobro ščiti Zemljo pred močnimi ultravijoličnimi žarki in hkrati moti fizikalno-kemične oksidacija metana.

Avtorji prihajajo do nekoliko paradoksalne ugotovitve, da sam obstoj kisikove fotosinteze ni zadosten pogoj niti za nastanek s kisikom bogate atmosfere niti za nastanek ozonskega zaslona. To okoliščino je treba upoštevati v primerih, ko poskušamo najti znake obstoja življenja na drugih planetih na podlagi rezultatov raziskave njihove atmosfere.

Atmosfera (iz grščine ατμός - "para" in σφαῖρα - "krogla") je plinska lupina nebesnega telesa, ki jo okoli sebe drži gravitacija. Ozračje je plinasta lupina planeta, sestavljena iz mešanice različnih plinov, vodne pare in prahu. Atmosfera izmenjuje snovi med Zemljo in vesoljem. Zemlja sprejema vesoljski prah in meteoritsko snov, izgublja pa najlažja plina: vodik in helij. Zemljino atmosfero skozi in skozi prodira močno sončno sevanje, ki določa toplotni režim površine planeta, povzroča disociacijo molekul atmosferskih plinov in ionizacijo atomov.

Zemljina atmosfera vsebuje kisik, ki ga večina živih organizmov uporablja za dihanje, in ogljikov dioksid, ki ga porabijo rastline, alge in cianobakterije med fotosintezo. Ozračje je tudi zaščitna plast planeta, ki ščiti njegove prebivalce pred sončnim ultravijoličnim sevanjem.

Vsa masivna telesa - zemeljski planeti in plinasti velikani - imajo atmosfero.

Atmosferska sestava

Atmosfera je mešanica plinov, ki jo sestavljajo dušik (78,08%), kisik (20,95%), ogljikov dioksid (0,03%), argon (0,93%), majhna količina helija, neona, ksenona, kriptona (0,01%), 0,038 % ogljikovega dioksida in majhne količine vodika, helija, drugih žlahtnih plinov in onesnaževal.

Sodobna sestava zemeljskega zraka je bila vzpostavljena pred več kot sto milijoni let, vendar je močno povečana človeška proizvodna dejavnost kljub temu povzročila njeno spremembo. Trenutno se vsebnost CO 2 poveča za približno 10-12 %, v atmosferi pa opravljajo različne funkcionalne vloge. Vendar pa glavni pomen teh plinov določa predvsem dejstvo, da zelo močno absorbirajo sevalno energijo in s tem pomembno vplivajo na temperaturni režim zemeljske površine in atmosfere.

Začetna sestava atmosfere planeta je običajno odvisna od kemičnih in temperaturnih lastnosti sonca med nastajanjem planeta in kasnejšim sproščanjem zunanjih plinov. Nato se sestava plinske lupine razvija pod vplivom različnih dejavnikov.

Atmosferi Venere in Marsa sta v glavnem sestavljeni iz ogljikovega dioksida z manjšimi dodatki dušika, argona, kisika in drugih plinov. Zemljina atmosfera je v veliki meri produkt organizmov, ki živijo v njej. Nizkotemperaturni plinski velikani - Jupiter, Saturn, Uran in Neptun - lahko zadržijo predvsem pline z nizko molekulsko maso - vodik in helij. Visokotemperaturni plinski velikani, kot sta Osiris ali 51 Pegasi b, nasprotno, tega ne morejo zadržati in molekule njihove atmosfere so razpršene v vesolju. Ta proces poteka počasi in nenehno.

dušik, Najpogostejši plin v ozračju, je kemično malo aktiven.

kisik, za razliko od dušika, je kemično zelo aktiven element. Posebna funkcija kisika je oksidacija organskih snovi heterotrofnih organizmov, kamnin in premalo oksidiranih plinov, ki jih v ozračje izpuščajo vulkani. Brez kisika ne bi prišlo do razgradnje mrtve organske snovi.

Struktura atmosfere

Zgradbo ozračja sestavljata dva dela: notranji - troposfera, stratosfera, mezosfera in termosfera ali ionosfera, in zunanji - magnetosfera (eksosfera).

1) Troposfera– to je spodnji del atmosfere, v katerem je koncentriranih 3/4 tj. ~ 80 % celotne zemeljske atmosfere. Njeno višino določa intenzivnost navpičnih (naraščajočih ali padajočih) zračnih tokov, ki jih povzroča segrevanje zemeljskega površja in oceana, zato je debelina troposfere na ekvatorju 16–18 km, v zmernih širinah 10–11 km in na polih – do 8 km. Temperatura zraka v troposferi na višini se zniža za 0,6ºС na vsakih 100 m in se giblje od +40 do -50ºС.

2) Stratosfera se nahaja nad troposfero in ima višino do 50 km od površine planeta. Temperatura na nadmorski višini do 30 km je konstantna -50ºС. Nato se začne dvigovati in na nadmorski višini 50 km doseže +10ºС.

Zgornja meja biosfere je ozonski zaslon.

Ozonski zaslon je plast ozračja v stratosferi, ki se nahaja na različnih višinah od zemeljske površine in ima največjo gostoto ozona na nadmorski višini 20-26 km.

Višina ozonske plasti na polih je ocenjena na 7-8 km, na ekvatorju na 17-18 km, največja višina prisotnosti ozona pa je 45-50 km. Življenje nad ozonskim ščitom je nemogoče zaradi močnega ultravijoličnega sevanja Sonca. Če stisnete vse molekule ozona, boste okoli planeta dobili ~ 3 mm debelo plast.

3) Mezosfera– zgornja meja te plasti se nahaja do višine 80 km. Njegova glavna značilnost je močan padec temperature -90ºС na zgornji meji. Tu so zabeleženi nočni oblaki, sestavljeni iz ledenih kristalov.

4) Ionosfera (termosfera) - se nahaja do nadmorske višine 800 km in je značilno znatno povišanje temperature:

150 km temperatura +240ºС,

200 km temperatura +500ºС,

600 km temperatura +1500ºС.

Pod vplivom ultravijoličnega sevanja Sonca so plini v ioniziranem stanju. Ionizacija je povezana s sijem plinov in pojavom aurore.

Ionosfera ima sposobnost večkratnega odbijanja radijskih valov, kar zagotavlja radijsko komunikacijo na velikem dosegu na planetu.

5) Eksosfera– se nahaja nad 800 km in se razprostira do 3000 km. Tu je temperatura >2000ºС. Hitrost gibanja plina se približuje kritični ~ 11,2 km/s. Prevladujoča atoma sta vodik in helij, ki tvorita svetlobno korono okoli Zemlje, ki sega do višine 20.000 km.

Funkcije ozračja

1) Termoregulacija - vreme in podnebje na Zemlji sta odvisna od porazdelitve toplote in tlaka.

2) Vzdrževanje življenja.

3) V troposferi se pojavljajo globalna vertikalna in horizontalna gibanja zračnih mas, ki določajo kroženje vode in izmenjavo toplote.

4) Skoraj vsi površinski geološki procesi so posledica interakcije atmosfere, litosfere in hidrosfere.

5) Zaščitna – atmosfera ščiti zemljo pred vesoljem, sončnim sevanjem in meteoritnim prahom.

Funkcije ozračja. Brez ozračja bi bilo življenje na Zemlji nemogoče. Oseba dnevno porabi 12-15 kg. zraka, vsako minuto vdihne od 5 do 100 litrov, kar znatno presega povprečno dnevno potrebo po hrani in vodi. Poleg tega ozračje ljudi zanesljivo ščiti pred nevarnostmi, ki jim grozijo iz vesolja: ne prepušča meteoritov ali kozmičnega sevanja. Človek lahko živi brez hrane pet tednov, brez vode pet dni, brez zraka pet minut. Normalno človeško življenje ne zahteva samo zraka, ampak tudi njegovo določeno čistost. Od kakovosti zraka je odvisno zdravje ljudi, stanje flore in favne, trdnost in vzdržljivost gradbenih konstrukcij in konstrukcij. Onesnažen zrak je uničujoč za vode, tla, morja in tla. Ozračje določa svetlobo in uravnava toplotne režime zemlje, prispeva k prerazporeditvi toplote na svetu. Plinski ovoj ščiti Zemljo pred prekomernim ohlajanjem in segrevanjem. Če našega planeta ne bi obdajal zračni ovoj, bi v enem dnevu amplituda temperaturnih nihanj dosegla 200 C. Atmosfera rešuje vse živo na Zemlji pred uničujočimi ultravijoličnimi, rentgenskimi in kozmičnimi žarki. Ozračje ima veliko vlogo pri porazdelitvi svetlobe. Njegov zrak razbije sončne žarke na milijon majhnih žarkov, jih razprši in ustvari enakomerno osvetlitev. Atmosfera služi kot prevodnik zvokov.

Troposfera - spodnja zelo tanka plast atmosfere, visoka 8-18 km, v kateri je koncentrirano 80% mase zemeljske atmosfere.

Pomen atmosferskega O 2 za biološke in geokemične procese na Zemlji je izjemno velik. Zato znanstveniki že dolgo preučujejo, kako se je vsebnost kisika spreminjala v zgodovini našega planeta. To lahko razumemo z izračunom parcialnega tlaka O 2 in N 2 v skupnem atmosferskem tlaku.

Kljub dolgi zgodovini problematike strokovnjaki še vedno nimajo enotnega mnenja o spremembah atmosferskega tlaka v zadnjih 500 milijonih let. Izračuni se razlikujejo za do 0,2 atm (glej diagram spodaj). Tudi v zadnjih nekaj milijonih let ni jasne slike o tem, kako natančno so se spremenili atmosferski tlak, delni tlak in s tem koncentracije O 2 .

Vprašanje ni enostavno, saj kisik iz atmosfere nenehno porabljajo živali, rastline in celo kamni. Skupina znanstvenikov z univerze Princeton je to vprašanje razjasnila s preučevanjem koncentracije zračnih mehurčkov v ledenih jedrih z Grenlandije in Antarktike.

Ledeno jedro iz globine 1837 m z vidnimi letnimi plastmi

Danes so ledena jedra najbolj zanesljiv in natančen vir podatkov o atmosferskem tlaku. Največja starost ledu v jedrih je 800 tisoč let, zato so raziskave omejene na ta časovni interval.


Kopanje ledenih jeder na raziskovalni postaji Vostok na Antarktiki

Izkazalo se je, da v tem času prihaja do dokaj stabilnega uhajanja kisika iz Zemlje s hitrostjo približno 8,4 ppm na milijon let. Zlasti v zadnjih 800.000 letih je bilo v ozračju približno 0,7 % manj kisika.


Grafikon na levi prikazuje, kako se rezultati znanstvenega modeliranja razlikujejo med atmosferskim razmerjem O 2 /N 2 in parcialnim tlakom. Diagram na desni prikazuje spremembo parcialnega tlaka na podlagi rezultatov merjenja zračnih mehurčkov v ledenih jedrih v 800 tisoč letih

"Te meritve smo naredili bolj iz zanimanja kot za potrditev teorije," je eden od avtorjev znanstvenega dela Daniel Stolper. "Nismo vedeli, kaj se bo zgodilo: ali se bo kisik z leti povečal, zmanjšal ali ostal na konstantni ravni."

Zmanjšanje količine kisika v atmosferi poteka precej počasi. Verjetno še milijone let ne bo ogrozil človeškega življenja. Toda informacije o naravi takih ciklov so zelo pomembne za znanost. Vedeti moramo, kateri dejavniki vplivajo na spremembe. Te podatke je mogoče med drugim uporabiti pri teraformiranju Marsa, ko ljudje začnejo poseljevati Rdeči planet. Verjetno bomo morali povečati količino kisika v Marsovi atmosferi.

Tudi na Zemlji prvih nekaj milijard let ni bilo kisika. Najverjetnejša teorija je, da so se ravni kisika povečale pred približno 2,4 milijarde let zaradi aktivnosti cianobakterij, znanih tudi kot modrozelene alge. To obdobje dramatičnih sprememb v sestavi ozračja, ki mu sledi prestrukturiranje biosfere in globalno huronsko poledenitev v Zemljini zgodovini, je znano kot kisikova katastrofa.


Modrozelene alge so razlog, da se je pred 2,4 milijarde let na Zemlji pojavil kisik v velikih količinah in je nastalo naprednejše življenje

Enako kisikovo katastrofo lahko povzročimo na Marsu.

Znanstveniki še niso dosegli soglasja o tem, zakaj zemeljska atmosfera počasi izgublja kisik. Obstajata dve hipotezi. Ena je, da je to posledica povečane stopnje erozije, ki iz tal odstrani več kamenja, ki oksidira in veže več kisika. Druga teorija se nanaša na podnebne spremembe: temperature so se v zadnjih nekaj milijonih let nekoliko znižale, kljub močnemu povečanju v zadnjih desetletjih. Zaradi znižanja temperature bi se lahko sprožila veriga okoljskih reakcij, zaradi česar se je v Svetovnem oceanu začelo raztapljati in vezati več kisika.

Za zdaj so vse to le hipoteze, ki jih je treba preveriti.

Zemljina atmosfera trenutno vsebuje 78,09 % dušika, 20,95 % kisika, 0,93 % argona, 0,039 % ogljikovega dioksida in majhne količine drugih plinov. Nenehno spreminja tudi koncentracijo vodne pare, ki velja za enega glavnih toplogrednih plinov. Na gladini oceana je koncentracija H2O v atmosferi približno 1 %, v povprečju pa okoli 0,4 %. Skupna masa ozračja je 5,5 × 10 18 kg, to je 5,5 zetagramov ali 5,5 petatonov.


Kopičenje kisika v zemeljski atmosferi. Zeleni graf je spodnja ocena ravni kisika, rdeči graf je zgornja ocena. 1. 3,85-2,45 milijarde let nazaj. 2. Pred 2,45-1,85 milijardami let: začetek proizvodnje kisika in njegove absorpcije v oceanih in kamninah morskega dna. 3. Pred 1,85-0,85 milijarde let: oksidacija kamnin na kopnem. 4. Pred 0,85-0,54 milijarde let: vse kamnine na kopnem so oksidirane, začne se kopičenje kisika v ozračju. 5. Pred 0,54 milijarde let - sedanjost

Kisik iz zemeljskega ozračja uhaja počasi. Toda znanstveniki poudarjajo, da njihova študija ne vsebuje podatkov o spremembah ravni kisika v zadnjih 200 letih, po začetku industrijske revolucije, ko so ljudje začeli aktivno oksidirati ogljikovodike iz črevesja zemlje, prejemajo energijo iz te kemične reakcije in veže velike količine kisika iz ozračja. »Kisika porabimo tisočkrat več kot prej,« pravi Daniel Stolper. "Človeštvo je popolnoma zaprlo cikel [kisika] in sežgalo na tisoče ton ogljika ... To je dodaten dokaz, da lahko ljudje s sodelovanjem bistveno pospešijo naravne procese na Zemlji."

Za razliko od vročih in hladnih planetov našega osončja obstajajo na Zemlji razmere, ki omogočajo življenje v neki obliki. Eden glavnih pogojev je sestava ozračja, ki daje vsem živim bitjem možnost svobodnega dihanja in jih ščiti pred smrtonosnim sevanjem, ki vlada v vesolju.

Iz česa je sestavljeno ozračje?

Zemljino ozračje je sestavljeno iz številnih plinov. V bistvu ki zavzema 77%. Plin, brez katerega je življenje na Zemlji nepredstavljivo, zavzema veliko manjšo prostornino, vsebnost kisika v zraku je enaka 21% celotne prostornine atmosfere. Zadnja 2% je mešanica različnih plinov, vključno z argonom, helijem, neonom, kriptonom in drugimi.

Zemljina atmosfera se dvigne do višine 8 tisoč km. Zrak, primeren za dihanje, se nahaja le v nižji plasti atmosfere, v troposferi, ki na polih sega 8 km, nad ekvatorjem pa 16 km. Z višanjem nadmorske višine postaja zrak redkejši in vse večje je pomanjkanje kisika. Da bi ugotovili, kakšna je vsebnost kisika v zraku na različnih nadmorskih višinah, navedimo primer. Na vrhu Everesta (višina 8848 m) je v zraku 3-krat manj tega plina kot nad morsko gladino. Zato se lahko osvajalci visokogorskih vrhov – plezalci – na njen vrh povzpnejo le v kisikovih maskah.

Kisik je glavni pogoj za preživetje na planetu

Na začetku obstoja Zemlje zrak, ki jo je obdajal, v svoji sestavi ni imel tega plina. To je bilo povsem primerno za življenje protozojev - enoceličnih molekul, ki so plavale v oceanu. Niso potrebovali kisika. Proces se je začel pred približno 2 milijonoma let, ko so prvi živi organizmi zaradi reakcije fotosinteze začeli sproščati majhne odmerke tega plina, pridobljenega kot posledica kemičnih reakcij, najprej v ocean, nato v ozračje. . Življenje se je na planetu razvilo in prevzelo različne oblike, od katerih večina ni preživela v sodobnem času. Nekateri organizmi so se sčasoma prilagodili na življenje z novim plinom.

Naučili so se varno izkoristiti njegovo moč znotraj celice, kjer je deloval kot elektrarna za pridobivanje energije iz hrane. Ta način uporabe kisika imenujemo dihanje in to počnemo vsako sekundo. Prav dihanje je omogočilo nastanek kompleksnejših organizmov in ljudi. Skozi milijone let se je vsebnost kisika v zraku dvignila na sodobno raven – približno 21 %. Kopičenje tega plina v ozračju je prispevalo k nastanku ozonske plasti na nadmorski višini 8-30 km od zemeljske površine. Hkrati je planet prejel zaščito pred škodljivimi učinki ultravijoličnih žarkov. Nadaljnji razvoj življenjskih oblik na vodi in kopnem se je hitro povečal zaradi povečane fotosinteze.

Anaerobno življenje

Čeprav so se nekateri organizmi prilagodili naraščajočim količinam sproščenega plina, so številne najpreprostejše oblike življenja, ki so obstajale na Zemlji, izginile. Drugi organizmi so preživeli tako, da so se skrivali pred kisikom. Nekatere od njih danes živijo v koreninah stročnic, pri čemer uporabljajo dušik iz zraka za gradnjo aminokislin za rastline. Smrtonosni organizem botulizem je še en begunec pred kisikom. Brez težav preživi v vakuumsko pakiranih konzerviranih živilih.

Kakšna raven kisika je optimalna za življenje?

Prezgodaj rojeni otroci, katerih pljuča še niso popolnoma odprta za dihanje, končajo v posebnih inkubatorjih. V njih je vsebnost kisika v zraku prostorninsko višja in namesto običajnih 21% je njegova raven nastavljena na 30-40%. Dojenčki s hudimi težavami z dihanjem so obdani z zrakom s 100-odstotnim nivojem kisika, da preprečijo poškodbe otrokovih možganov. Bivanje v takih okoliščinah izboljša kisikov režim tkiv, ki so v stanju hipoksije, in normalizira njihove vitalne funkcije. Toda preveč ga je v zraku enako nevarno kot premalo. Prekomerna količina kisika v otrokovi krvi lahko poškoduje krvne žile v očeh in povzroči izgubo vida. To kaže na dvojnost lastnosti plina. Za življenje ga moramo dihati, vendar lahko njegov presežek včasih postane strup za telo.

Postopek oksidacije

Ko se kisik združi z vodikom ali ogljikom, pride do reakcije, imenovane oksidacija. Ta proces povzroči, da organske molekule, ki so osnova življenja, razpadejo. V človeškem telesu se oksidacija pojavi na naslednji način. Rdeče krvničke zbirajo kisik iz pljuč in ga prenašajo po telesu. Obstaja proces uničenja molekul hrane, ki jo zaužijemo. Ta proces sprošča energijo, vodo in za seboj pušča ogljikov dioksid. Slednjo krvne celice izločijo nazaj v pljuča, izdihnemo pa jo v zrak. Oseba se lahko zaduši, če ne more dihati več kot 5 minut.

dih

Razmislimo o vsebnosti kisika v vdihanem zraku, ki pri vdihu vstopi v pljuča od zunaj, imenujemo vdihani, zrak, ki pri izdihu izstopa skozi dihala, pa izdihani.

Je mešanica zraka, ki je napolnil alveole, s tistim v dihalih. Kemična sestava zraka, ki ga zdrava oseba vdihne in izdihne v naravnih razmerah, se praktično ne spremeni in je izražena v naslednjih številkah.

Kisik je glavna sestavina zraka za življenje. Spremembe količine tega plina v ozračju so majhne. Če vsebnost kisika v zraku ob morju doseže do 20,99 %, potem tudi v zelo onesnaženem zraku industrijskih mest njegova raven ne pade pod 20,5 %. Takšne spremembe ne kažejo učinkov na človeško telo. Fiziološke motnje se pojavijo, ko odstotek kisika v zraku pade na 16-17%. V tem primeru je očitno, da vodi do močnega zmanjšanja vitalne aktivnosti, in ko je vsebnost kisika v zraku 7-8%, je možna smrt.

Vzdušje v različnih obdobjih

Sestava ozračja je vedno vplivala na razvoj. V različnih geoloških obdobjih so zaradi naravnih nesreč opazili dvige ali padce ravni kisika, kar je povzročilo spremembe v biosistemu. Pred približno 300 milijoni let se je njegova vsebnost v atmosferi povečala na 35%, planet pa so kolonizirale žuželke velikanske velikosti. Največje izumrtje živih bitij v zgodovini Zemlje se je zgodilo pred približno 250 milijoni let. Med njim je umrlo več kot 90% prebivalcev oceana in 75% prebivalcev kopnega. Ena različica množičnega izumrtja pravi, da je bil krivec nizka raven kisika v zraku. Količina tega plina je padla na 12 %, in to v spodnji plasti ozračja do nadmorske višine 5300 metrov. V naši dobi vsebnost kisika v atmosferskem zraku doseže 20,9%, kar je 0,7% manj kot pred 800 tisoč leti. Te številke so potrdili znanstveniki z univerze Princeton, ki so pregledali vzorce grenlandskega in atlantskega ledu, ki je nastal v tem času. Zamrznjena voda je ohranila zračne mehurčke in to dejstvo pomaga izračunati raven kisika v ozračju.

Kaj določa njegovo raven v zraku?

Njegovo aktivno absorpcijo iz ozračja lahko povzroči gibanje ledenikov. Ko se oddaljujejo, razkrijejo velikanska področja organskih plasti, ki porabljajo kisik. Drug razlog je lahko hlajenje vode Svetovnega oceana: njegove bakterije pri nižjih temperaturah bolj aktivno absorbirajo kisik. Raziskovalci trdijo, da industrijski skok in s tem kurjenje ogromnih količin goriva nimata posebnega vpliva. Svetovni oceani se ohlajajo že 15 milijonov let, količina snovi, ki podpirajo življenje, v ozračju pa se je zmanjšala ne glede na vpliv človeka. Verjetno se na Zemlji dogajajo naravni procesi, zaradi katerih je poraba kisika večja od njegove proizvodnje.

Vpliv človeka na sestavo ozračja

Pogovorimo se o vplivu človeka na sestavo zraka. Raven, ki jo imamo danes, je idealna za živa bitja, vsebnost kisika v zraku je 21 %; Ravnovesje med njim in drugimi plini je določeno z življenjskim ciklom v naravi: živali izdihajo ogljikov dioksid, rastline ga uporabijo in sproščajo kisik.

Vendar ni nobenega zagotovila, da bo ta raven vedno konstantna. Količina izpuščenega ogljikovega dioksida v ozračje narašča. To je posledica človeške uporabe goriva. In kot veste, je nastala iz fosilov organskega izvora in ogljikov dioksid vstopa v zrak. Medtem pa se največje rastline na našem planetu, drevesa, uničujejo vse hitreje. V minuti izginejo kilometri gozda. To pomeni, da nekaj kisika v zraku postopoma upada in znanstveniki že oglašajo alarm. Zemljino ozračje ni brezmejno skladišče in kisik ne vstopa vanj od zunaj. Nenehno se je razvijal skupaj z razvojem Zemlje. Vedno se moramo zavedati, da ta plin proizvaja vegetacija med procesom fotosinteze s porabo ogljikovega dioksida. In vsako znatno zmanjšanje vegetacije v obliki uničenja gozdov neizogibno zmanjša vstop kisika v ozračje in s tem poruši njegovo ravnovesje.

Struktura in sestava zemeljske atmosfere, je treba reči, nista bili vedno stalni vrednosti v enem ali drugem obdobju razvoja našega planeta. Danes je navpična struktura tega elementa, ki ima skupno "debelino" 1,5-2,0 tisoč km, predstavljena z več glavnimi plastmi, vključno z:

  1. Troposfera.
  2. Tropopavza.
  3. Stratosfera.
  4. Stratopavza.
  5. Mezosfera in mezopavza.
  6. Termosfera.
  7. Eksosfera.

Osnovni elementi ozračja

Troposfera je plast, v kateri so opazna močna vertikalna in horizontalna gibanja, tu nastajajo vremenski, sedimentni pojavi in ​​podnebne razmere. Razteza se 7-8 kilometrov od površine planeta skoraj povsod, z izjemo polarnih regij (tam do 15 km). V troposferi se temperatura postopoma znižuje, približno za 6,4 °C z vsakim kilometrom nadmorske višine. Ta indikator se lahko razlikuje za različne zemljepisne širine in letne čase.

Sestavo zemeljske atmosfere v tem delu predstavljajo naslednji elementi in njihovi odstotki:

Dušik - približno 78 odstotkov;

Kisik - skoraj 21 odstotkov;

Argon - približno en odstotek;

Ogljikov dioksid - manj kot 0,05%.

Enotna kompozicija do višine 90 kilometrov

Poleg tega lahko tukaj najdete prah, vodne kapljice, vodno paro, produkte izgorevanja, ledene kristale, morske soli, številne aerosolne delce itd. To sestavo zemeljske atmosfere opazujemo do približno devetdeset kilometrov nadmorske višine, zato je zrak približno enaka po kemični sestavi, ne samo v troposferi, ampak tudi v plasteh, ki ležijo na njej. Toda tam ima atmosfera bistveno drugačne fizikalne lastnosti. Plast, ki ima splošno kemijsko sestavo, se imenuje homosfera.

Kateri drugi elementi sestavljajo zemeljsko atmosfero? V odstotkih (volumensko, v suhem zraku) plini, kot so kripton (približno 1,14 x 10 -4), ksenon (8,7 x 10 -7), vodik (5,0 x 10 -5), metan (približno 1,7 x 10 -5) 4), dušikov oksid (5,0 x 10 -5) itd. V masnih odstotkih je največ dušikovega oksida in vodika, sledijo helij, kripton itd.

Fizikalne lastnosti različnih atmosferskih plasti

Fizikalne lastnosti troposfere so tesno povezane z njeno bližino površini planeta. Od tod se odbita sončna toplota v obliki infrardečih žarkov usmeri nazaj navzgor, pri čemer sodelujejo procesi prevodnosti in konvekcije. Zato temperatura pada z oddaljenostjo od zemeljske površine. Ta pojav opazimo do višine stratosfere (11-17 kilometrov), nato temperatura postane skoraj nespremenjena do 34-35 km, nato pa se temperatura ponovno dvigne do višine 50 kilometrov (zgornja meja stratosfere). . Med stratosfero in troposfero je tanka vmesna plast tropopavze (do 1-2 km), kjer opazimo stalne temperature nad ekvatorjem - približno minus 70 ° C in nižje. Nad poli se tropopavza poleti "segreje" do minus 45 °C, pozimi se temperature tukaj gibljejo okoli -65 °C.

Plinska sestava zemeljske atmosfere vključuje tako pomemben element, kot je ozon. Na površju ga je razmeroma malo (deset na minus šesto potenco enega odstotka), saj plin nastaja pod vplivom sončne svetlobe iz atomarnega kisika v zgornjih delih ozračja. Predvsem je največ ozona na nadmorski višini okoli 25 km, celoten »ozonski zaslon« pa se nahaja na območjih od 7-8 km na polih, od 18 km na ekvatorju in do skupno petdeset kilometrov nad površino planeta.

Ozračje ščiti pred sončnim sevanjem

Sestava zraka v zemeljski atmosferi igra zelo pomembno vlogo pri ohranjanju življenja, saj posamezni kemični elementi in sestave uspešno omejujejo dostop sončnega sevanja do zemeljskega površja in ljudi, živali in rastlin, ki živijo na njem. Na primer, molekule vodne pare učinkovito absorbirajo skoraj vse razpone infrardečega sevanja, z izjemo dolžin v območju od 8 do 13 mikronov. Ozon absorbira ultravijolično sevanje do valovne dolžine 3100 A. Brez njegove tanke plasti (v povprečju le 3 mm, če ga položimo na površje planeta) je le voda na globini več kot 10 metrov in podzemne jame, kjer sončno sevanje ne doseg lahko naseljen.

Nič Celzija v stratopavzi

Med naslednjima dvema nivojema atmosfere, stratosfero in mezosfero, je izjemna plast - stratopavza. Približno ustreza višini ozonskih maksimumov in temperatura je tukaj relativno ugodna za človeka - približno 0 °C. Nad stratopavzo, v mezosferi (začne se nekje na nadmorski višini 50 km in konča na nadmorski višini 80-90 km), ponovno opazimo padec temperature z naraščajočo oddaljenostjo od zemeljske površine (na minus 70-80 ° C). ). Meteorji običajno popolnoma zgorijo v mezosferi.

V termosferi - plus 2000 K!

Kemična sestava zemeljske atmosfere v termosferi (začne se po mezopavzi od višin približno 85-90 do 800 km) določa možnost takega pojava, kot je postopno segrevanje plasti zelo redkega "zraka" pod vplivom sončnega sevanja. . V tem delu "zračne odeje" planeta se temperature gibljejo od 200 do 2000 K, ki nastanejo zaradi ionizacije kisika (atomski kisik se nahaja nad 300 km), pa tudi zaradi rekombinacije atomov kisika v molekule. , ki ga spremlja sproščanje velike količine toplote. Termosfera je tam, kjer se pojavljajo aurore.

Nad termosfero je eksosfera – zunanja plast atmosfere, iz katere lahko svetloba in hitro premikajoči se atomi vodika uhajajo v vesolje. Kemično sestavo zemeljske atmosfere tukaj predstavljajo večinoma posamezni atomi kisika v nižjih plasteh, atomi helija v srednjih plasteh in skoraj izključno atomi vodika v zgornjih plasteh. Tu prevladujejo visoke temperature - okoli 3000 K in ni atmosferskega tlaka.

Kako je nastala zemeljska atmosfera?

Toda, kot je bilo omenjeno zgoraj, planet ni imel vedno takšne atmosferske sestave. Skupaj obstajajo trije koncepti izvora tega elementa. Prva hipoteza nakazuje, da je atmosfera nastala skozi proces akrecije iz protoplanetarnega oblaka. Vendar pa je danes ta teorija podvržena precejšnjim kritikam, saj naj bi tako primarno atmosfero uničil sončni "veter" iz zvezde v našem planetarnem sistemu. Poleg tega se domneva, da se hlapni elementi zaradi previsokih temperatur ne morejo zadržati v območju nastajanja zemeljskih planetov.

Sestava Zemljine primarne atmosfere, kot nakazuje druga hipoteza, bi lahko nastala zaradi aktivnega bombardiranja površja z asteroidi in kometi, ki so prispeli iz bližine Osončja v zgodnjih fazah razvoja. Ta koncept je precej težko potrditi ali ovreči.

Eksperiment na Inštitutu za geografijo RAS

Najbolj verjetna se zdi tretja hipoteza, ki meni, da je atmosfera nastala kot posledica sproščanja plinov iz plašča zemeljske skorje pred približno 4 milijardami let. Ta koncept je bil preizkušen na Inštitutu za geografijo Ruske akademije znanosti med eksperimentom, imenovanim "Tsarev 2", ko so vzorec snovi meteorskega izvora segrevali v vakuumu. Potem so zabeležili izpust plinov, kot so H 2, CH 4, CO, H 2 O, N 2 itd. Zato so znanstveniki upravičeno domnevali, da kemična sestava primarne atmosfere Zemlje vključuje vodo in ogljikov dioksid, vodikov fluorid (. HF), plin ogljikov monoksid (CO), vodikov sulfid (H 2 S), dušikove spojine, vodik, metan (CH 4), amonijeve pare (NH 3), argon itd. Pri nastanku je sodelovala vodna para iz primarne atmosfere. hidrosfere je bil ogljikov dioksid v večji meri v vezanem stanju v organskih snoveh in kamninah, dušik je prešel v sestavo sodobnega zraka in tudi ponovno v sedimentne kamnine in organske snovi.

Sestava Zemljine primarne atmosfere sodobnemu človeku ne bi omogočila, da bi bil v njej brez dihalnih aparatov, saj takrat ni bilo kisika v potrebnih količinah. Ta element se je v znatnih količinah pojavil pred milijardo in pol let, domnevno v povezavi z razvojem procesa fotosinteze v modrozelenih in drugih algah, ki so najstarejši prebivalci našega planeta.

Najmanj kisika

Da je bila sestava zemeljske atmosfere sprva skoraj brez kisika, pove podatek, da se v najstarejših (katarhejskih) kamninah nahaja lahko oksidiran, ne pa oksidiran grafit (ogljik). Kasneje so se pojavile tako imenovane trakaste železove rude, ki so vključevale plasti obogatenih železovih oksidov, kar pomeni pojav na planetu močnega vira kisika v molekularni obliki. Toda te elemente so našli le občasno (morda so se iste alge ali drugi proizvajalci kisika pojavili na majhnih otokih v puščavi brez kisika), medtem ko je bil preostali svet anaeroben. Slednje podpira dejstvo, da je bil lahko oksidiran pirit najden v obliki kamenčkov, obdelanih s pretokom brez sledi kemičnih reakcij. Ker tekoče vode ne morejo biti slabo prezračene, se je razvilo mnenje, da je ozračje pred kambrijem vsebovalo manj kot en odstotek današnje sestave kisika.

Revolucionarna sprememba sestave zraka

Približno sredi proterozoika (pred 1,8 milijarde let) je prišlo do »kisikove revolucije«, ko je svet prešel na aerobno dihanje, med katerim je mogoče iz ene molekule hranila (glukoze) pridobiti 38 in ne dveh (kot pri anaerobno dihanje) enote energije. Sestava Zemljine atmosfere je po vsebnosti kisika začela presegati en odstotek današnje in začela se je pojavljati ozonska plast, ki ščiti organizme pred sevanjem. Od nje so se na primer tako starodavne živali, kot so trilobiti, "skrivale" pod debelimi lupinami. Od takrat do našega časa se je vsebnost glavnega "dihalnega" elementa postopoma in počasi povečevala, kar je zagotovilo raznolikost razvoja življenjskih oblik na planetu.