Учение о сферах земли

Граница атмосферы  Земли

Принято считать, что граница атмосферы  Земли и ионосферы находится на высоте 118 километров. Это показывает анализ параметров движения высокоэнергетических частиц, перемещающихся в атмосфере и ионосфере.

Термосфера

Верхний предел — около 800 км. Температура  растёт до высот 200—300 км, где достигает  значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») — основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца. В периоды низкой активности — например, в 2008—2009 гг — происходит заметное уменьшение размеров этого слоя[4].

Термопауза

Область атмосферы прилегающая  сверху к термосфере. В этой области  поглощение солнечного излучения незначительно  и температура фактически не меняется с высотой.

Экзосфера (сфера рассеяния)

Экзосфера — зона рассеяния, внешняя  часть термосферы, расположенная  выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежён, и отсюда идёт утечка его  частиц в межпланетное пространство (диссипация).

До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких  слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых  газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура  понижается от 0 °C в стратосфере  до −110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200—250 км соответствует температуре ~150 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности  газов во времени и пространстве.

На высоте около 2000—3500 км экзосфера  постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который  заполнен сильно разрежёнными частицами  межпланетного газа, главным образом  атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного  вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и  метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно  разрежённых пылевидных частиц, в  это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы  — около 20 %; масса мезосферы —  не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании  электрических свойств в атмосфере  выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что  атмосфера простирается до высоты 2000—3000 км.

В зависимости от состава газа в  атмосфере выделяют гомосферу и  гетеросферу. Гетеросфера — это  область, где гравитация оказывает  влияние на разделение газов, так  как их перемешивание на такой  высоте незначительно. Отсюда следует  переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими  слоями называется турбопаузой, она  лежит на высоте около 120 км.

Физиологические и другие свойства атмосферы

Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без  адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается  физиологическая зона атмосферы. Дыхание  человека становится невозможным на высоте 9 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород.

Атмосфера снабжает нас необходимым  для дыхания кислородом. Однако вследствие падения общего давления атмосферы  по мере подъёма на высоту соответственно снижается и парциальное давление кислорода.

В лёгких человека постоянно содержится около 3 л альвеолярного воздуха. Парциальное давление кислорода  в альвеолярном воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет 110 мм рт. ст., давление углекислого газа — 40 мм рт. ст., а паров воды — 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное  давление паров воды и углекислоты  в лёгких остаётся почти постоянным — около 87 мм рт. ст. Поступление  кислорода в лёгкие полностью  прекратится, когда давление окружающего  воздуха станет равным этой величине.

На высоте около 19—20 км давление атмосферы  снижается до 47 мм рт. ст. Поэтому  на данной высоте начинается кипение  воды и межтканевой жидкости в  организме человека. Вне герметической  кабины на этих высотах смерть наступает  почти мгновенно. Таким образом, с точки зрения физиологии человека, «космос» начинается уже на высоте 15—19 км.

Плотные слои воздуха — тропосфера и стратосфера — защищают нас  от поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное  действие на организм оказывает ионизирующая радиация — первичные космические  лучи; на высотах более 40 км действует  опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

По мере подъёма на всё большую  высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью  исчезают такие привычные для  нас явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение  звука, возникновение аэродинамической подъёмной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и др.

В разреженных слоях воздуха  распространение звука оказывается  невозможным. До высот 60—90 км ещё возможно использование сопротивления и  подъёмной силы воздуха для управляемого аэродинамического полёта. Но начиная  с высот 100—130 км знакомые каждому  лётчику понятия числа М и  звукового барьера теряют свой смысл: там проходит условная линия Кармана, за которой начинается область чисто  баллистического полёта, управлять  которым можно, лишь используя реактивные силы.

На высотах выше 100 км атмосфера  лишена и другого замечательного свойства — способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции (т. е. с  помощью перемешивания воздуха). Это значит, что различные элементы оборудования, аппаратуры орбитальной космической станции не смогут охлаждаться снаружи так, как это делается обычно на самолёте, — с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является тепловое излучение.

История образования атмосферы

Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли во времени  пребывала в трёх различных составах. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных  из межпланетного пространства. Это  так называемая первичная атмосфера (около четырех миллиардов лет  назад)[источник не указан 366 дней]. На следующем  этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы  и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком, водяным  паром). Так образовалась вторичная  атмосфера (около трех миллиардов лет[источник не указан 291 день] до наших дней). Эта  атмосфера была восстановительной. Далее процесс образования атмосферы  определялся следующими факторами:

утечка легких газов (водорода и  гелия) в межпланетное пространство;

химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового  излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов.

Постепенно эти факторы привели  к образованию третичной атмосферы, характеризующейся гораздо меньшим  содержанием водорода и гораздо  большим — азота и углекислого  газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

Азот

Образование большого количества азота N2 обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом О2, который стал поступать с поверхности  планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Также  азот N2 выделяется в атмосферу в  результате денитрификации нитратов и  других азотсодержащих соединений. Азот окисляется озоном до NO в верхних слоях атмосферы.

Азот N2 вступает в реакции лишь в специфических условиях (например, при разряде молнии). Окисление  молекулярного азота озоном при  электрических разрядах в малых  количествах используется в промышленном изготовлении азотных удобрений. Окислять его с малыми энергозатратами  и переводить в биологически активную форму могут цианобактерии (сине-зелёные  водоросли) и клубеньковые бактерии, формирующие ризобиальный симбиоз  с бобовыми растениями, т. н. сидератами.

Кислород

Состав атмосферы начал радикально меняться с появлением на Земле живых  организмов, в результате фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода  и поглощением углекислого газа. Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений — аммиака, углеводородов, закисной формы железа, содержавшейся в океанах и др. По окончании данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку это вызвало серьёзные и резкие изменения многих процессов, протекающих в атмосфере, литосфере и биосфере, это событие получило название Кислородная катастрофа.

В течение фанерозоя состав атмосферы  и содержание кислорода претерпевали изменения. Они коррелировали прежде всего со скоростью отложения  органических осадочных пород. Так, в периоды угленакопления содержание кислорода в атмосфере, видимо, заметно  превышало современный уровень.

Углекислый газ

Содержание в атмосфере СО2 зависит  от вулканической деятельности и  химических процессов в земных оболочках, но более всего — от интенсивности  биосинтеза и разложения органики в  биосфере Земли. Практически вся  текущая биомасса планеты (около 2,4·1012 тонн) образуется за счет углекислоты, азота и водяного пара, содержащихся в атмосферном воздухе. Захороненная в океане, в болотах и в лесах органика превращается в уголь, нефть и природный газ.

Благородные газы

Источник инертных газов — аргона, гелия и криптона — вулканические  извержения и распад радиоактивных  элементов. Земля в целом и  атмосфера в частности обеднены инертными газами по сравнению с  космосом. Считается, что причина  этого заключена в непрерывной  утечке газов в межпланетное пространство[источник не указан 291 день].

Загрязнение атмосферы

В последнее время на эволюцию атмосферы  стал оказывать влияние человек. Результатом его деятельности стал постоянный значительный рост содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива, накопленного в предыдущие геологические  эпохи. Громадные количества СО2 потребляются при фотосинтезе и поглощаются  мировым океаном. Этот газ поступает  в атмосферу благодаря разложению карбонатных горных пород и органических веществ растительного и животного  происхождения, а также вследствие вулканизма и производственной деятельности человека. За последние 100 лет содержание СО2 в атмосфере возросло на 10 %, причём основная часть (360 млрд тонн) поступила  в результате сжигания топлива. Если темпы роста сжигания топлива  сохранятся, то в ближайшие 200—300 лет  количество СО2 в атмосфере удвоится и может привести к глобальным изменениям климата.

Сжигание топлива — основной источник и загрязняющих газов (СО, NO, SO2). Диоксид серы окисляется кислородом воздуха до SO3 в верхних слоях  атмосферы, который в свою очередь  взаимодействует с парами воды и  аммиака, а образующиеся при этом серная кислота (Н2SO4) и сульфат аммония ((NH4)2SO4) возвращаются на поверхность  Земли в виде т. н. кислотных дождей. Использование двигателей внутреннего  сгорания приводит к значительному загрязнению атмосферы оксидами азота, углеводородами и соединениями свинца (тетраэтилсвинец Pb(CH3CH2)4)).

Аэрозольное загрязнение атмосферы  обусловлено как естественными  причинами (извержение вулканов, пыльные  бури, унос капель морской воды и  пыльцы растений и др.), так и хозяйственной  деятельностью человека (добыча руд  и строительных материалов, сжигание топлива, изготовление цемента и  т. п.). Интенсивный широкомасштабный вынос твёрдых частиц в атмосферу  — одна из возможных причин изменений  климата планеты.

Учение Вернадского о  ноосфере

Идеи выдающегося русского ученого  и мыслителя академика В. И. Вернадского (1863-1945) всегда привлекали внимание не только специалистов-геохимиков, но также  экологов и философов . Однако, как  часто бывает, научный гений намного  опередил эпоху. Лишь спустя более полувека учение Вернадского о биосфере и  ноосфере стало по-настоящему актуальным, позволяя решать не только практические, но и мировоззренческие задачи, стоящие  перед современным человечеством.

Научное и практическое значение Вернадского  как основателя учения о биосфере состоит в том, что он впервые  глубоко обосновал единство человека и биосферы.

Согласно современным представлениям, биосфера - это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в  непрерывном обмене с этими организмами. Возникновение жизни и биосферы представляют собой проблему современного естествознания. Постепенное развитие живого вещества в пределах биосферы, к переходу ее в ноосферу ( от греческого "ноос" -разум).

Ноосфера ("ноос" - по-гречески означает разум, дух. ) - новое эмоциональное  состояние биосферы, при котором  разумная деятельность человека становится решающим фактором ее развития. Для  ноосферы характерно взаимодействие человека и природы: связь законов природы  с законами мышления и социально-экономическими законами. Особенно ярко и вдохновенно  писал Вернадский о воздействии  человеческой деятельности на природу  в работе “Несколько слов о ноосфере", созданной в 1943 году: “Лик планеты - биосферы - химически резко меняется человеком сознательно и главным  образом бессознательно. Меняются человеком  физически и химически воздушная  оболочка суши, все ее природные  воды. В результате роста человеческой культуры ХХ веке все более резко  стали меняться ( химически и биологически ) прибрежные моря и части океана. ...Сверх того человеком создаются  новые виды и расы животных и растений.”