Атмосфера — броня Земли

Если б небо вращеньем своим управляло —

ты бы не было,сердце, несчастным ни дня!

Омар Хайям

От физического вакуума космоса Земля отделена собственным электромагнитным полем толщиной 500 — 1000 километров от поверхности геоида. Затем идет ионосфера толщиной 500—100 километров, состоящая из ионизированного газа. Ниже, до уровня геоида располо­жена толща атмосферы.

Потоки солнечного ветра, отклоняемые магнитным полем Земли, образуют магнитный шлейф планеты. Однако часть плазменного вещества просачивается сквозь магнитную броню в районе полюсов и при соприкосновении плазмы с атмосферой возникают полярные сияния, Магнитное поле Земли постоянно противостоит солнечно­му ветру, а магнитное поле Венеры возникает в результате плазменной атаки.

В 1958 году были обнаружены радиационные пояса Земли — воронкообразные магнитные ловушки, в которых протоны и электроны движутся с огромной скоростью. По расчетам, единичный протон пролетает из одной полярной области в другую за доли секунды. В Западном полушарии планеты нижняя граница радиационной оболочки находится на высоте 500, в Восточном — 1000 километров. Советские исследователи в 1960 году обнаружили радиационные аномалии на высоте 200—300 кило­метров. Плотность атмосферы здесь в 50 раз выше, чем на высоте 500 — 1000 километров, и поэтому срок жизни заряженных частиц меньше, но источник пополнения магнитных ловушек более мощный.

В южной части Атлантического океана обнаружена отрицательная магнитная аномалия поля Земли, так как напряженность поля здесь минимальная. И радиационный пояс в этом месте «прогибается» к поверхности планеты.

 Сопоставляя проекции радиационных аномалий с аномалиями гипсометрии поверхности океана, автор увидел, что они почти полностью совпадают. Следовательно, можно поставить вопрос о природе структурных неоднородностей в гидросфере и атмосфере. Объяснений много, но важно выявить связь мантийных неоднородностей с аномалиями поверхности океана и с аномалиями радиационных поясов. Для изучения внешних оболочек Земли Требуется сложная аппаратура, поднимаемая шарами-зондами, метеорологическими ракетами и спутниками. Однако оказалось, что в невесомости человек также способен регистрировать пролет невидимых частиц. Астронавты экипажей «Аполлон-11», «Аполлон-12», «Аполлон- 13», У. Пог, летавший на «Скайлэбе» в 1974 году, и А. Рукавишников на «Союзе-10» отмечали необычные вспышки, регистрируемые глазом. Эти вспышки-фосфены объясняются эффектом Черенкова — Вавилова: при пролете сквозь глаз частиц с атомной массой 2 и более или ядер тяжелых элементов, пока не установленных. Для фосфенового эффекта необходим пролет одной тяжелой частицы на 1000 протонов. В сетчатке глаза остается след, а мозг реагирует на это как на яркую вспышку в обычных условиях. Пролет тяжелой частицы сквозь хрусталик и стекловидное тело глаза регистрируется как излучение.

Это неожиданное свойство природной системы «глаз— мозг» до конца не разгадано, так же как и необычная острота зрения космонавтов, различающих с орбиты от­дельные дома и даже дымы над печными трубами. Ве­роятно, атмосферная броня надежно защищает нас от бомбардировки тяжелыми частицами, так как фосфены на Земле глазом не фиксируются.

Атмосфера Земли представляет собой смесь газов, входящих в состав всех геосфер. В сухом и чистом (лишеном пыли) воздухе тропосферы содержится (в про­центах) 78,09 азота, 20,95 кислорода, 0,93 аргона, 0,03 углекислого газа и только 0,01 приходится на долю водо­рода, гелия, криптона, радона метана, водяного пара. В нижнем пятикилометровом слое атмосферы сосредоточено 50, в шестнадцатикилометровом 90, а в тридцатикилометровом 99 процентов массы атмосферы. Кубический метр воздуха весит на уровне моря 1033 грамма, а на вы­соте 40 километров лишь 4 грамма.

Очень мало в атмосфере озона. Если мысленно выделить его из всего атмосферного столба, то получится слой не толще 2-3 миллиметров. Современная атмосфера Земли вторична. В ней только сохранены реликты первичной газовой оболочки типа юпитерианской. Основная часть газов атмосферы образовалась на Земле в результате дегазации недр. Геологи уверенно говорят о гелиевом, углекислом и даже аргоновом «дыхании» Земли. Не исключено, что на рубеже архея и протерозоя первичная атмосфера была сорвана в результате катастрофического удара неизвестного космического тела о нашу планету. Важно, что толщина атмосферы была достаточной уже к началу палеозоя.

Возмущения атмосферы порождают сильные ветровые потоки. И тогда ветер становится мощным геологическим фактором. Академик Д. В. Наливкин в книге «Ураганы, бури и смерчи» пишет, что одна пыльная буря может перенести до 25 кубических километров почвы, то есть 50 миллиардов тонн! Вспомним, что все реки планеты выносят в год не больше 12 кубических километров твердых частиц. Ученые подсчитали, что общая мощность энергии, перерабатываемой атмосферой и поверхностью Земли, равна 10¹³ киловаттам, а тепловое равновесие может быть нарушено при потоке энергии с Земли около 3-10¹² киловатт. В настоящее время общая мощность энергетических воздействий на атмосферу 1-10¹⁰ киловатт и только через 150 лет тепловое воздействие станет существенным.  

Загрязнение атмосферы

В атмосферу поступает также значительное количество углекислого газа. Общая масса углекислоты в атмосфере 2650 миллиардов тонн, что отвечает природной концентрации 3,25*10^-4. Это отношение числа молекул СО₂ к общему числу молекул воздуха. Из 700 миллиардов тонн углерода в атмосфере на синтез углеводородов ежегодно уходит из атмосферы 150 миллиардов тонн. Столько же поступает в атмосферу и в результате гниения, и в процессе дыхания. Без вмешательства человека равновесие длительное время может оставаться ненарушенным. При сжигании минерального и органического топлива в системе Земля — воздух масса углерода в атмосфере увеличивается на 5 миллиардов тонн в год. Это заметно. Концентрация С0₂ с 1958 по 1976 год возросла только на 4 процента. (Но не на 10 процентов, как предполагалось при приросте 5 миллиардов тонн углерода!) Видимо, часть углерода в атмосферу не переходит, а связывается в продуктах фотосинтеза, образование которых стимулируется ростом СO₂ в приповерхностных слоях атмосферы. Значит, за последние два десятка лет скорость фотосинтеза на планете выросла по крайней мере на 4 процента. Следовательно, на 10 процентах суши, что отвечает площади сельскохозяйственных угодий, ежегодный урожай эквивалентен поступлению в сферу обращения 3 миллиардов тонн углерода. С учетом добычи угля, нефти, горючих сланцев в 2020 году в атмосферу может поступить 13 миллиардов тонн углерода. За этот срок атмосфера обогатится еще больше углекислотой и концентрация СО₂ достигнет 3,64-10^-4. Таким образом, изменение концентрации С0₂ в атмосфере будет такой, как в комнате объемом 35 кубических метров, где дышал в течение 5 минут один человек.

Многие считают, что при росте С0₂ в атмосфере климат потеплеет («парниковый эффект»). Однако прирост тепла при увеличении концентрации С0₂ на 10 процентов составит лишь 0,2°С. Вероятнее всего, в начале XXI века произойдет не тепловое загрязнение атмосферы, а увеличится рост продуктивности сельского хозяйства. Молекулярный состав земной атмосферы изменить, достаточно трудно.

Атмосфера Земли резко отличается от атмосфер других планет. Например, в атмосфере Венеры СО₂ 90 объёмных процентов, а молекулярного кислорода лишь 0,1 процента. Давление у поверхности Венеры 9000 килопаскалей, а температура 740 К. Следовательно, при определенных условиях на поверхности Венеры могут образоваться горные породы типа земного гранита. В атмосфере Юпитера водород, гелий, азот и углерод находятся в таких же пропорциях, как в атмосфере Солнца. В 1974 году на Юпитере обнаружена вода в концентрации в 100 раз ниже, чем на Солнце. Закономерен вопрос: не является ли атмосфера Юпитера моделью праатмосферы Земли?

Судя по расчетам, 3 миллиарда лет назад на поверхности Земли воздух был нагрет до 71 °С; 1,2 миллиарда лет назад его температура была уже только 32 °С, а в раннем палеозое 20 °С. В триасе (225—190 миллионов лет назад) температура воздуха поднялась до 40 °С, а с мезокайнозоя заметно похолодало — до 17 °С.

В настоящее время средняя температура воздуха у поверхности Земли 14,2 °С (в Северном полушарии 15,2 °С, в  Южном 13,3 °С). Значит, в отдаленном прошлом (в архее и протерозое) интенсивность процессов метаморфизма горных пород стимулировалась тепловым экраном атмосферы; тепловой градиент планеты был иным.

По палеонтологическим данным, 700 тысяч лет назад внезапно вымерли многие виды микроорганизмов. Объясняя это явление, ученые пришли к выводу, что тогда произошла переполюсовка магнитного поля Земли. Защитный экран атмосферы был ослаблен, и космические частицы образовали значительные массы окиси азота, которая разрушила озоновый экран. Естественно, подобные явления могут быть вызваны и человеческой деятельностью, Например, продукт выхлопов реактивных самолетов —  окись азота — накапливается в верхних слоях тропосферы.

Озон составляет лишь миллионную долю атмосферы и сосредоточен главным образом в стратосфере на высоте 15—60 километров. Его защитная роль состоит в том, что он прекрасно поглощает ультрафиолетовые лучи с длиной волны меньше 0,2 микрометра, а также отражает инфракрасное излучение Земли. Озон образуется при расщеплении молекул кислорода излучением с длиной волны короче 200 000 тысяч нанометров. Видимо, на высоте 20—30 километров созданы оптимальные условия устойчивости такого нестабильного соединения, как озон.

В настоящее время все чаще в промышленности и быту используют неядовитые и химически инертные фреоны-фторхлорметаны. Фреон-12 (СF₂СI) кипит при температуре минус 30° С. Точка кипения фреона-11 (СFСI₂) плюс 24 °С. Оба эти фреона отличные пенообразователи в огнетушителях и пропелленты в аэрозольных упаковках. Кроме того, фреон-12 применяют в рефрижераторных установках. В 1974—1975 годах появились научные сообщения о том, что в стратосфере фреоны разрушаются ультрафиолетовыми лучами, а хлор реагирует с озоном. По замерам 1975 года фреона-11, фреона-12, трихлорэтана и четыреххлористого углерода в тропосфере содержится 10—130 частей на миллион, а это составляет 4 капли в 380 литрах.

Фреоны не разрушаются дождем. Под действием лу­чей с длиной волны 184—225 нанометров они фотолитически разлагаются и становятся источником хлора:

СFСI₃ + hv => СFСI₂ + СI,

СF₂СI₂ + hv => СF₂СI + СI.

Затем хлор каталитически разлагает озон:

СI + 0₃ => CIO + O₂,

СЮ + О => СI + O₂,

O₃ + O => O₂ + O₂.

Тревога ученых понятна; если выброс фреонов в атмосферу не будет прекращен до 2015 года, то количество озона в стратосфере упадет к 2020 году на 10 процентов. Следовательно, усилится ультрафиолетовое облучение и, как следствие, возрастет частота заболеваний раком кожи.

Угроза серьезна, ведь только США в 2004 году произ­вели 2,3 миллиона тонн фреонов, по сравнению с 2002 го­дом темп прироста составил 54 процента. В 2005 году мир произвел 6 миллиардов штук аэрозольных упаковок на основе фреонов (из них в США 2,35 миллиарда штук). Таким образом, удобные в быту изящные флакончики с духами, дезодорантами, ядами против насекомых и ла­ком для париков представляют собой «экологическую диверсию».

Но фреоны — только одна из угроз. Производство других хлорных производных также растет. Ракетным топливом является NH₄CIO₄. И доставляются продукты сгорания сразу на большую высоту.

Ведутся тщательные исследования проблемы фторхлоруглеродов, в том числе и со спутников «ОАО-3», «Нимбус», «Эсплорер-Е». Аппараты слежения доставляются на орбиты ракетами. И попутно загрязняют атмосферу окисью азота. Не опасно ли это? Подсчитано, что при входе в плотные слои атмосферы космический корабль выбрасывает окись азота в количестве, равном 7-9 процентам массы корабля. Даже 100 космических кораблей добавят в атмосферу всего лишь 950—1000 тонн окиси азота, а автомобилями и тепловыми электростанциями США выбрасывается 15 миллионов тонн этого газа. Следовательно, угроза загрязнения атмосферы азотом идет с Земли. Не последнюю роль играют азотные удобрения: их производят примерно 50 миллионов тонн в год, третья часть бесполезно уходит в реки и озера и, превращаясь в окись азота, вместе с парами воды достигает стратосферы, где последняя начинает разрушительную работу против озонового экрана планеты.

Этносферные функции атмосферы

Атмосфера обеспечивает живые организмы Земли необходимым веществом, энергией и определяет направленность и скорость метаболических процессов. Газовый состав современной атмосферы является оптимальным для существования и развития жизни. Будучи областью формирования погоды и климата, атмосфера должна создавать комфортные условия для жизнедеятельности людей, животных и растительности. Отклонения в ту или другую сторону в качестве атмосферного воздуха и погодных условиях создают экстремальные условия для жизнедеятельности животного и растительного мира, в том числе и для человека.

Атмосфера не только обеспечивает условия существования человечества, являясь основным фактором эволюции этносферы. Она в то же время оказывается энергетическим и сырьевым ресурсом производства. В целом атмосфера — это фактор, сохраняющий здоровье человека, а некоторые области в силу физико-географических условий и качества атмосферного воздуха служат рекреационными территориями и являются областями, предназначенными для санаторно-курортного лечения и отдыха людей. Таким образом, атмосфера является фактором эстетического и эмоционального воздействия.

Этносферные и техносферные функции атмосферы, определенные совсем недавно (Е. Д. Никитин, Н. А. Ясаманов, 2001), нуждаются в самостоятельном и углубленном исследовании. Так, весьма актуальным является изучение энергетических атмосферных функций как с точки зрения возникновения и действия процессов, наносящих ущерб окружающей среде, так и с точки зрения воздействия на здоровье и благосостояние людей. В данном случае речь идет об энергии циклонов и антициклонов, атмосферных вихрей, атмосферном давлении и других экстремальных атмосферных явлениях, эффективное использование которых будет способствовать успешному решению проблемы получения не загрязняющих окружающую среду альтернативных источников энергии. Ведь воздушная среда, особенно та ее часть, которая располагается над Мировым океаном, является областью выделения колоссального объема свободной энергии.

Например, установлено, что тропические циклоны средней силы только за сутки выделяют энергию, эквивалентную энергии 500 тыс. атомных бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки. За 10 дней существования такого циклона высвобождается энергия, достаточная для удовлетворения всех энергетических потребностей такой страны, как США, в течение 600 лет.

В последние годы было опубликовано большое количество работ ученых естественнонаучного профиля, в той или иной мере касающихся разных сторон деятельности и влияния атмосферы на земные процессы, что свидетельствует об активизации междисциплинарных взаимодействий в современном естествознании. При этом проявляется интегрирующая роль определенных его направлений, среди которых надо отметить функционально-экологическое направление в геоэкологии.

Данное направление стимулирует анализ и теоретическое обобщение информации по экологическим функциям и планетарной роли различных геосфер, а это, в свою очередь, является важной предпосылкой для разработки методологии и научных основ целостного изучения нашей планеты, рационального использования и охраны ее природных ресурсов.

Атмосфера Земли состоит из нескольких слоев: тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы, ионосферы и экзосферы. В верхней части тропосферы и нижней части стратосферы располагается слой, обогащенный озоном, именуемый озоновым экраном. Установлены определенные (суточные, сезонные, годовые и т. д.) закономерности в распределении озона. Со времени своего возникновения атмосфера влияет на течение планетарных процессов. Первичный состав атмосферы был совершенно иным, чем в настоящее время, но с течением времени неуклонно росли доля и роль молекулярного азота, около 650 млн. лет назад появился свободный кислород, количество которого непрерывно повышалось, но соответственно снижалась концентрация углекислого газа. Высокая подвижность атмосферы, ее газовый состав и наличие аэрозолей обусловливают ее выдающуюся роль и активное участие в разнообразных геологических и биосферных процессах. Велика роль атмосферы в перераспределении солнечной энергии и развитии катастрофических стихийных явлений и бедствий. Негативное воздействие на органический мир и природные системы оказывают атмосферные вихри — смерчи (торнадо), ураганы, тайфуны, циклоны и другие явления. Основными источниками загрязнений наряду с природными факторами выступают различные формы хозяйственной деятельности человека. Антропогенные воздействия на атмосферу выражаются не только в появлении различных аэрозолей и парниковых газов, но ив увеличении количества водяных паров, и проявляются в виде смогов и кислотных дождей. Парниковые газы меняют температурный режим земной поверхности, выбросы некоторых газов уменьшают объем озонового экрана и способствуют возникновению озоновых дыр. Велика этносферная роль атмосферы.