Файл: Чандлер Т. Воздух вокруг нас.pdf

Происхождение водяного пара в атмосфере на больших высо­ тах не установлено, но есть предположение, что он образуется при фотохимических реакциях (вероятно, из метана), аналогично образованию озона. Если это предположение верно, то ультрафио­ летовые лучи заставляют метан (СН4) распадаться на отдельные атомы водорода и углерода. Затем водород соединяется с атомар­ ным или молекулярным кислородом и образует Н2О.

Смесь газов, составляющих атмосферу, удерживается грави­ тационным притяжением Земли. Однако, вероятно, существует все же непрерывная незначительная диссипация атмосферы, утечка ее в космическое пространство. Это происходит в том слу­ чае, когда быстро и непрерывно движущиеся во всех направле­ ниях молекулы газа устремляются вверх со скоростью, которая позволяет им преодолеть силу гравитационного притяжения. Такая скорость молекул называется скоростью убегания. Ско­ рость молекул газа возрастает с повышением температуры; так, если известна зависимость между молекулярным весом газа и его температурой, можно определить вероятность его исчезновения из атмосферы. Обычно принято считать, что температура на вы­ соте 300 км составляет примерно 1300° С. Вычисления, основан­ ные на этой цифре, показывают, что потребовалось бы около 4000 лет для того, чтобы большая часть молекул водорода поки­ нула атмосферу. С другой стороны, для того чтобы из атмосферы ушли более тяжелые газы, например, азот и кислород, потребо­ валось бы гораздо больше чем 5000 миллионов лет (предполага­ емый возраст солнечной системы).

Газы, окружающие тело с меньшим гравитационным притя­ жением, чем у Земли, очевидно, ускользают в космос при мень­ ших скоростях. Поэтому не удивительно, что мы не можем обна­ ружить атмосферу на Луне, гравитационное притяжение на кото­ рой (у поверхности) в шесть раз меньше, чем на Земле. Марс — небольшая горячая планета — также почти не имеет атмосферы, тогда как Юпитер — гигантская холодная планета — имеет глу­ бокую и плотную атмосферу.

Однако механизм скорости убегания молекул, хотя и важный сам по себе, не объясняет различие в химическом составе атмо­ сфер разных планет. Например, количество редких газов до срав­ нению с обычными — азотом, кислородом, углекислым газом

иводяным паром — в земной атмосфере значительно меньше, чем

ватмосферах других планет солнечной системы. Почему же

тогда земная газовая оболочка так сильно отличается от других известных нам атмосфер? Чтобы ответить на этот вопрос, попы­ таемся восстановить то, что произошло, когда Земля только сфор­ мировалась, около 5000 миллионов лет назад.

Если, как считает большинство ученых, только что образовав­ шаяся Земля была чрезвычайно горячей (имела температуру

около 9000° С), то большинство газов, составляющих атмосферу, должны были бы покинуть ее. По мере постепенного охлаждения и затвердевания Земли газы, растворенные в жидкой земной коре, выходили бы из нее. Мы знаем, что почти все газы раство­ ряются в жидкостях. Эти газы, видимо, были подобны тем, кото­ рые теперь выбрасываются вулканами — углекислый газ, азот и водяной пар. (Сегодня вода может попадать в вулканы из под­ земных рек.) По мере охлаждения Земли температура упала ниже 100° С, большая часть водяного пара сконденсировалась

ивыпала на Землю, образовав реки, озера и океаны. Примерно

вто же время большая часть углекислого газа, перешедшая из вулканов в воздух, по-видимому, растворилась в океане. Там она частично вступила в реакцию с солями кальция и при содей­ ствии организмов, населяющих океан, образовала известняковые

и доломитовые скалы, которые состоят из карбоната магния и кальция. Имеется также большое количество углерода, раство­ ренного в море в виде углекислого газа, который является осно­ вой как растительной, так и животной 'жизни океанов.

Основной состав земной атмосферы можно было бы считать выясненным, если бы не одно важное исключение: в нашей схе­ ме отсутствует кислород. Происхождение этого газа — второй важной составляющей атмосферы, наиболее важной для жизни людей,— все еще остается загадкой. Согласно одной теории, кис­ лород образовался в результате разложения водяного пара на атомарный водород и атомарный кислород под влиянием фото­ химического воздействия Солнца. Затем более легкий и подвиж­ ный водород улетучился в космическое пространство, тогда как более тяжелые атомы кислорода остались в гравитационном поле Земли. Вычисления показывают, однако, что этим процессом можно объяснить присутствие в атмосфере лишь очень небольшо­ го количества атомов кислорода.

Другая теория утверждает, что кислород образовался при фо­ тосинтезе в результате жизнедеятельности примитивных клеточ­ ных организмов на более поздних стадиях развития Земли. Это, вероятно, происходило первоначально на отмелях и в мелких водоемах, но затем, когда растительные организмы расселились по всей Земле, количество кислорода в атмосфере стало быстро увеличиваться.

Нет единого мнения о природе и характере изменений в со­ ставе атмосферы за последние 1000 миллионов лет. Геологиче­ ские процессы (вулканическая активность, образование извест­ няков и угля) должны были оказать определенное влияние на состав атмосферы. И есть основания предполагать, что в течение последних 300 миллионов лет количество кислорода и углекис­ лого газа, поскольку эти газы связаны с упомянутыми процесса­ ми, колебалось значительно относительно теперешнего уровня.

18

Даже в течение последнего столетия происходили малые, но за­ метные изменения химического состава атмосферы. Например, количество углекислого газа с 1900 г. поднялось на 12%. Это воз­ растание, вероятно, объясняется повышенным использованием бо­ гатого углеродом топлива, главным образом угля и нефти. Начи­ ная с 1900 г. количество сжигаемого топлива удваивается каж­ дые 10 лет. Так как уголь на 90% состоит из углерода, при горе­ нии соединяющегося с кислородом, то в атмосфере увеличивается количество углекислого газа. Когда нефть, представляющая со­ бой углеводород (содержащая углерод и водород), горит, то при этом получаются углекислый газ и вода. Увеличение массы сжи­ гаемой нефти влечет за собой повышение концентрации таких вредных газов, как окись углерода (при работе двигателей внут­ реннего сгорания) и двуокись серы (при сжигании в топках). Но еще более вредными являются радиоактивные осадки от атом­ ных взрывов. (Хотя многие радиоактивные продукты ядерных взрывов имеют короткое время жизни, они часто поднимаются потоками воздуха очень высоко, где могут пребывать несколько лет, прежде чем вернутся на Землю.) С учащенными запусками ракет и полетами реактивных самолетов увеличивается опас­ ность изменения деликатного химического баланса в озонном слое стратосферы.

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. Некоторые ученые, например, считают, что в последние годы с возрастанием углекис­ лого газа изменился тепловой баланс атмосферы, ибо Земля ста­ ла больше поглощать инфракрасной радиации, уменьшился уход тепла от Земли в космос и повысилась средняя температура при­ земного слоя воздуха. Некоторые исследователи оценивают повышение температуры в 0,01° С в год. Это свидетельствует о тес­ ной связи температуры Земли с химическим составом атмо­ сферы.

До конца XIX в. считалось, что температура непрерывно падает от нижних слоев к верхним со скоростью, которая наблю­ далась в нижних слоях земной атмосферы, т. е. на 1° С через каж­ дые 1,5 км, и равна абсолютному нулю (—273° С) в межзвездном пространстве. Это убеждение опроверг французский метеоролог Леон Тейссеран де Бор, который в 1890 г. успешно запустил аэро­ статы с измерительной аппаратурой на высоту 15 км. На основе

. полученной информации Бор показал, что на высоте примерно 11 км над Европой имеется резкая граница, выше которой тем­ пература перестает падать и даже несколько растет. Как было установлено позже, эта граница является универсальной харак­ теристикой атмосферы, ее высота меняется от 8 км над

19

широтной тропопаузой. Место разрыва ее с тропической тропопа­ узой приходится примерно на 30° широты и с полярной тропо­ паузой на 45°.

Тропопауза отделяет нижний слой атмосферы, тропосферу, от более высокого ^слоя, стратосферы. Ранее предполагали, что тепловой баланс тропосферы поддерживается в основном конвек­ тивными потоками, а в стратосфере он является результатом ра­ диационного равновесия между излучением Солнца и излучени­ ем Земли и тропосферы. После обнаружения очень сильных вет­ ров и быстрых изменений температуры в стратосфере эта точка зрения была дискредитирована, и теперь никто не знает, почему имеется такой резкий разрыв между тропосферой и стратосфе­ рой. Но каково бы ни было объяснение этого явления, различия

20