Планета Земля и её сходства и различия с другими планетами земной группы

Можно себе представить, какое огромное количество газов  выбрасывалось в глубокой древности  во время грандиозных извержений.

Сказанное выше —  это не просто умозрительное предположение. Всё это подтверждается фактами. Оказывается, можно напрямую определить состав древней атмосферы. И сделал это российский учёный Ю. Казанский. В горных породах, возникших в  то далёкое время, сохранились пузырьки древнейшего воздуха, который нужно  было только выделить и исследовать  его химический состав. В древней  атмосфере преобладал углекислый газ, его было около 60%. Сегодня его  место в атмосфере занимает азот (а углекислого газа всего 0,03%). Остальные 40% древней атмосферы составляли азот, сероводород, сернистый газ, пары соляной и фтористой кислот.

Первичная атмосфера  была очень агрессивной средой и  действовала на горные породы как  сильная кислота. Да и температура  её была очень высокой. Но как только температура понизилась, произошла  конденсация водяного пара.

В настоящее время  имеются неопровержимые доказательства существования на Земле гидросферы ещё 3,8 млрд лет назад. Свидетельством тому являются осадочные горные породы, обнаруженные в Гренландии и Южной Африке. Они образовались на дне древнейших морей. 

Был ли тогда океан  солёным? Каковы были размеры и глубина  первичного океана? Ответить на эти  вопросы очень непросто. Сегодня, рассматривая проблему состава первичного океана, учёные обычно выделяют два  источника растворимых соединений. С одной стороны, в воде растворялись атмосферные газы, ас другой — соли, входящие в состав изверженных горных пород на дне Мирового океана и  его берегах, а также то, что  приносилось водами с суши. Не следует  также забывать, что из атмосферы  в воду поступали соединения серы, аммиак, хлористый и фтористый  водород, а в воде, как известно, они образуют сильные кислоты, разъедающие  горные породы на дне и берегах  и извлекающие из них щелочные и щелочноземельные элементы. В результате в воде возникали соли, и поныне содержащиеся в водах Мирового океана. Не исключено, что солёность первичного Мирового океана мало отличалась от современной.

По предварительным  данным средняя температура морских  вод в катархее и раннем архее составляла 90—150° С, а атмосферное давление на земной поверхности оценивается примерно в 10—20 атмосфер. Оказалось, что в таких условиях вода не только не испаряется, но и не кипит. С течением времени в связи с изменениями состава атмосферы и её толщины атмосферное давление стало снижаться.

Долгое время в  древних атмосфере и океане кислорода  не было. Без него не могло существовать и озонового экрана. Космические  лучи легко проникали на Землю, и  под их действием в водах Мирового океана разлагались одни соединения и возникали другие, в том числе  сложные органические соединения.

Кислород, выделяющийся при вулканических извержениях, до некоторого времени расходовался на окисление атмосферного аммиака, метана и оксида углерода. Освободившиеся при этом азот, углекислый газ и вода постепенно накапливались в атмосфере. Некоторое количество углекислого газа растворялось в воде, а значительная его часть сосредоточивалась в атмосфере. Сера и сероводород окислялись до сернистого и серного ангидрида. Вместе с углекислым газом они растворялись в морской воде, вступали в химические реакции с растворёнными в ней солями и образовывали труднорастворимые соли — карбонаты и сульфаты, которые стали выпадать в осадок и накапливаться на дне. На ранних стадиях в условиях бескислородной атмосферы, высоких температур и большой кислотности природных вод процессы выветривания протекали весьма своеобразно, и сохранившиеся продукты выветривания не имеют аналогов среди современных.

Только в раннем протерозое (2—2,5 млрд лет назад) в атмосфере появился кислород. Это подтверждают мощные толщи горных пород, которые могли образоваться только при наличии в атмосфере достаточного количества свободного кислорода. Но его пока было очень мало.

В течение протерозоя (0,65—2,5 млрд лет назад) в атмосфере всё ещё господствовали углекислый газ, аммиак, азот, а сопутствовали им кислород, сероводород, пары соляной и фтористой кислот, метан. По сравнению с предшествующим временем общее количество паров кислот в атмосфере сильно сократилось. 

Атмосфера: строение и химический состав

Толщина атмосферы  — примерно 2000—3000 км от поверхности  Земли. Суммарная масса воздуха  — (5,1—5,3)×1018 кг. Из них масса сухого воздуха составляет 5,1352 ±0,0003×1018 кг, общая масса водяных паров  в среднем равна 1,27×1016 кг. 

За «нормальные условия» у поверхности  Земли приняты: плотность 1,2 кг/м3, барометрическое  давление 101,35 кПа, температура плюс 20 °C и относительная влажность 50 %. Эти условные показатели имеют  чисто инженерное значение.

Строение  атмосферы

Тропосфера

Её верхняя граница  находится на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в  тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы  содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и  конвекция, возникают облака, развиваются  циклоны и антициклоны. Температура  убывает с ростом высоты со средним  вертикальным градиентом 0,65°/100 м

Стратосфера

Слой атмосферы, располагающийся  на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и  повышение её в слое 25—40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.

Стратопауза

Пограничный слой атмосферы  между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры  имеет место максимум (около 0 °C).

Мезосфера

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80—90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25—0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с  участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и т. д. обусловливают  свечение атмосферы.

Мезопауза

Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры  имеет место минимум (около —90 °C). 

Линия Кармана

Высота над уровнем  моря, которая условно принимается  в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. В соответствии с определением ФАИ, линия Кармана  находится на высоте 100 км над уровнем  моря.

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.

Состав.   

Атмосфера представляет собой чрезвычайно сложную систему. Ее пронизывает излучение Солнца и испускаемые им частицы высокой  энергии ,а также космическое излучение. Этот поток энергии оказывает заметное химическое воздействие на атмосферу. Кроме того, под воздействием земного притяжения более тяжелые атомы и молекулы опускаются в нижнюю часть атмосферы, а в верхней ее части остаются более легкие. В результате состав атмосферы оказывается непостоянным.

Состав атмосферы  в приземном слое, например, состав сухого воздуха вблизи уровня моря обладает следующими характеристиками: примерно 99% всего состава приходится на долю двухатомных газов азота  и кислорода, а все остальное, за исключением углекислого газа, - на долю одноатомных газов.

Состав  воздуха в приземном  слое

Компонент Содержание в мольных %     Молярная масса 

Азот N2       78,04                                            28,013 

Кислород O2       20,948                                            31,998 

Аргон Ar        0,934                                             29,948 

Диоксид

углерода CO2        0,033                                               44,009 

Неон Ne 0,001818                                             20,183 

Гелий He 0,000524                                               4,003 

Метан CH4 0,0002                                                            16,043 

Криптон Kr 0,000114                                                83,800 

Водород H2  0,00005                                              2,0159 

Оксид азота (1)

N2O                0,00005                                                44,013 

Хотя на верхние  зоны атмосферы приходится лишь небольшая  часть ее массы, эти верхние слои в значительной мере определяют жизнь  на поверхности Земли. Они защищают нашу планету от потока лучей и  града частиц высоких энергий. В  результате такого воздействия молекулы и атомы подвергаются химическим превращениям. Диффузное разделение (более тяжелые внизу, более легкие наверху) за длительный период привело  к тому, что на высоте 500 - 1000 км элемент  гелий становится основным компонентом  атмосферы. Гелиевая корона Земли простирается примерно до 1600 км, а выше 2000 -3000 км преобладает  водород. 

Климат  Земли 

Слово «климат» произошло  от греческого слова klima - «наклон». Более 2000 лет назад его ввёл в научный оборот древнегреческий астроном Гиппарх. Он хотел показать, что именно наклон земной поверхности к солнечным лучам, или, по-другому, угол падения солнечных лучей, изменяется от экватора к полюсам и определяет погодные условия в каждой конкретной местности. Климатом называют многолетний режим погоды или среднее состояние атмосферы, характерное для данной территории. Климат является частью географического ландшафта и оказывает огромное влияние на все его компоненты — рельеф, воды, почвы, растительный и животный мир.

Климат непостоянен  не только в пространстве, но и во времени. Это связано с изменениями  размеров материков и океанов, состава  атмосферы в геологической истории  планеты, а также с разными  астрономическими причинами, например с изменениями во вращении Земли  вокруг Солнца или с колебаниями  солнечной активности.

На формирование климата Земли  оказывают влияние три глобальных процесса: теплооборот, влагооборот и общая циркуляция атмосферы. Они тесно связаны между собой и воздействуют друг на друга. Климат каждой конкретной территории формируется под воздействием географических факторов: географической широты, высоты над уровнем моря, распределения воды и суши, рельефа, характера подстилающей поверхности, океанических течений, растительности, снежного и ледяного покрова. В последнее время к этим факторам добавилась хозяйственная деятельность человека.  

В зависимости от свойств земной поверхности на одной  и той же территории нередко наблюдаются  его небольшие изменения. Например, над расположенными по соседству пашней и лесом климатические условия неодинаковы. То есть внутри одного типа климата формируются участки с разным микроклиматом. 

Климатические условия  на Земле очень разнообразны из-за сочетания различных климатообразующих  факторов. Существует несколько научных  классификаций типов климатов Земли. Согласно классификации, предложенной Б.П. Алисовым, выделяется семь основных климатических поясов — экваториальный, два тропических, два умеренных и два полярных. В этих поясах климат образуется под воздействием воздушных масс одного типа. Между основными поясами располагаются шесть переходных поясов, характеризующихся сезонной сменой преобладающих воздушных масс. Например, в субтропических поясах летом господствует тропический воздух, а зимой — воздух умеренных широт. Границы поясов определяют по среднему положению атмосферных фронтов между основными типами воздушных масс, а в каждом из широтных поясов различают четыре подтипа климата: материковый, океанический, климат западных берегов и климат восточных берегов. Материковый климат складывается под влиянием воздушных масс, образовавшихся на суше, а океанический создают воздушные массы, сформировавшиеся над океаном.