Состав атмосферы и его формирование в процессе эволюции биосферы

Новосибирский государственный аграрный университет

Агротехнологический факультет

Кафедра агроэкологии и микробиологии 
 
 
 

Курсовая  работа по сельскохозяйственной экологии на тему:

Состав  атмосферы и его  формирование в процессе эволюции биосферы. 
 

Выполнила: Кириллова Ксения

 студентка 1404 группы

                              Проверила: профессор, 

                              к.б.н. Коробова Л. Н. 
 
 
 

                                          Новосибирск 2011  

Введение

    Атмосфера это внешняя газовая оболочка Земли, которая начинается у ее поверхности и простирается в космическое пространство приблизительно на 3000 км. История возникновения и развития атмосферы довольно сложная и продолжительная, она насчитывает близко 3 млрд лет. За этот период состав и свойства атмосферы неоднократно изменялись, но на протяжении последних 50 млн лет, как считают ученые, они стабилизировались.

    Масса современной атмосферы составляет приблизительно одну миллионную часть массы Земли. С высотой резко уменьшаются плотность и давление атмосферы, а температура изменяется неравномерно и сложно, в том числе из-за влияния на атмосферу солнечной активности и магнитных бурь. Изменение температуры в границах атмосферы на разных высотах поясняется неодинаковым поглощением солнечной энергии газами. Наиболее интенсивнее тепловые процессы происходят в тропосфере, причем атмосфера нагревается снизу, от поверхности океана и суши. Следует отметить, что атмосфера имеет очень большое экологическое значение. Она защищает все живые организмы Земли от губительного влияния космических излучений и ударов метеоритов, регулирует сезонные температурные колебания, уравновешивает и выравнивает суточные.      Если бы атмосферы не существовало, то колебание суточной температуры на Земле достигло бы ±200 °С. Атмосфера есть не только животворным «буфером» между космосом и поверхностью нашей планеты, носителем тепла и влаги, через нее происходят также фотосинтез и обмен энергии — главные процессы биосферы. Атмосфера влияет на характер и динамику всех экзогенных процессов, которые происходят в литосфере (физическое и химическое выветривания, деятельность ветра, природных вод, мерзлоты, ледников).

    Развитие гидросферы также в значительной мере зависел от атмосферы из-за того, что водный баланс и режим поверхностных и подземных бассейнов и акваторий формировались под влиянием режима осадков и испарений. Процессы гидросферы и атмосферы тесно связанные между собою.

    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 историю земной атмосферы, а именно её газового состава, начиная с момента образования и заканчивая нашим временем.

     Главная задача работы – рассмотреть все компоненты биосферы, главные и второстепенные, выявить их источники появления.

     Глобальная роль  атмосферы определяет особую ответственность всех государств за сохранение ее состава и предотвращения загрязнения воздушной среды, которое может отрицательно сказаться на развитии биосферы в целом. 
 
 
 
 
 

1.Появление  атмосферы и ее  первичный  состав

      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». Из этих газов и сложилась первичная земная атмосфера, благодаря которой стало возможным зарождение жизни[2].

      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, ,)[2].

      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»[4].

      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[4]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.Слои атмосферы

      Удерживаясь гравитационным полем Земли, атмосфера имеет зональное строение. Нижняя  прилегающая к  земной поверхности часть атмосферы до высоты 80 км  носит название гомосферы. Гомосфера,  в свою очередь, подразделяется на три оболочки, различающиеся по характеру температурного режима. Нижняя из них, называемая тропосферой, имеет основное значение для жизни на Земле. Её верхняя граница- тропопауза отделяет тропосферу от стратосферы. Тропопауза у полюсов располагается на высоте 8-10 км, а её высота увеличивается до 17 км. Выше стратосферы до высоты 80-90 км располагается верхний слой гомосферы – мезосфера, в пределах которого температура вновь уменьшается с высотой[2].

      Оболочка атмосферы, располагающаяся над гомосферой, получила название гетеросферы. Она состоит из четырех газовых слоев различного химического состава. На высотах 90-200 км расположен слой молекулярного азота. За ним до высоты порядка 1100 км следует слой атомарного кислорода, в составе которого преобладают атомы кислорода. Далее, между 1100 и 3500 км, прослеживается гелиевый слой. Выше этого уровня он сменяется водородным слоем, в котором преимущественную роль  играют атомы водорода. Условной границей водородного слоя считают высоту 10000 км, четкой верхней границы он не имеет.

В данной работе основное внимание будет уделено  наиболее важной для биосферы зоне атмосферы – гомосфере и особенно ее нижнему слою – тропосфере[2]. 

3. Современный состав атмосферы.

     Химический состав тропосферы  определяется присутствием четырех главных компонентов, составляющих более 99,99% её массы – азота, кислорода, аргона и углекислого газа. Кроме того, постоянными газовыми составляющими атмосферы является так же ряд микрокомпонентов, представленных главным образом редкими инертными газами и водородом. Кроме постоянных составных частей в атмосфере обычно присутствуют в переменных количествах ксенокомпоненты, являющиеся временными примесями, поступление которых обязано вулканической деятельности, жизнедеятельности биосферы, а так же производственной и бытовой деятельности человека. Большая часть ксенокомпонентов атмосферы в повышенных концентрациях оказывает отрицательное влияние на развитие растительности и живых организмов и, таким образом, должна рассматриваться как загрязнитель окружающей среды. К числу ксенокомпенентов атмосферы относятся также поступающие в нее в результате различных процессов пылевые частицы, которые часто мигрируют в воздушной среде на большие расстояние[2].

                                                                                                 Таблица 1.

                  Состав атмосферы Земли (без Н2О )

4. Главные компоненты атмосферы,  их происхождение и источники поступления

4.1 Азот

      Это главный химический элемент  тропосферы, имеющий огромное значение для развития жизни на нашей планете. Из 16* моль азота, присутствующих в земной коре, 2,7*  моль находится в виде в атмосфере, 0,014* моль растворено в океанических водах и 10,3* моль в той или иной форме заключены в горных породах литосферы[8].

       Азот постоянно поступает в атмосферу из глубин Земли с вулканическими эманациями, которые содержат от первых единиц до нескольких десятков процентов молекулярного азота (в газах лав гавайских вулканов, например, содержится 5,7 вес. % ).  Еще более высокое содержание азота отмечается в газах горячих источников, получивших в связи с этим наименование азотных терм.  Лишь около 0,0014* моль азота играют активную роль в круговороте этого элемента, однако роль эта весьма важна. В биосфере происходят широкая аккумуляция и фиксация азота из воздуха различными группами микроорганизмов, заключающаяся в превращении молекулярного азота в или . Процесс этот идет с поглощением энергии. Другие группы бактерий участвуют в окислении и до нитрит-иона (Nitrosomonas) и далее до нитрат-иона ( Nitrobacter ) по общей схеме: 

 Окисление  или + →+;

 Нитрификация  +→. 

Оба процесса идут с выделением энергии[2].

     Нитраты и нитриты, накапливающиеся таким образом в почве, в свою очередь, ассимилируются растениями. При этом вновь происходит восстановление их до , который затем используется при построении аминогрупп. Важнейшим азотсодержащими соединениями животных и растений являются белки, которые содержат до 18% азота. Таким образом, органическое соединение азота, входящие в состав живого вещества, могут рассматриваться как аккумуляторы энергии[2].

      Помимо процессов накопления и связывания азота воздуха растениями в природе, правда, в более ограниченных масштабах, развивается и обратный процесс – денитрификация, осуществляемая в анаэробных условиях некоторыми видами бактерий. При этом  процессе, также требующих затрат энергии, нитрат – или нитрит-ионы восстанавливаются до молекулярного азота или .  Подсчитано, что в результате денитрификации с 1 га почвы в атмосферу ежегодно поступает 50-60 кг азота.  Процесс этот идет с выделением энергии по следующей общей схеме:

COOH--+→++[2].

        В отличие от биосферы, где миграция азота сопровождается образованием и распадом его соединений, для атмосферы образование окислов азота представляет собой хотя и закономерное, но редкое явление. Поэтому соединение азота с кислородом воздуха требует значительной энергии, в атмосфере такого рода реакции происходят только при вспышке молнии. Таким образом, содержание в тропосфере прямо зависит от числа и интенсивности гроз. Об этом можно судить по вариациям содержания  нитратов в дождевых водах районов с различным климатом. Максимальное содержание нитрат-иона отмечается в дождевых водах, богатых нрозами тропических регионов, минимальное – в осадках влажных рацонов умеренного климата[2].

    С азотом связан ряд важных проблем, непосредственно касающихся состояния окружающей среды:

1. Проблема загрязнения атмосферы окислами азота;
2. Эксценссивное использование азота атмосферы в процессах техногенеза;
3. Загрязнение гидросферы и почв продуктами переработки атмосферного азота.

      Техногенное поступление окислов азота в тропосферу происходит при всех процессах сжигания твердого и жидкого топлива и для индустриально развитых стран измеряется десятками миллионов тонн в год. Повышая окислительную способность атмосферы и увеличивая кислотность метеорных осадков, а так же содержание нитратов в водах районов загрязнения , аномальные концентрации окислов азота воздухе могут привлечь нежелательные изменения развития экосистем, являясь отрицательным фактором для окружающей среды. В списке наиболее важных загрязнителей, рекомендуемых для международного контроля, окислы азота помещены на пятом месте.

Не менее, а может быть более серьезную проблему для окружающей среды представляют извлечение и использование азота воздуха человеком для разнообразных промышленных и главным образом сельскохозяйственных нужд (азотные удобрения). В результате количество неактивного азота, извлекаемого из атмосферы и преобразуемого в активные соединения азота с кислородом и водородом, в конечном итоге превышает поступление его в атмосферу в результате денирификации[2]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.2 Кислород

     Запасы кислорода в атмосфере составляют порядка 1,5* моль . Единственным источником поступления кислорода в окружающую среду являются процессы фотосинтеза. Зеленые растения биосферы ежегодно выделяют в атмосферу около 4,67* г кислорода. Из этого количества 11,3% производят наземные растения и 88,7% водные растения. Таким образом, растения и особенно растения океана играют исключительную роль в накоплении кислорода в атмосфере Земли. В процессах гипергенеза на поверхность земной коры происходит непрерывное связывание свободного кислорода атмосферы при окислении закисного железа ( с образованием окисного ), соединений двухвалентного марганца, сульфидов, органических остатков[3].

     За всю историю существования нашей планеты в результате бактериального и растительного фотосинтеза выделилось 1,8-2,3*  г . Эта величина получена на основе данных о количестве органического углерода, захороненного в осадках. Для окисления горных пород, находящихся на Земле, потребовалось бы почти на порядок большее количество кислорода. Следовательно, фотосинтезирующие организмы могли лишь частично сформировать  кислородную атмосферу Земли[3].

     На основе  изучения изотопного состава воздуха показано, что кислород атмосферы состоит на 2/3 из кислорода геологического происхождения и на  1/3 из кислорода, генерированного фотосинтезирующими организмами. Первичный кислород образовался в результате дегазации базальтовой магмы ( поступление из земных недр продолжается и в настоящее время). Коллектором этого газа служат воды океана. Биогенный кислород появился позже. В итоге современная атмосфера формируется за счет как абиогенного, так и биогенного кислорода.

Деятельность  человека в основном направлена на уменьшение количества кислорода в  атмосфере. В связывании свободного кислорода воздуха заключается  сущность сжигания любого органического  топлива. Ежегодно человеком в процессе сжигания из атмосферы извлекается  около 9* г кислорода, что составляет почти 2% его количества, вырабатываемого за этот период растениями биосферы. Отрицательное влияние деятельности человека на развитие лесов также вносит ощутимый «вклад» в уменьшение поступления кислорода в атмосферу вследствие фотосинтеза. Хотя эта отрицательная роль человека в некоторой степени компенсируется  орошением и сельскохозяйственным озеленением засушливых земель, однако масштабы этих процессов до настоящего времени несоизмеримы[2]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

          5. Второстепенные  компоненты атмосферы

5.1 Аргон

      Это наиболее распространенный инертный газ атмосферы, который почти полностью имеет радиогенное происхождение и образуется в результате распада радиоактивного изотопа калия-40 по схеме

      +е→.

    Период полураспада , который составляет 0,0119% природного калия, равен 1,3 млрд. лет. Таким образом, поступление аргона в воздушную оболочку Земли из литосферы происходит постоянно. Изотопный состав следующий: 96,6%; 0,063%; 0,337%[2]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5.2 Углекислый газ

     В атмосфере содержится 58* моль углерода в составе углекислого газа. В отличие от кислорода, основная масса которого заключена в атмосфере, лишь около 2% свободного находится в газообразном состоянии в воздухе. Оставшиеся 98% углекислого газа ( 2943* моль углерода) растворены в гидросфере и, таким образом, заключены в Мировом океане[3].

     Зеленые растения в процессе фотосинтеза накапливают углерод из воздуха, превращая углекислый  газ в сложные углеводороды, имеющие общую формулу –СООН-. Биологический цикл углерода в окружающей среде может быть изображен следующей схемой:

→-СООН-→

газ      тв. вещ-во   газ

      Органическое вещество, являющееся аккумулятором солнечной энергии, в определенных условиях после гибели растений и живых организмов может быть преобразовано в ископаемые, обогащенные углеродом, твердые и жидкие органические продукты, концентрирующие энергию, аккумулированную живым веществом. Эти продукты – каменный уголь и нефть – являются в настоящее время главной энергетической базой человеческого общества и уже в течение ряда столетий повсеместно используются в качестве горючих полезных ископаемых. Образование последних происходило в результате захоронения органических остатков в осадочных породах, что преграждало доступ к ним свободного кислорода. В противном случае в процессе разложения весь углерод органического веществ был окислен до .Особенно благоприятные условия для захоронения отмерших растительных остатков в девонском и  каменноугольном периодах палеозойской эры. Захоронение органических остатков  в течение геологического времени сохранило в атмосфере значительное количество кислорода. На важную роль геохимическую роль захоронения углерода для формирования кислородной атмосферы земного шара указывал В. И. Вернадский. Однако в последнее столетие человек с поразительной быстротой использует горючие ископаемые, которые накапливались в земной коре в течение сотен миллионов лет. Ежегодно в атмосферу выводится порядка 0,42* моль углерода. Столь значительные поступления техногенного углекислого газа в течение последнего столетия существенно увеличили его содержание в атмосфере. Эффект  воздействия растущей концентрации в атмосфере на окружающую среду в течение длительного времени обсуждается специалистами. Главную заботу при этом вызывает способность углекислого газа к абсорбции длинноволнового излучения, что может привести к так называемому парниковому эффекту, следствием которого должно быть постепенное потепление климата. При существующих масштабах накопления расчетный уровень потепления составляет 2ºС[3].

      При переходе человечества на использование иных видов энергии ( ядерной, солнечной, геотермальной и т. д. приток в атмосферу резко сократится. При сохранении существующих темпов роста потребления ископаемого топлива запасов каменного угля на Земле хватит на 150 лет, а нефти и газа соответственно на 50 и 49 лет. Таким образом, после 2020 г следует ожидать резкого уменьшения поступления техногенного   в атмосферу. В последующие несколько тысяч лет в результате  регулирующего воздействия океана содержание углекислого газа в атмосфере будет понижено до уровня, соответствующего природному равновесию[1]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6.Микрокомпоненты атмосферы

6.1 Редкие инертные газы ( неон, криптон, гелий, ксенон, радон)

      Инертные газы в условиях атмосферы Земли и в биосфере не вступают в какие-либо химические реакции, полностью оправдывая свое название. Наиболее распространенный из них – аргон – по массе составляет более 1% атмосферы, а наименее распространенный – радон – всего 6*%[5].

    Происхождение основной массы неона в атмосфере остается не вполне ясным. является самым распространенным, стабильным изотопом атмосферного неона ( 90,92% ). По всей вероятности, он освобождается и поступает в атмосферу в процессе разрушения магматических горных пород, а так же из вулканических источников. Два других стабильных изотопа (0,257%) и (8,82%), судя по имеющимся данным, имеют радиогенное происхождение. Считается, что основная масса неона в связи с легкостью этого газа ( неон легче в 1,5 раза воздуха) была потеряна атмосферой на ранних стадиях геологической эволюции Земли[6].

      Криптон ксенон – весьма редкие инертные газы, находящиеся в атмосфере в состоянии крайнего рассеяния. Они поступают в атмосферу с вулканическими эманациями и газами термальных источников[3].

     Гелий – наиболее легкий из инертных газов, являющийся конечным продуктом распада урана и тория. Каждый грамм урана, рассеянного в горных породах, в течение года выделяет 1,16* мл гелия, каждый грамм тория соответственно 2,43* мл. В отличие от прочих инертных газов гелий, несмотря на крайне низкое его содержание в атмосфере, в ряде случаев накапливается в литосфере в значительных количествах, играя заметную роль в составе рудничных газов, а также в природных газах, богатых азотом. Обогащены гелием и  газы некоторых термальных источников. Количество гелия, поступившего в атмосферу в процессе геологической эволюции литосферы, должно быть значительно больше его количества, присутствующего в настоящее время в тропосфере и стратосфере. В этой связи был сделан  вывод о непрерывном уходе (диссипации) гелия из атмосферы Земли в космическое пространство. В космосе и атмосфере Солнца гелий в отличие от атмосферы Земли является вслед за водородом наиболее распространенным элементом[2].

     Радон – радиоактивный инертный газ – вследствие своей недолговечности не является постоянным компонентом атмосферы и поэтому рассматривается в группе ксенокомпонентов атмосферы[2]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  6.2 Водород

       Содержание свободного водорода в атмосфере ничтожно. Его источником являются вулканические процессы, многие магматические и осадочные горные породы, а так же биогенные процессы, идущие при участии водородообразующих бактерий[2].

       В атмосфере водород неустойчив и легко соединяется с кислородом. Таким образом, его относительно постоянное на данный геологический период содержание в атмосфере может рассматриваться как динамическое равновесие, определяемое физико-химическими и гравитационными факторами. Большинство исследователей признает возможность ухода (диссипации) атомов водорода за пределы атмосферы в космическое пространство.

Из числа  изотопов водорода в атмосфере присутствуют тритий - Т, количество которого измеряется значением 4* ат. %. Тритий образуется естественным путем в верхних слоях атмосферы в результате бомбардировки атомов азота нейтронами космических лучей по  схеме +n→+T. Образование трития имеет место также при ядерных взрывах в атмосфере. Однако в связи с запрещением испытаний атомного оружия в атмосфере количество техногенного трития, имеющего сравнительно короткий период полураспада ( 12,262 лет ), в атмосфере значительно уменьшилось[2]. 
 
 
 
 

7.Ксенокомпоненты атмосферы, включая антропогенные загрязнители.

7.1 Метан и другие газообразные углероды

      Незначительное количество метана постоянно отмечается в земной атмосфере. Он образуется в процессе разложения органического вещества при условии недостатка  кислорода  почвах, особенно в болотах ( болотный газ ) и захороненных осадках. Процесс преобразования захороненного органического вещества в каменные угли и жидкие углеводороды сопровождается отделением значительного количества метана. Так, метан составляет около 90% массы газа в его месторождениях. Поступление метана из осадочных толщ, газовых, нефтяных и угольных месторождений, а также из разлагающихся в восстановительных условиях органических остатков является естественным источником этого наиболее простого углеводорода в атмосфере. Некоторая часть метана в биосфере окисляется особыми видами бактерий до углекислого газа и воды по схеме: