Химические процессы в атмосфере Земли

Особливості атмосфери Землі

Атмосфера почала утворюватися разом з формуванням Землі.Деякі геологічні процеси, наприклад, виливу лави при виверженнях вулканів супроводжувалися викидом газів з надр Землі.До їх складу входили азот, аміак, метан, водяна пара, оксид вуглецю (чадний газ) ідіоксид вуглецю(вуглекислий газ).Під впливом сонячної ультрафіолетової радіації водяна пара розкладався на водень і кисень, але звільнився кисень вступав у реакцію з оксидом вуглецю, утворюючи вуглекислий газ.Аміак розкладався на азот і водень.Водень в процесі дифузії піднімався вгору і залишав атмосферу, а більш важкий азот не міг зникнути і поступово накопичувався, стаючи основним її компонентом, хоча деяка його частина зв'язувалася в молекули в результаті хімічних реакцій.

Під впливом ультрафіолетових променів і електричних розрядів суміш газів, присутніх у первісній атмосфері Землі, вступала в хімічні реакції, у результаті яких відбувалося утворення органічних речовин, зокрема амінокислот.З появою примітивних рослин почався процес фотосинтезу, що супроводжувався виділенням кисню.Цей газ, особливо після дифузії у верхні шари атмосфери, став захищати її нижні шари і поверхню Землі від небезпечних для життя ультрафіолетового і рентгенівського випромінювань.Згідно з теоретичними оцінками, вміст кисню, в 25000 разів менше, ніж зараз, вже могло привести до формування шару озону з усього лише вдвічі меншою, ніж зараз, концентрацією.Однак цього вже достатньо, щоб забезпечити досить істотний захист організмів від руйнівної дії ультрафіолетових променів.

В результаті фотохімічних процесів змінюється склад атмосфери планет.Особливо це стосується атмосфери Землі, оскільки вона являє собою, поряд з азотом та іншими інертними газами, нерівноважну суміш кисню і окисляються сполук, таких, як водень Н_2,метан СН_4,монооксид вуглецю СО, сірководень Н₂S.Нерівноважності почасти підтримується біологічними процесами, але основним фактором є сонячна радіація, яка ініціює різні фотохімічні реакції.На великих висотах більш короткохвильове випромінювання викликає фотоіонізації, в результаті якої в атмосферу потрапляють і іони.Наявність в атмосфері шару іонізованого газу дозволяє здійснювати далеку радіозв'язок.Деякі речовини, що потрапляють в атмосферу в результаті діяльності людини, особливо вихлопні гази автомобілів, зазнають фотохімічні перетворення, в результаті яких утворюються отруйні та токсичні речовини.Продукти неповного згоряння вуглеводнів і монооксид азоту NO на світлі реагують з киснем з утворенням таких з'єднань, як озон (токсичний для тварин і рослин), діоксид азоту NO₂(також токсична речовина), пероксіацетілнітрат (речовина, що викликає роздратування слизової оболонки очей і токсична для рослин ) і частинки сажі, що погіршують видимість.

Більшість фотохімічних процесів починається з того, що речовина поглинає світло.Це призводить до переходу електронів його атомів або молекул на більш високий енергетичний рівень - інакше кажучи, до переходу їх в збуджений стан.Такі атоми і молекули поводяться по-іншому, ніж коли вони знаходяться в основному стані, і процеси, в яких вони можуть приймати участь, відрізняються від звичайних «теплових» хімічних реакцій.При поглинанні кванта видимого світла енергія збудженої молекули стає порівнянної з енергією хімічних зв'язків, тому молекула може зазнати хімічне перетворення - або сама по собі, або в результаті взаємодії з іншою молекулою.

ХІМІЧНИЙ СКЛАД АТМОСФЕРИ

Верхні шари атмосфери - це шари атмосфери від 50 км і вище, вільні від збурень, викликаних погодою.На цій висоті повітря розріджене.На поведінку верхніх шарів атмосфери сильно впливають такі позаземні явища, як сонячна та космічна радіація, під дією яких молекули атмосферного газу іонізуються і утворюють іоносферу.Верхні шари атмосфери включають в себе мезосферу, термосферу і іоносферу.

Мезосфера - шар атмосфери на висотах від 40 до 90 км.Характеризується підвищенням температури з висотою; максимум температури (порядку +50 ° C) розташований на висоті близько 60 км, після чого температура починає спадати до -70 ° або -80 ° C.Таке підвищення температури пов'язано з енергійним поглинанням сонячної радіації (випромінювання) озоном.

В цілому, на всьому протязі мезосфери температура атмосфери зменшується до мінімального її значення близько 180 К на верхній межі мезосфери (званої мезопауза, висота близько 80 км).В околиці мезопаузи, на висотах 70-90 км, може виникати дуже тонкий шар крижаних кристалів і часток вулканічного і метеоритного пилу, що спостерігається у вигляді гарного видовища сріблястих хмар незабаром після заходу Сонця.

Термосфера - шар атмосфери, наступний за мезосферою, починається на висоті 80-90 км і тягнеться до 800 км.Температура повітря в термосфере коливається на різних рівнях, може варіюватися від 200 К до 2000 К, в залежності від ступеня сонячної активності.Причиною є поглинання ультрафіолетового випромінювання Сонця на висотах 150-300 км, обумовлене іонізацією атмосферного кисню.Полярні сяйва і безліч орбіт штучних супутників, а так само сріблясті хмари - всі ці явища відбуваються в мезосфері і термосфере.

Іоносфера - верхні шари атмосфери, починаючи від 50-80 км, що характеризуються значним вмістом атмосферних іонів і вільних електронів внаслідок опромінення космічними променями, що йдуть, в першу чергу, від Сонця.Ступінь іонізації стає істотною вже на висоті 60 кілометрів і неухильно зростає з віддаленням від Землі.На різних висотах в атмосфері відбуваються послідовно процеси дисоціації різних молекул і подальша іонізація різних атомів і іонів.В основному це молекули кисню О_2,азоту N₂та їх атоми.Залежно від інтенсивності цих процесів різні шари атмосфери, що лежать вище 60 кілометрів, називаються іоносферними шарами, а їх сукупність іоносферою.Нижній шар, іонізація якого несуттєва, називають нейтросферой.Максимальна концентрація заряджених частинок в іоносфері досягається на висотах 300-400 км.