Каков состав атмосферы
Воздушная оболочка Земли — земная атмосфера — представляет собой газообразное тело.
Произведя химический анализ сухого воздуха, взятого вблизи поверхности Земли, мы найдем в нем такие газы: азот в количестве 78,09 процента от взятого для анализа объема, кислород — 20,95 процента, аргон — 0,93 процента, углекислоту 0,03 процента. Далее идут газы, количества которых ничтожны: неон — 0,0018 процента, гелий — 0,0004 процента, озон 0,000003 процента и следы криптона и ксенона. Такой состав сухого воздуха очень постоянен.
Но в атмосфере всегда присутствует еще и вода, находящаяся в газообразном состоянии, — водяной пар. Он попадает в воздух при испарении с поверхности океанов, морей, рек и листьев растений. Количество водяного пара в атмосфере невелико. В отдельных редких случаях наблюдается почти полное его отсутствие; самое большое из возможных количеств составляет 4 процента по объему. И все же водяной пар, как и находящийся в еще меньших количествах озон, оказывают огромное влияние на развитие многих явлений, совершающихся в земной атмосфере.
Кроме газообразных составных частей атмосферы, в ней находится мною примесей. Они не так постоянны и «заражение» ими атмосферы часто ограничивается только небольшим районом. Многие из этих примесей обязаны своим происхождением дыму и газам от промышленных предприятии. Большое значение при этом имеет попадающий в атмосферу сернистый ангидрид, при соединении с водяным паром образующий в воздухе серную кислоту. Хотя количество серной кислоты в атмосфере ничтожно, она имеет очень большое значение для образования облаков. Заводские дымовые трубы выбрасывают в атмосферу огромное количество несгоревших частиц углерода — сажу. Было подсчитано, что в Лондоне в один из воскресных дней в атмосферу оказалось выброшенным более 100 тонн сажи, а. над всей Англией в год в воздух выбрасывается около 2 420 000 тонн.
Помимо сажи, в атмосфере постоянно находятся семена и пыльца растений — споры. Они столь легки, что воздушные потоки долго поддерживают их во взвешенном состоянии, не позволяя им упасть на землю, и далеко относят от того места, где они попали в атмосферу.
В воздухе можно также найти много бактерий. В городах их значительно больше, в горах и над океаном меньше. Так, например, в 1 кубическом метре воздуха в средней части Атлантического океана не всегда можно обнаружить хотя бы одну бактерию, на высоких горах в среднем всегда найдется одна, а в большом городе — от 3480 до 36 000.
В атмосфере постоянно находится огромное количество пыли. Часть ее попадает в атмосферу из межпланетного пространства. Это так называемая космическая пыль, часто образующая там огромные «облака». В некоторых случаях космическая пыль выпадает на Землю в очень большом количестве. Например, 3 мая 1892 года она выпала на площади 660 000 квадратных километров. По произведенным подсчетам это составило около 500 000 тонн, то есть на 1 квадратный метр выпало от 0,5 до 2,0 грамма пыли. Впрочем, к таким подсчетам следует относиться с большой осторожностью, так как отделить выпавшую космическую пыль от пыли земного происхождения практически почти невозможно.
Вторым источником пыли в атмосфере являются извержения вулканов. При этом иногда на высоту до 50 километров выбрасываются огромные количества пыли, которые разносятся воздушными течениями на большие расстояния.
Например, при извержении в 1883 году вулкана Кракатау (в Зондском проливе) в воздух было выброшено около 18 000 кубических километров пыли и пара весом до 36 миллиардов килограммов. Эта примесь носилась в воздухе около двух лет. При извержении 6 июня 1912 года вулкана Катмай на Аляске вулканическая пыль на расстоянии 150 километров от вулкана покрыла землю слоем в 30 сантиметров.
Огромное количество пыли попадает в атмосферу с почвы при сильном ветре. Воздух при этом буквально наполняется пылью, образуются настоящие «пыльные бури». Вспомним о постоянных, имеющихся на Земле, источниках пыли: это пустыни и голые пески. Уже небольшой: ветер поднимает с них огромное количество мелких частиц и насыщает’ ими воздух. Такое явление обычно в наших среднеазиатских пустынях и в Африке (самум). Переносимые ветром мельчайшие частицы с солончаковых пустынь Азии иногда покрывают соседние районы заметным слоем соли. При ветрах из Сахары корабли в Атлантическом океане на большом расстоянии от берега покрываются густым слоем пыли.
Большая часть пыли попадает в атмосферу снизу и с высотой количество ее уменьшается. Это подтверждает следующая табличка:
Высота над уровнем моря, в метрах . : | 100 | 1000 | 2000 | 3000 | 4000 | 5000 | 6000 |
Число пылинок в 1 кубическом сантиметре воздуха | 45000 | 6000 | 700 | 200 | 100 | 50 | 20 |
Заметную и существенную долю примесей в земную атмосферу доставляет море. Прибой о берег и срывание ветром гребешков волн образуют брызги, содержащие морскую соль (в основном хлористый натрий). Мельчайшие частицы соли переносятся воздушными потоками на огромные расстояния. Они играют очень большую роль в образовании облаков и дождя.
Пока говорилось главным образом о сухом воздухе и упоминалось о воде лишь в газообразном ее состоянии. Но в атмосфере вода находится также и в жидком виде (облачные капли, капли дождя) и в твердом (ледяные кристаллы, снежинки). В нижней части атмосферы тропосфере — вода зачастую присутствует во всех трех видах, что является очень существенной особенностью этого слоя атмосферы.
Итак, воздушная оболочка Земли — это сложная смесь с почти неизменным составом основных газов, но с очень непостоянным количеством различных примесей. Непостоянство их содержания особенно сильно проявляется внизу. Именно снизу в воздух постоянно попадают пыль, бактерии, споры растений, морская соль. С высотой количество примесей уменьшается.
Продолжительное время господствовало мнение о том, что и основной газовый состав атмосферы с высотой резко меняется. По теоретическим расчетам, смесь газов в атмосфере должна вести себя таким образом, как будто каждый из них является независимым от других. Следовательно, внизу должен располагаться наиболее тяжелый газ — азот, вверху наиболее легкие — водород и гелий.
Подъемы стратостатов нанесли первый серьезный удар этому мнению, так как состав воздуха на всех высотах до 22 километров (высота, достигнутая советским стратостатом «Осоавиахим 1») оказался совершенно таким же, как и внизу. Одновременно в стратосфере были обнаружены сильные ветры. Очевидно, они-то и являются причиной перемешивания воздуха, что и обеспечивает его однородность.
Советские исследователи М. Ф. Вукс и В. И. Черняев, наблюдая летом 1936 года на горной базе Института теоретической геофизики Академии наук СССР на Эльбрусе свечение ночного неба, обнаружили в его спектре желтую линию натрия. Среди других различных предположений наиболее вероятным, повидимому, следует считать то, что натрий попадает на большие высоты снизу, с поверхности океанов и морей, в состав воды которых он входит. Таким образом, пришлось увеличить высоту слоя перемешивания земной атмосферы с 22 до 82 километров.
Исследование еще больших высот, например изучение полярных сияний, показывает, что и до 150—200 километров и выше земная атмосфера имеет тот же азотно-кислородный состав, что и у поверхности Земли. Стало быть, и до этого уровня весь воздух перемешан.
Постоянен ли состав земной атмосферы? Остается ли он неизменным в течение продолжительного времени? Оба эти вопроса тесно связаны с третьим: когда и как образовалась воздушная оболочка Земли?
Само собой понятно, что предположение о полной неизменности состава атмосферы было бы нелепым. Он также подвержен изменениям, в основе которых лежат закономерности движущейся материи.
По сравнению с историей человечества изменения в газовом составе всей атмосферы в целом протекают медленно. О них можно говорить только в масштабе сотен тысяч или миллионов лет. В течение коротких промежутков времени такие изменения пока не поддаются учету, если не считать колебаний в количестве водяного пара, углекислоты или других составных частей атмосферы, ограниченных небольшими участками и непродолжительных по времени.
Вопрос о происхождении и составе воздушной оболочки Земли неотделим от вопроса о происхождении и эволюции самого земного шара.
И поныне в науке широко распространен взгляд, что планеты солнечной системы образовались путем охлаждения раскаленных газовых сгустков, оторвавшихся от Солнца. При охлаждении этого газового сгустка должно было происходить соединение разных химических элементов с кислородом и образование составляющих земной шар веществ. Зная имеющееся теперь в наличии количество этих веществ, можно подсчитать, сколько кислорода было израсходовано на соединения, и, следовательно, хотя бы приближенно определить то наименьшее его количество, которое имелось в первоначальном сгустке.
Такие расчеты были произведены и обнаружили несоответствие соотношений кислорода и азота на Солнце и на Земле: кислорода на Земле оказалось в несколько тысяч раз больше. Это расхождение не может служить подтверждением отделения Земли от Солнца. Ряд других фактов также не согласуется с таким предположением.
Для увязки этих расхождении между собой и с новыми данными, полученными современной наукой, ученые пытаются разработать новую теорию о происхождении Земли и других планет солнечной системы. Новейшая теория такого рода разработана академиком О. Ю. Шмидтом и его сотрудниками. Они считают, что земной шар, как и другие планеты, образовался не из раскаленных газовых шаров, отделившихся от солнца, а из сгустков холодной космической пыли. Атмосфера же появилась после сформирования планеты в результате постепенного ее разогревания, при медленном накоплении тепла из-за распада радиоактивных элементов и в результате появления жизни и создания почвенного покрова. Следовательно, состав атмосферы должен претерпевать заметные изменения даже за те периоды времени, сведения о которых мы можем почерпнуть из геологических и палеонтологических данных.
Известно, например, что каменный уголь представляет собой остатки древних растений, росших на Земле многие тысячи лет назад. Определение количества угля в открытых сейчас залежах и исследование его свойств показывают, что растения каменноугольного периода были гигантами и их заросли занимали на земном шаре огромные площади. Это могло быть только в том случае, если углекислоты в атмосфере было много больше, чем сейчас.
Чрезвычайно интересные мысли по этому поводу высказал академик В. И. Вернадский. Он подсчитал, что населяющие Землю животные и растения по своей массе существенно превосходят массу атмосферы. В течение одного только года вся земная атмосфера несколько раз проходит сквозь живые организмы при их дыхании и при питании растений. Химический состав ее частей преобразуется. Все то, что растения поглощают из воздуха, они отдают животным, а животные это вновь возвращают в воздух дыханием. Происходит непрерывный круговорот, определяющий собой как состав атмосферы, так и его изменения.
Таким образом, существенная роль в образовании воздушной оболочки Земли должна принадлежать живым организмам. Вместе с тем сама атмосфера является средой, где они развиваются; она находится в постоянном взаимодействии с процессами почвообразования и со всей совокупностью других физических, жизненных и космических процессов.
Следовательно, состав атмосферы не может оставаться постоянным. В соответствии с диалектико-материалистическим законом развития природы он претерпевает большие количественные и качественные изменения, связанные с соответствующими этапами развития жизни на земном шаре и самого земного шара в целом.