Изменение газового состава атмосферы в прошлом и настоящем
ВВЕДЕНИЕ
ПОЯВЛЕНИЕ АТМОСФЕРЫ
Появление атмосферы
Значение атмосферы
СОСТАВ АТМОСФЕРЫ
Первичный состав
Нынешний состав
Тенденции изменения
ПРИЧИНЫ И СЛЕДСТВИЯ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА АТМОСФЕРЫ
Причины
А нтропогенные воздействия
Естественные воздействия
Следствия
Р азрушение озонового экрана
Глобальное потепление климата
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Атмосфера – 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, SiO 2 , H 2 S)”(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.
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 10 15 тонн свободного кислорода, тогда как в земной коре его наверняка больше 10 19 тонн”(1). Самый распространенный элемент на Земле (рис. 2).
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 – 16 O, 17 O, 18 O. В обычных условиях их содержание в атмосфере составляет соответственно (%) 99,74, 0,04 и 0,20. “Сильнейшим окислителем является трехатомное соединение кислорода – озон (О 3 ). 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 (CO 2 ). Углекислый газ необходим растениям, так как используется ими для дыхания. Содержание CO 2 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).
Рис. 3 “График увеличения содержания CO 2 в атмосфере в период с 19-20 вв. (Неклюкова 1976).
Такое изменение содержания CO 2 , 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
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).
рис. 5 Концентрация атмосферного CO 2 (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 CO 2 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.
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
- Бгатов В.И
