Строение газовой оболочки Земли

Газовая оболочка Земли – ее атмосфера, как и другие земные оболочки, включая гидросферу и биосферу, является производной внутренней активности планеты. Она формировалась за счет дегазации и вулканизма из зоны астеносферы. Следовательно, масса атмосферы и ее химический состав непрерывно эволюционировали в истории Земли.

Современная атмосфера имеет азотно-кислородный состав: 78,1% – азота, 20,9% – кислорода. В ней также содержится от 0,3 до 3% паров воды, 0,9% аргона и 0,03% углекислого газа. Среди примесей присутствуют неон, криптон, водород, метан и другие газы. Такой состав атмосфера имеет до высоты 100 – 120 км при общей толщине газовой оболочки 1800 – 2000 км.

Поскольку земная атмосфера является продуктом внутренней активности планеты, то следовало бы ожидать, что ее состав будет близок составу глубинных газов, т.е. она должна была содержать водород, метан, аммиак, сероводород, углекислоту, различные вулканические дымы более сложного состава. По всей вероятности, такая атмосфера была в начале жизни Земли. Будем называть ее первичной. Однако такая атмосфера не будет устойчивой. С началом фотолиза, в результате которого молекула воды диссоциирует на атом водорода и радикал гидроксила Н2О ® Н+ + ОН-, гидроксильные радикалы, взаимодействуя друг с другом, а также участвуя в процессах органического синтеза, образуют молекулы перекиси водорода с последующим распадом их на воду и свободный молекулярный кислород (Кесарев, 1976):

4НО ® 2Н2О2 ® 2Н2О + О2. Свободные атомы водорода, не вошедшие в реакции, поднимаются в верхние зоны атмосферы, где они образуют протоносферу и диссипируют в космос. Молекула кислорода достаточно велика и массивна, чтобы диссипировать. Поэтому кислород, опускаясь под действием силы тяжести в нижние зоны атмосферы, становится важнейшим его компонентом. Постепенно накапливаясь, кислород положил начало химическим процессам в земной атмосфере. Благодаря химической активности атмосферного кислорода в первичной атмосфере начались процессы окисления глубинных газов. Образовавшиеся при этом окислы выпадали в осадок. При этом часть газов, в том числе и метана, не вышла на поверхность планеты и осталась в коллекторах земной коры. В верхних горизонтах астеносферы – низах земной коры – вполне могли образовываться органические соединения по схеме: Н + СО2 + NН2 ® органические соединения, давшие начало глубинной нефти, газу.

Процесс фотолитического образования кислорода атмосферы был основным в начале геологической эволюции Земли. Источником паров воды могли быть только вулканы. По мере очищения первичной атмосферы от глубинных газов и формирования вторичной, основными компонентами которой были углекислота и двуокись азота, создавались условия для появления фотосинтезирующих растений типа сине-зеленых водорослей. С их появлением процесс насыщения атмосферы кислородом значительно ускорился. При ассимиляции углекислоты атмосферы зелеными растениями образовывался кислород, а при освоении почвенными бактериями – двуокись азота – азот.

Таким образом неустойчивая вторичная атмосфера переходит в третичную атмосферу, состоящую из смеси свободных молекул азота и кислорода. Степень устойчивости этой современной атмосферы определяется массой планеты и температурой ее газовой оболочки. Очевидно, что диссипация атмосферы начнется в том случае, когда параболическая скорость отрывающейся от Земли молекулы газа Vпар будет меньше среднеквадратичной скорости ее теплового движения V2:

,

где Т – температура;

V – скорость;

M – молекулярный вес газа;

k – постоянная Больцмана. k = 1,38· 10-23 Дж/К.

Подставляя под знак корня значения известных величин и полагая Т в периоды солнечной активности равной 1600 К, находим, что при Т/M < 420 происходит диссипация газа атмосферы. Нетрудно увидеть, что Земля будет непрерывно терять газы с молекулярным весом M £ 4. Это значит, что земная атмосфера не способна удерживать водород и гелий, которые будут непрерывно диссипировать. Так, время полной диссипации всего атмосферного водорода при Т = 1600 К составляет четыре года, гелия – 1,6 млн. лет, кислорода – 1029 лет. Постоянное присутствие в атмосфере водорода и гелия свидетельствует о непрерывном пополнении ими газовой оболочки за счет глубинных газов планеты.

Полезные статьи

Природа Китая
Западная, большая, часть территории Китая - обширные пустынные и полупустынные горные области с суровым климатом и высоко лежащие столь же пустынные ...

Корейский полуостров
По природным условиям северная часть Корейского полуострова близка Северо-Восточному Китаю, южная Японским островам. Полуостров служил своеобразным ...

Сельское хозяйство.
Сельское хозяйство развито в южных регионах края, где расположены высокопродуктивные пахотные земли, а также в пригородных районах; на севере – олей ...