Изменение газового состава атмосферы в прошлом и настоящем

А тмосфера – газовая оболочка Земли, именно благодаря атмосфере стало возможным зарождение и дальнейшее развитие жизни на нашей планете. Значение атмосферы для Земли колоссально – исчезнет атмосфера, исчезнет планета. Но последнее время с экранов телевизоров и динамиков радиоприемников мы все чаще и чаще слышим о проблеме загрязнения атмосферы, о проблеме разрушения озонового экрана, о губительном воздействии солнечной радиации на живые организма и человека в том числе. То тут то там происходят экологические катастрофа оказывающие в различной степени негативное воздействие на земную атмосферу непосредственно влияя на её газовый состав. К сожалению, приходиться констатировать, что атмосфера с каждым годом промышленной деятельности человека становиться всё меньше и меньше пригодной для нормальной жизнедеятельности живых организмов.

В своей работе я стремлюсь рассмотреть всю историю земной атмосферы, а именно её газового состава, начиная с момента образования и заканчивая нашим временем. При этом, затронув начальный этап развития атмосферы, первичный и нынешний газовый, а так же причины и следствия его изменения.

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, SiO2, H2S)»(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.

[pic]Рис.1 Химический состав атмосферы (Неклюкова, 1976).

Доминирующие газы. 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 1015 тонн свободного кислорода, тогда как в земной коре его наверняка больше
1019 тонн»(1). Самый распространенный элемент на Земле (рис. 2).

[pic]

Рис. 2 Соотношение кислорода и других химических элементов на Земле

(Бгатов, 1985).
Именно благодаря нему возможно дыхание живых организмов. Кислород химически активен, легко вступает в реакции со многими химическими элементами и соединениями. Известны три изотопа кислорода – 16O, 17O, 18O. В обычных условиях их содержание в атмосфере составляет соответственно (%) 99,74,
0,04 и 0,20. «Сильнейшим окислителем является трехатомное соединение кислорода – озон (О3). 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 (CO2). Углекислый газ необходим растениям, так как используется ими для дыхания. Содержание CO2 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).

[pic]

Рис. 3 «График увеличения содержания CO2 в атмосфере в период с 19-20 вв.

(Неклюкова 1976).

Такое изменение содержания CO2, 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

[pic]

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).

[pic] рис. 5 Концентрация атмосферного CO2 (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 CO2 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).

|ГОД |2000 |2025 |2050 |
|t( |1 |1,5 |2 |

Таблица 1. Прогноз потепления температуры на Земле (Максаковский,

1996).

Рис. 6 График потепления температуры на Земле (Мирская, 1997).

По данным (таблица 1, рис. 6) можно предположить, что к 2050 году температура на Земле в среднем повыситься на 2 градуса, поэтому можно смело говорить о глобальном потеплении климата на планете Земля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы установлен целый ряд закономерностей, происходящих в результате изменения газового состава атмосферы.

Состав атмосферы не оставался постоянным, а изменялся во времени, чутко реагируя на события и явления, происходящие на земной поверхности.
Химический состав первичной атмосферы в корне не похож на состав атмосферы наших дней.

В результате активной промышленной деятельности человека существенные изменения в газовом составе атмосфере происходили лишь в последние два столетия, но даже и столь незначительного времени хватило для сильного загрязнения атмосферы и начала разрушения озонового экрана планеты.

Главное следствие всех этих изменений – глобальное потепление климата на Земле. В среднем, установлено, что примерно к 2050 году среднегодовая температура повыситься на два градуса, что должно привести к повышению уровня мирового океана, и затоплению прибрежных районов материков.

Как не прискорбно это осознавать, но тенденции удручающие. В ближайшие 1000 лет возможно сильнейшее усиление парникового эффекта и следствием этого будет не только таяние вековых бедняков, но и вымирание живых организмов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бгатов В.И. История кислорода земной атмосферы. – М.: Недра, 1985.

2. Грэбхем С. Вокруг света. – Нью-Йорк: Кингфишер, 1995.

3. Неклюкова Н.П. Общее землеведение. – М.: Просвещение, 1976.

4. Костицын В.А. Эволюция атмосферы биосферы и климата. – М.: Наука,

1984.

5. Максаковский В.П. Географическая картина мира. – Ярославль: Вехне-

Волжское книжное издательство, 1996.

6. Мезенцев В.А. Энциклопедия чудес. – М.: Знание, 1983.

7. Мирская Е. Погода, - Лондон: Дорлинг Киндерсли Лимитед, 1997.

8. Чандлер Т. Воздух вокруг нас. – Л.: Гидрометеоиздат, 1974.

-----------------------
[pic]

кислород

другие

азот

кислород

аргон

СО2

другие