Postotak dušika u zemljinoj atmosferi je. Atmosfera

Atmosfera(od grčkog atmos - para i spharia - lopta) - zračna ljuska Zemlje, koja se okreće s njom. Razvoj atmosfere bio je usko povezan s geološkim i geokemijskim procesima koji su se odvijali na našem planetu, kao i s aktivnostima živih organizama.

Donja granica atmosfere poklapa se s površinom Zemlje, budući da zrak prodire u najmanje pore u tlu i otapa se čak iu vodi.

Gornja granica na visini od 2000-3000 km postupno prelazi u svemir.

Atmosfera bogata kisikom omogućuje život na Zemlji. Atmosferski kisik koriste u procesu disanja ljudi, životinje i biljke.

Da nema atmosfere, Zemlja bi bila tiha kao Mjesec. Uostalom, zvuk je vibracija čestica zraka. Plava boja neba objašnjava se činjenicom da se sunčeve zrake, prolazeći kroz atmosferu, kao kroz leću, razlažu na svoje sastavne boje. U ovom slučaju najviše se raspršuju zrake plave i plave boje.

Atmosfera zadržava najveći dio ultraljubičastog zračenja Sunca koje štetno djeluje na žive organizme. Također zadržava toplinu na površini Zemlje, sprječavajući hlađenje našeg planeta.

Struktura atmosfere

U atmosferi se može razlikovati nekoliko slojeva koji se razlikuju po gustoći i gustoći (slika 1).

Troposfera

Troposfera- najniži sloj atmosfere, čija je debljina iznad polova 8-10 km, u umjerenim geografskim širinama - 10-12 km, a iznad ekvatora - 16-18 km.

Riža. 1. Građa Zemljine atmosfere

Zrak u troposferi se zagrijava Zemljina površina, tj. sa zemlje i vode. Stoga temperatura zraka u ovom sloju opada s visinom prosječno za 0,6 °C na svakih 100 m. Na gornjoj granici troposfere doseže -55 °C. Istodobno, u području ekvatora na gornjoj granici troposfere temperatura zraka iznosi -70 °S, a u području Sjevernog pola -65 °S.

U troposferi je koncentrirano oko 80% mase atmosfere, nalazi se gotovo sva vodena para, javljaju se grmljavinska nevremena, oluje, naoblaka i oborine, a događa se i vertikalno (konvekcija) i horizontalno (vjetar) gibanje zraka.

Možemo reći da se vrijeme uglavnom formira u troposferi.

Stratosfera

Stratosfera- sloj atmosfere koji se nalazi iznad troposfere na visini od 8 do 50 km. Boja neba u ovom sloju izgleda ljubičasta, što se objašnjava razrijeđenošću zraka, zbog čega se sunčeve zrake gotovo ne raspršuju.

Stratosfera sadrži 20% mase atmosfere. Zrak u ovom sloju je razrijeđen, vodene pare praktički nema, pa se gotovo i ne stvaraju oblaci i oborine. Međutim, u stratosferi se uočavaju stabilne zračne struje čija brzina doseže 300 km / h.

Ovaj sloj je koncentriran ozon(ozon screen, ozonosfera), sloj koji upija ultraljubičaste zrake, sprječavajući ih da dopru do Zemlje i time štite žive organizme na našem planetu. Zbog ozona temperatura zraka na gornjoj granici stratosfere je u rasponu od -50 do 4-55 °C.

Između mezosfere i stratosfere nalazi se prijelazna zona – stratopauza.

Mezosfera

Mezosfera- sloj atmosfere koji se nalazi na visini od 50-80 km. Gustoća zraka ovdje je 200 puta manja nego na površini Zemlje. Boja neba u mezosferi izgleda crna, zvijezde su vidljive danju. Temperatura zraka pada do -75 (-90)°C.

Na visini od 80 km počinje termosfera. Temperatura zraka u tom sloju naglo raste do visine od 250 m, a zatim postaje stalna: na visini od 150 km doseže 220-240 °C; na visini od 500-600 km prelazi 1500 °C.

U mezosferi i termosferi pod djelovanjem kozmičkih zraka molekule plina se raspadaju na nabijene (ionizirane) čestice atoma, pa se ovaj dio atmosfere naziva ionosfera- sloj vrlo prorijeđenog zraka, koji se nalazi na visini od 50 do 1000 km, sastoji se uglavnom od ioniziranih atoma kisika, molekula dušikovog oksida i slobodnih elektrona. Ovaj sloj karakterizira visoka elektrifikacija, a dugi i srednji radiovalovi se reflektiraju od njega, kao od zrcala.

U ionosferi postoje polarne svjetlosti- uočava se sjaj razrijeđenih plinova pod utjecajem električki nabijenih čestica koje lete sa Sunca - i oštre fluktuacije magnetskog polja.

Egzosfera

Egzosfera- vanjski sloj atmosfere, koji se nalazi iznad 1000 km. Ovaj se sloj naziva i sfera raspršenja, jer se čestice plina ovdje kreću velikom brzinom i mogu se raspršiti u svemir.

Sastav atmosfere

Atmosfera je mješavina plinova koja se sastoji od dušika (78,08%), kisika (20,95%), ugljičnog dioksida (0,03%), argona (0,93%), male količine helija, neona, ksenona, kriptona (0,01%), ozona i drugih plinova, ali je njihov sadržaj zanemariv (Tablica 1). Suvremeni sastav Zemljinog zraka uspostavljen je prije više od stotinu milijuna godina, no naglo povećana ljudska proizvodna aktivnost dovela je do njegove promjene. Trenutno se bilježi porast udjela CO 2 za oko 10-12%.

Plinovi u atmosferi obavljaju razne funkcionalne uloge. Međutim, glavno značenje ovih plinova određeno je prvenstveno činjenicom da oni vrlo snažno apsorbiraju energiju zračenja i time značajno utječu na temperaturni režim Zemljine površine i atmosfere.

Tablica 1. Kemijski sastav suhog atmosferskog zraka u blizini zemljine površine

Dušik, najčešći plin u atmosferi, kemijski malo aktivan.

Kisik, za razliku od dušika, kemijski je vrlo aktivan element. Specifična funkcija kisika je oksidacija organske tvari heterotrofnih organizama, stijena i nepotpuno oksidiranih plinova koje u atmosferu ispuštaju vulkani. Bez kisika ne bi bilo razgradnje mrtve organske tvari.

Uloga ugljičnog dioksida u atmosferi iznimno je velika. U atmosferu ulazi kao rezultat procesa izgaranja, disanja živih organizama, truljenja i prije svega je glavni građevni materijal za stvaranje organske tvari tijekom fotosinteze. Osim toga, od velike je važnosti svojstvo ugljičnog dioksida da propušta kratkovalno sunčevo zračenje i apsorbira dio toplinskog dugovalnog zračenja, što će stvoriti tzv. efekt staklenika, o čemu će biti riječi u nastavku.

Utjecaj na atmosferske procese, posebice na toplinski režim stratosfere, također ima ozon. Ovaj plin služi kao prirodni apsorber sunčevog ultraljubičastog zračenja, a apsorpcija sunčevog zračenja dovodi do zagrijavanja zraka. Prosječne mjesečne vrijednosti ukupnog sadržaja ozona u atmosferi variraju ovisno o geografskoj širini područja i godišnjem dobu unutar 0,23-0,52 cm (ovo je debljina ozonskog omotača pri tlaku i temperaturi tla). Postoji porast sadržaja ozona od ekvatora prema polovima i godišnja varijacija s minimumom u jesen i maksimumom u proljeće.

Karakteristično svojstvo atmosfere može se nazvati činjenicom da se sadržaj glavnih plinova (dušik, kisik, argon) neznatno mijenja s visinom: na nadmorskoj visini od 65 km u atmosferi sadržaj dušika iznosi 86%, kisika - 19 , argon - 0,91, na nadmorskoj visini od 95 km - dušik 77, kisik - 21,3, argon - 0,82%. Stalnost sastava atmosferskog zraka vertikalno i horizontalno održava se njegovim miješanjem.

Osim plinova, zrak sadrži vodena para i čvrste čestice. Potonji mogu imati prirodno i umjetno (antropogeno) podrijetlo. To su cvjetni pelud, sitni kristali soli, cestovna prašina, aerosolne nečistoće. Kada sunčeve zrake prodru kroz prozor, vide se golim okom.

Posebno mnogo čestica ima u zraku gradova i velikih industrijskih centara, gdje se aerosolima dodaju emisije štetnih plinova i njihove nečistoće nastale izgaranjem goriva.

Koncentracija aerosola u atmosferi određuje prozirnost zraka, što utječe na sunčevo zračenje koje dopire do površine Zemlje. Najveći aerosoli su kondenzacijske jezgre (od lat. condensatio- zbijanje, zgušnjavanje) - doprinose pretvaranju vodene pare u kapljice vode.

Vrijednost vodene pare određena je prvenstveno činjenicom da ona zadržava dugovalno toplinsko zračenje zemljine površine; predstavlja glavnu kariku velikih i malih ciklusa vlage; podiže temperaturu zraka kada se vodeni slojevi kondenziraju.

Količina vodene pare u atmosferi varira u vremenu i prostoru. Tako se koncentracija vodene pare u blizini zemljine površine kreće od 3% u tropima do 2-10 (15)% na Antarktici.

Prosječni sadržaj vodene pare u vertikalnom stupcu atmosfere u umjerenim geografskim širinama je oko 1,6-1,7 cm (sloj kondenzirane vodene pare će imati takvu debljinu). Podaci o vodenoj pari u različitim slojevima atmosfere su kontradiktorni. Pretpostavljeno je, primjerice, da u rasponu nadmorske visine od 20 do 30 km specifična vlažnost snažno raste s visinom. Međutim, naknadna mjerenja ukazuju na veću suhoću stratosfere. Čini se da specifična vlažnost u stratosferi malo ovisi o visini i iznosi 2–4 mg/kg.

Varijabilnost sadržaja vodene pare u troposferi određena je međudjelovanjem isparavanja, kondenzacije i horizontalnog transporta. Kao rezultat kondenzacije vodene pare nastaju oblaci i padavine u obliku kiše, tuče i snijega.

Procesi faznih prijelaza vode odvijaju se uglavnom u troposferi, zbog čega se oblaci u stratosferi (na visinama od 20-30 km) i mezosferi (blizu mezopauze), zvani sedef i srebro, opažaju relativno rijetko. , dok troposferski oblaci često pokrivaju oko 50% cjelokupne Zemljine površine.

Količina vodene pare koja se može sadržavati u zraku ovisi o temperaturi zraka.

1 m 3 zraka na temperaturi od -20 ° C može sadržavati najviše 1 g vode; na 0 ° C - ne više od 5 g; na +10 °S - ne više od 9 g; na +30 °S - ne više od 30 g vode.

Zaključak:Što je viša temperatura zraka, to može sadržavati više vodene pare.

Zrak može biti bogati i nije zasićeno pare. Dakle, ako pri temperaturi od +30 ° C 1 m 3 zraka sadrži 15 g vodene pare, zrak nije zasićen vodenom parom; ako je 30 g - zasićeno.

Apsolutna vlažnost- ovo je količina vodene pare sadržana u 1 m 3 zraka. Izražava se u gramima. Na primjer, ako kažu "apsolutna vlažnost je 15", to znači da 1 mL sadrži 15 g vodene pare.

Relativna vlažnost- ovo je omjer (u postocima) stvarnog sadržaja vodene pare u 1 m 3 zraka prema količini vodene pare koja se može sadržavati u 1 m L pri određenoj temperaturi. Na primjer, ako se na radiju emitira vremenska prognoza da je relativna vlažnost zraka 70%, to znači da zrak sadrži 70% vodene pare koju može zadržati na određenoj temperaturi.

Što je veća relativna vlažnost zraka, t. što je zrak bliže zasićenju, veća je vjerojatnost da će pasti.

Uvijek visoka (do 90%) relativna vlažnost zraka opažena je u ekvatorijalnom pojasu, budući da je tijekom cijele godine visoka temperatura zraka i postoji veliko isparavanje s površine oceana. Jednako visoka relativna vlažnost zraka je i u polarnim krajevima, ali samo zato što na niske temperaturečak i mala količina vodene pare čini zrak zasićenim ili blizu zasićenja. U umjerenim geografskim širinama relativna vlažnost zraka varira sezonski - viša je zimi, a niža ljeti.

Relativna vlažnost zraka posebno je niska u pustinjama: tamo 1 m 1 zraka sadrži dva do tri puta manje od moguće količine vodene pare pri određenoj temperaturi.

Za mjerenje relativne vlažnosti zraka koristi se higrometar (od grč. hygros – mokar i metreco – mjerim).

Kada se ohladi, zasićeni zrak ne može zadržati istu količinu vodene pare u sebi, on se zgušnjava (kondenzira) pretvarajući se u kapljice magle. Magla se može promatrati ljeti u vedroj hladnoj noći.

Oblaci- ovo je ista magla, samo što se ne formira na površini zemlje, već na određenoj visini. Kako se zrak diže, on se hladi i vodena para u njemu se kondenzira. Dobivene sitne kapljice vode čine oblake.

uključeni u stvaranje oblaka Određena stvar suspendiran u troposferi.

Oblaci mogu imati različit oblik, što ovisi o uvjetima njihova nastanka (tablica 14).

Najniži i najteži oblaci su stratusi. Nalaze se na nadmorskoj visini od 2 km od površine zemlje. Na visini od 2 do 8 km mogu se uočiti slikovitiji kumulusi. Najviši i najlakši su cirusi. Nalaze se na nadmorskoj visini od 8 do 18 km iznad površine zemlje.

Zaštita atmosfere

Glavni izvor su industrijska poduzeća i automobile. U velikim gradovima problem onečišćenja plinom glavnih prometnih pravaca vrlo je akutan. Zato je u mnogim velikim gradovima svijeta, pa tako i kod nas, uvedena ekološka kontrola toksičnosti ispušnih plinova automobila. Prema mišljenju stručnjaka, dim i prašina u zraku mogu prepoloviti dotok sunčeve energije prema zemljinoj površini, što će dovesti do promjene prirodnih uvjeta.

Stranica 6 od 10

Uloga dušika u Zemljinoj atmosferi.

Dušik je glavni element Zemljine atmosfere. Njegova glavna uloga je reguliranje brzine oksidacije razrjeđivanjem kisika. Dakle, dušik utječe na brzinu i intenzitet bioloških procesa.

Dva su međusobno povezana načina ekstrakcije dušika iz Zemljine atmosfere:

• 1) anorganski,
• 2) biokemijski.

Slika 1. Geokemijski ciklus dušika (V.A. Vronsky, G.V. Voitkevich)

Anorganska ekstrakcija dušika iz Zemljine atmosfere.

U Zemljinoj atmosferi pod djelovanjem električnih pražnjenja (tijekom grmljavinske oluje) ili u procesu fotokemijskih reakcija ( solarno zračenje) nastaju dušikovi spojevi (N 2 O, N 2 O 5, NO 2, NH 3 itd.). Ovi spojevi, otapajući se u kišnici, padaju na tlo zajedno s oborinama, padajući u tlo i vodu oceana.

Biološka fiksacija dušika

Biološko vezanje atmosferskog dušika provodi se:

• - u tlu - kvržične bakterije u simbiozi sa više biljke,
• - u vodi - plankton mikroorganizmi i alge.

Količina biološki vezanog dušika znatno je veća od anorganski vezanog.

Kako se dušik vraća u Zemljinu atmosferu?

Ostaci živih organizama razgrađuju se kao posljedica izlaganja brojnim mikroorganizmima. U tom procesu dušik, koji je dio proteina organizama, prolazi kroz niz transformacija:

• - u procesu razgradnje bjelančevina nastaje amonijak i njegovi derivati ​​koji zatim dospijevaju u zrak i vodu oceana,
• - u budućnosti, amonijak i drugi organski spojevi koji sadrže dušik pod utjecajem bakterija Nitrosomonas i nitrobakterija stvaraju različite dušikove okside (N 2 O, NO, N 2 O 3 i N 2 O 5). Ovaj proces se zove nitrifikacija,
• Dušična kiselina reagira s metalima stvarajući soli. Ove soli napadaju denitrifikacijske bakterije,
• - u procesu denitrifikacija nastaje elementarni dušik koji se vraća natrag u atmosferu (primjer su podzemni plinski mlazovi koji se sastoje od čistog N 2).

Gdje se nalazi dušik?

Dušik ulazi u Zemljinu atmosferu putem vulkanskih erupcija u obliku amonijaka. Ulazeći u gornju atmosferu, amonijak (NH3) se oksidira i oslobađa dušik (N2).

Dušik je također zakopan u sedimentnim stijenama i nalazi se u velikim količinama u bitumenskim naslagama. Međutim, ovaj dušik također ulazi u atmosferu tijekom regionalnog metamorfizma ovih stijena.

• Dakle, glavni oblik prisutnosti dušika na površini našeg planeta je molekularni dušik (N 2) u sastavu Zemljine atmosfere.

Ovo je bio članak Dušik u sastavu Zemljine atmosfere – sadržaj u atmosferi je 78%. ". Pročitaj dalje: « Kisik u sastavu Zemljine atmosfere – sadržaj u atmosferi je 21%.«

Članci na temu "Atmosfera Zemlje":

• Utjecaj Zemljine atmosfere na ljudski organizam s povećanjem nadmorske visine.
• Visina i granice Zemljine atmosfere.

Struktura i sastav Zemljine atmosfere, mora se reći, nisu uvijek bile konstantne vrijednosti u jednom ili drugom razdoblju razvoja našeg planeta. Danas je vertikalna struktura ovog elementa, čija ukupna "debljina" iznosi 1,5-2,0 tisuća km, predstavljena s nekoliko glavnih slojeva, uključujući:

1. Troposfera.
2. tropopauza.
3. Stratosfera.
4. Stratopauza.
5. mezosfera i mezopauza.
6. Termosfera.
7. egzosfera.

Osnovni elementi atmosfere

Troposfera je sloj u kojem se opažaju snažna vertikalna i horizontalna kretanja, tu se formiraju vrijeme, oborine i klimatski uvjeti. Proteže se 7-8 kilometara od površine planeta gotovo posvuda, s izuzetkom polarnih područja (tamo - do 15 km). U troposferi dolazi do postupnog pada temperature, otprilike 6,4°C sa svakim kilometrom nadmorske visine. Ova se brojka može razlikovati za različite geografske širine i godišnja doba.

Sastav Zemljine atmosfere u ovom dijelu predstavljen je sljedećim elementima i njihovim postocima:

Dušik - oko 78 posto;

Kisik - gotovo 21 posto;

Argon - oko jedan posto;

Ugljični dioksid - manje od 0,05%.

Pojedinačna kompozicija do visine od 90 kilometara

Osim toga, ovdje možete pronaći prašinu, kapljice vode, vodenu paru, produkte izgaranja, kristale leda, morske soli, mnoge čestice aerosola i dr. Takav sastav Zemljine atmosfere opaža se do otprilike devedeset kilometara visine, pa je zrak približno jednakog kemijskog sastava, ne samo u troposferi, nego iu gornjim slojevima. Ali tamo je atmosfera bitno drugačija. fizička svojstva. Sloj koji ima zajedničku kemijski sastav naziva se homosfera.

Koji se drugi elementi nalaze u Zemljinoj atmosferi? Kao postotak (po volumenu, u suhom zraku), plinovi kao što su kripton (oko 1,14 x 10 -4), ksenon (8,7 x 10 -7), vodik (5,0 x 10 -5), metan (oko 1,7 x 10 - 4), dušikov oksid (5,0 x 10 -5) i dr. U masenom postotku od navedenih komponenti najviše je dušikovog oksida i vodika, zatim helija, kriptona i dr.

Fizička svojstva različitih atmosferskih slojeva

Fizička svojstva troposfere usko su povezana s njezinom pričvršćenošću za površinu planeta. Odavde se reflektirana sunčeva toplina u obliku infracrvenih zraka šalje natrag, uključujući procese toplinske vodljivosti i konvekcije. Zato temperatura pada s udaljavanjem od površine zemlje. Ova pojava se opaža do visine stratosfere (11-17 kilometara), zatim temperatura postaje praktički nepromijenjena do razine od 34-35 km, a zatim ponovno dolazi do porasta temperature do visine od 50 kilometara ( gornja granica stratosfere). Između stratosfere i troposfere nalazi se tanki srednji sloj tropopauze (do 1-2 km), gdje se opažaju stalne temperature iznad ekvatora - oko minus 70 ° C i niže. Iznad polova, tropopauza se ljeti "zagrije" do minus 45°C, zimi temperature ovdje variraju oko -65°C.

Plinski sastav Zemljine atmosfere uključuje tako važan element kao što je ozon. Pri površini ga ima relativno malo (deset na minus šestu potenciju postotka), budući da plin nastaje pod utjecajem sunčeve svjetlosti iz atomskog kisika u gornji dijelovi atmosfera. Konkretno, najveći dio ozona nalazi se na nadmorskoj visini od oko 25 km, a cjelokupni "ozonski ekran" nalazi se u područjima od 7-8 km u području polova, od 18 km na ekvatoru pa sve do pedesetak kilometara. općenito iznad površine planeta.

Atmosfera štiti od sunčevog zračenja

Sastav zraka Zemljine atmosfere igra vrlo važnu ulogu u očuvanju života, budući da pojedini kemijski elementi i sastavi uspješno ograničavaju pristup sunčevog zračenja zemljinoj površini i ljudima, životinjama i biljkama koje žive na njoj. Na primjer, molekule vodene pare učinkovito apsorbiraju gotovo sve raspone infracrvenog zračenja, osim duljina u rasponu od 8 do 13 mikrona. Ozon, s druge strane, apsorbira ultraljubičasto do valne duljine od 3100 A. Bez njegovog tankog sloja (u prosjeku 3 mm ako se nalazi na površini planeta), samo voda na dubini većoj od 10 metara i podzemne špilje, gdje sunčevo zračenje ne dopire, može se naseliti. .

Nula Celzija u stratopauzi

Između sljedeće dvije razine atmosfere, stratosfere i mezosfere, nalazi se značajan sloj - stratopauza. Otprilike odgovara visini maksimuma ozona i ovdje se promatra relativno ugodna temperatura za ljude - oko 0°C. Iznad stratopauze, u mezosferi (počinje negdje na visini od 50 km, a završava na visini od 80-90 km), ponovno dolazi do pada temperature s povećanjem udaljenosti od površine Zemlje (do minus 70-80 ° C). U mezosferi meteori obično potpuno izgore.

U termosferi - plus 2000 K!

Kemijski sastav Zemljine atmosfere u termosferi (počinje nakon mezopauze od visina od oko 85-90 do 800 km) određuje mogućnost takvog fenomena kao što je postupno zagrijavanje slojeva vrlo rijetkog "zraka" pod utjecajem sunčeve svjetlosti. radijacija. U ovom dijelu "zračnog pokrivača" planeta javljaju se temperature od 200 do 2000 K, koje se dobivaju u vezi s ionizacijom kisika (iznad 300 km je atomski kisik), kao i rekombinacijom atoma kisika u molekule. , praćeno oslobađanjem velike količine topline. Termosfera je mjesto gdje nastaju aurore.

Iznad termosfere nalazi se egzosfera - vanjski sloj atmosfere, iz kojeg svjetlost i atomi vodika koji se brzo kreću mogu pobjeći u svemir. Kemijski sastav Zemljine atmosfere ovdje je predstavljen više pojedinačnim atomima kisika u donjim slojevima, atomima helija u srednjim i gotovo isključivo atomima vodika u gornjim. Ovdje vladaj visoke temperature- oko 3000 K i nema atmosferskog tlaka.

Kako je nastala zemljina atmosfera?

Ali, kao što je gore spomenuto, planet nije uvijek imao takav sastav atmosfere. Ukupno postoje tri koncepta podrijetla ovog elementa. Prva hipoteza pretpostavlja da je atmosfera uzeta u procesu akrecije iz protoplanetarnog oblaka. Međutim, danas je ova teorija podložna značajnim kritikama, budući da je takvu primarnu atmosferu morao uništiti solarni "vjetar" sa zvijezde u našem planetarnom sustavu. Osim toga, pretpostavlja se da hlapljivi elementi zbog previsokih temperatura nisu mogli ostati u zoni nastanka planeta poput terestričke skupine.

Sastav Zemljine primarne atmosfere, kako sugerira druga hipoteza, mogao bi nastati zbog aktivnog bombardiranja površine asteroidima i kometima koji su stigli iz blizine Sunčevog sustava u ranim fazama razvoja. Prilično je teško potvrditi ili opovrgnuti ovaj koncept.

Eksperiment u IDG RAS

Najvjerojatnija je treća hipoteza, koja vjeruje da je atmosfera nastala kao rezultat ispuštanja plinova iz omotača zemljine kore prije otprilike 4 milijarde godina. Ovaj koncept testiran je na Institutu za geologiju i geokemiju Ruske akademije znanosti tijekom eksperimenta nazvanog "Carev 2", kada je uzorak meteorske tvari zagrijavan u vakuumu. Tada je zabilježeno ispuštanje plinova poput H 2, CH 4, CO, H 2 O, N 2 itd. Stoga su znanstvenici s pravom pretpostavili da kemijski sastav Zemljine primarne atmosfere uključuje vodu i ugljični dioksid, pare fluorovodika. (HF), plin ugljikov monoksid (CO), sumporovodik (H 2 S), dušikovi spojevi, vodik, metan (CH 4), para amonijaka (NH 3), argon itd. Vodena para iz primarne atmosfere sudjelovala je u formiranjem hidrosfere pokazalo se da je ugljikov dioksid više u vezanom stanju u organskoj tvari i stijenama, dušik je prešao u sastav suvremenog zraka, kao i ponovno u sedimentne stijene i organsku tvar.

Sastav Zemljine primarne atmosfere ne bi dopuštao moderni ljudi biti u njemu bez aparata za disanje, jer tada nije bilo kisika u potrebnim količinama. Ovaj se element pojavio u značajnim količinama prije milijardu i pol godina, kako se vjeruje, u vezi s razvojem procesa fotosinteze u modrozelenim i drugim algama, koje su najstariji stanovnici našeg planeta.

Minimum kisika

Da je sastav Zemljine atmosfere u početku bio gotovo anoksičan, govori činjenica da se lako oksidirani, ali ne i oksidirani grafit (ugljik) nalazi u najstarijim (katarhejskim) stijenama. Nakon toga su se pojavile takozvane trakaste željezne rude, koje su uključivale slojeve obogaćenih željeznih oksida, što znači pojavu na planetu snažnog izvora kisika u molekularnom obliku. No ti su se elementi pojavljivali samo povremeno (možda su se iste alge ili drugi proizvođači kisika pojavljivali kao mali otočići u anoksičnoj pustinji), dok je ostatak svijeta bio anaeroban. Potonjemu u prilog ide i činjenica da je lako oksidirajući pirit pronađen u obliku kamenčića obrađenih tečenjem bez tragova kemijskih reakcija. Budući da tekuće vode ne mogu biti slabo prozračene, razvilo se mišljenje da je pretkambrijska atmosfera sadržavala manje od jedan posto kisika današnjeg sastava.

Revolucionarna promjena u sastavu zraka

Otprilike sredinom proterozoika (prije 1,8 milijardi godina) dogodila se "revolucija kisika", kada je svijet prešao na aerobno disanje, pri čemu je 38, a ne dva (kao kod anaerobno disanje) jedinice energije. Sastav Zemljine atmosfere, s obzirom na kisik, počeo je prelaziti jedan posto modernog, a počeo se pojavljivati ​​i ozonski omotač koji štiti organizme od zračenja. Od nje su se "skrivale" pod debelim školjkama, na primjer, takve drevne životinje poput trilobita. Od tada do našeg vremena, sadržaj glavnog "respiratornog" elementa postupno se i polako povećavao, osiguravajući raznolik razvoj oblika života na planetu.

Dušik- glavni element Zemljine atmosfere. Njegova glavna uloga je reguliranje brzine oksidacije razrjeđivanjem kisika. Dakle, dušik utječe na brzinu i intenzitet bioloških procesa.

Dva su međusobno povezana načina ekstrakcije dušika iz atmosfere:

• 1) anorganski,
• 2) biokemijski.

Slika 1. Geokemijski ciklus dušika (V.A. Vronsky, G.V. Voitkevich)

Anorganska ekstrakcija dušika iz atmosfere

U atmosferi pod djelovanjem električnih pražnjenja (za vrijeme grmljavinske oluje) ili u procesu fotokemijskih reakcija (sunčevo zračenje) nastaju dušikovi spojevi (N 2 O, N 2 O 5, NO 2, NH 3 itd.) . Ovi spojevi, otapajući se u kišnici, padaju na tlo zajedno s oborinama, padajući u tlo i vodu.

Biološka fiksacija dušika

Biološko vezanje atmosferskog dušika provodi se:

• - u tlu - kvržične bakterije u simbiozi s višim biljkama,
• - u vodi - plankton mikroorganizmi i alge.

Količina biološki vezanog dušika znatno je veća od anorganski vezanog.

Kako se dušik vraća u atmosferu?

Ostaci živih organizama razgrađuju se kao posljedica izlaganja brojnim mikroorganizmima. U tom procesu dušik, koji je dio proteina organizama, prolazi kroz niz transformacija:

• - u procesu razgradnje bjelančevina nastaje amonijak i njegovi derivati ​​koji zatim dospijevaju u zrak i vodu oceana,
• - u budućnosti, amonijak i drugi organski spojevi koji sadrže dušik pod utjecajem bakterija Nitrosomonas i nitrobakterija stvaraju različite dušikove okside (N 2 O, NO, N 2 O 3 i N 2 O 5). Ovaj proces se zove nitrifikacija,
• - dušična kiselina reagira s metalima stvarajući soli. Ove soli napadaju denitrifikacijske bakterije,
• - u procesu denitrifikacija nastaje elementarni dušik koji se vraća natrag u atmosferu (primjer su podzemni plinski mlazovi koji se sastoje od čistog N 2).

Gdje se nalazi dušik?

Dušik ulazi u atmosferu tijekom vulkanskih erupcija u obliku amonijaka. Ulazeći u gornju atmosferu, amonijak (NH3) se oksidira i oslobađa dušik (N2).

Dušik je također zakopan u sedimentnim stijenama i nalazi se u velikim količinama u bitumenskim naslagama. Međutim, ovaj dušik također ulazi u atmosferu tijekom regionalnog metamorfizma ovih stijena.

• Dakle, glavni oblik prisutnosti dušika na površini našeg planeta je molekularni dušik (N 2) u sastavu Zemljine atmosfere.

Atmosfera je zračni omotač Zemlje. Prostire se do 3000 km od Zemljine površine. Njegovi tragovi mogu se pratiti do visine do 10 000 km. A. ima neujednačenu gustoću od 50 5; njegove mase su koncentrirane do 5 km, 75% - do 10 km, 90% - do 16 km.

Atmosfera se sastoji od zraka – mehaničke mješavine nekoliko plinova.

Dušik(78%) u atmosferi ima ulogu razrjeđivača kisika, regulirajući brzinu oksidacije, a time i brzinu i intenzitet bioloških procesa. Dušik je glavni element zemljine atmosfere koji se kontinuirano izmjenjuje sa živom tvari biosfere, a sastavni dijelovi potonji su dušikovi spojevi (aminokiseline, purini itd.). Ekstrakcija dušika iz atmosfere odvija se anorganskim i biokemijskim putem, iako su međusobno usko povezani. Anorganska ekstrakcija povezana je s nastankom njegovih spojeva N 2 O, N 2 O 5, NO 2, NH 3 . Nalaze se u atmosferskim padalinama, a nastaju u atmosferi pod djelovanjem električnih pražnjenja tijekom grmljavine ili fotokemijskih reakcija pod utjecajem sunčevog zračenja.

Biološku fiksaciju dušika provode neke bakterije u simbiozi s višim biljkama u tlu. Dušik također vežu neki planktonski mikroorganizmi i alge u morskom okolišu. U kvantitativnom smislu, biološko vezanje dušika premašuje njegovu anorgansku fiksaciju. Izmjena cjelokupnog dušika u atmosferi traje otprilike 10 milijuna godina. Dušik se nalazi u plinovima vulkanskog porijekla i u magmatskim stijenama. Zagrijavanjem različitih uzoraka kristalnih stijena i meteorita oslobađa se dušik u obliku molekula N 2 i NH 3 . Međutim, glavni oblik prisutnosti dušika, kako na Zemlji tako i na zemaljskim planetima, je molekularni. Amonijak, koji ulazi u gornju atmosferu, brzo se oksidira, oslobađajući dušik. U sedimentnim stijenama je zakopan zajedno s organskom tvari, au povećanoj količini nalazi se u bitumenskim naslagama. U procesu regionalnog metamorfizma ovih stijena dolazi do ulaska dušika drugačiji oblik ispuštaju u zemljinu atmosferu.

Geokemijski ciklus dušika (

Kisik(21%) koriste ga živi organizmi za disanje, dio je organske tvari (bjelančevine, masti, ugljikohidrati). Ozon O 3 . blokiranje po život opasnog ultraljubičastog zračenja Sunca.

Kisik je drugi najzastupljeniji plin u atmosferi, koji igra izuzetno važnu ulogu u mnogim procesima u biosferi. Dominantni oblik njegovog postojanja je O 2 . U gornjim slojevima atmosfere, pod utjecajem ultraljubičastog zračenja, dolazi do disocijacije molekula kisika, a na visini od oko 200 km, omjer atomskog kisika i molekularnog (O:O 2) postaje jednak 10. Kada se ovi oblici kisika međusobno djeluju u atmosferi (na visini od 20-30 km), ozonskom pojasu (ozonski štit). Ozon (O 3) je neophodan živim organizmima jer zadržava većinu sunčevog ultraljubičastog zračenja koje im je štetno.

U ranim fazama razvoja Zemlje, slobodni kisik je nastao u vrlo malim količinama kao rezultat fotodisocijacije ugljičnog dioksida i molekula vode u gornjoj atmosferi. Međutim, te male količine brzo su potrošene u oksidaciji drugih plinova. Dolaskom autotrofnih fotosintetskih organizama u oceanu situacija se značajno promijenila. Količina slobodnog kisika u atmosferi počela je progresivno rasti, aktivno oksidirajući mnoge komponente biosfere. Tako su prvi dijelovi slobodnog kisika prvenstveno pridonijeli prijelazu željeznih oblika željeza u okside, a sulfida u sulfate.

Na kraju je količina slobodnog kisika u Zemljinoj atmosferi dosegla određenu masu i ispostavilo se da je uravnotežena na takav način da je proizvedena količina postala jednaka apsorbiranoj količini. Utvrđena je relativna konstantnost sadržaja slobodnog kisika u atmosferi.

Geokemijski ciklus kisika (V.A. Vronski, G.V. Vojtkevič)

Ugljični dioksid, ide na stvaranje žive tvari, te zajedno s vodenom parom stvara takozvani "efekt staklenika (staklenika)".

Ugljik (ugljični dioksid) – najveći dio u atmosferi nalazi se u obliku CO 2, a znatno manji u obliku CH 4. Značenje geokemijske povijesti ugljika u biosferi je iznimno veliko, jer je on sastavni dio svih živih organizama. Unutar živih organizama prevladavaju reducirani oblici ugljika, au okolišu biosfere oksidirani. Tako se uspostavlja kemijska izmjena životni ciklus: CO 2 ↔ živa tvar.

Primarni izvor ugljičnog dioksida u biosferi je vulkanska aktivnost povezana sa sekularnim otplinjavanjem plašta i nižih horizonata zemljine kore. Dio tog ugljičnog dioksida nastaje toplinskom razgradnjom drevnih vapnenaca u raznim metamorfnim zonama. Migracija CO 2 u biosferi odvija se na dva načina.

Prva metoda izražava se u apsorpciji CO 2 tijekom fotosinteze s nastajanjem organska tvar te u naknadnom zakopavanju pod povoljnim redukcijskim uvjetima u litosferi u obliku treseta, ugljena, nafte, uljnog škriljevca. Prema drugoj metodi, migracija ugljika dovodi do stvaranja karbonatnog sustava u hidrosferi, gdje CO 2 prelazi u H 2 CO 3, HCO 3 -1, CO 3 -2. Tada uz sudjelovanje kalcija (rjeđe magnezija i željeza) dolazi do taloženja karbonata na biogen i abiogen način. Javljaju se debeli slojevi vapnenaca i dolomita. Prema riječima A.B. Ronov, omjer organskog ugljika (Corg) i karbonatnog ugljika (Ccarb) u povijesti biosfere bio je 1:4.

Uz globalni ciklus ugljika, postoji niz njegovih malih ciklusa. Dakle, na kopnu zelene biljke apsorbiraju CO 2 za proces fotosinteze danju, a noću ga ispuštaju u atmosferu. Odumiranjem živih organizama na zemljinoj površini dolazi do oksidacije organske tvari (uz sudjelovanje mikroorganizama) uz oslobađanje CO 2 u atmosferu. Posljednjih desetljeća posebno mjesto u ciklusu ugljika zauzima masovno izgaranje fosilnih goriva i povećanje njegovog sadržaja u suvremenoj atmosferi.

Kruženje ugljika u geografskom omotaču (prema F. Ramadu, 1981.)

Argon- treći najzastupljeniji atmosferski plin, što ga oštro razlikuje od iznimno rijetko rasprostranjenih drugih inertnih plinova. Međutim, argon u svojoj geološkoj povijesti dijeli sudbinu ovih plinova, koje karakteriziraju dvije značajke:

1. nepovratnost njihovog nakupljanja u atmosferi;
2. bliska povezanost s radioaktivnim raspadom određenih nestabilnih izotopa.

Inertni plinovi su izvan kruženja većine cikličkih elemenata u Zemljinoj biosferi.

Svi inertni plinovi mogu se podijeliti na primarne i radiogene. Primarni su oni koje je Zemlja zarobila tijekom svog formiranja. Izuzetno su rijetki. Primarni dio argona predstavljen je uglavnom izotopima 36 Ar i 38 Ar, dok se atmosferski argon u potpunosti sastoji od izotopa 40 Ar (99,6%), koji je nedvojbeno radiogen. U stijenama koje sadrže kalij, radiogeni argon se nakupljao zbog raspada kalija-40 hvatanjem elektrona: 40 K + e → 40 Ar.

Stoga je sadržaj argona u stijenama određen njihovom starošću i količinom kalija. U tom je opsegu koncentracija helija u stijenama funkcija njihove starosti i sadržaja torija i urana. Argon i helij ispuštaju se u atmosferu iz zemljine unutrašnjosti tijekom vulkanskih erupcija, kroz pukotine u zemljinoj kori u obliku plinskih mlazova, a također i tijekom trošenja stijena. Prema izračunima P. Dimona i J. Culpa, helij i argon se nakupljaju u zemljinoj kori u modernom dobu i ulaze u atmosferu u relativno malim količinama. Brzina ulaska ovih radiogenih plinova toliko je niska da tijekom geološke povijesti Zemlje nije mogla osigurati promatrani sadržaj istih u modernoj atmosferi. Stoga ostaje za pretpostaviti da je većina argona atmosfere potjecala iz utrobe Zemlje u najranijim fazama njezina razvoja, a mnogo manji dio dodan je kasnije u procesu vulkanizma i tijekom trošenja kalija. koji sadrže stijene.

Stoga su tijekom geološkog vremena helij i argon imali različite procese migracije. U atmosferi ima vrlo malo helija (oko 5 * 10 -4%), a Zemljin "helijev dah" bio je lakši, jer je on, kao najlakši plin, pobjegao u svemir. I "argon dah" - težak i argon ostao unutar našeg planeta. Većina primarnih inertnih plinova, poput neona i ksenona, povezana je s primarnim neonom koji je Zemlja uhvatila tijekom svog formiranja, kao i s ispuštanjem u atmosferu tijekom otplinjavanja plašta. Cjelokupnost podataka o geokemiji plemenitih plinova ukazuje da je primarna atmosfera Zemlje nastala najviše rani stadiji njegovog razvoja.

Atmosfera sadrži vodena para i voda u tekućem i čvrstom stanju. Voda u atmosferi važan je akumulator topline.

Donji slojevi atmosfere sadrže veliku količinu mineralne i tehnogene prašine i aerosola, produkata izgaranja, soli, spora i peludi biljaka itd.

Do visine od 100-120 km, zbog potpunog miješanja zraka, sastav atmosfere je homogen. Omjer između dušika i kisika je konstantan. Iznad prevladavaju inertni plinovi, vodik i dr. U nižim slojevima atmosfere nalazi se vodena para. S udaljenošću od zemlje njegov sadržaj opada. Iznad se mijenja omjer plinova, na primjer, na nadmorskoj visini od 200-800 km, kisik prevladava nad dušikom 10-100 puta.