Эволюция атмосферы в истории Земли

СЛАЙД 17 Современная атмосфера

Напомним вначале  основные характеристики земной атмосферы: масса атмосферы

равна примерно 5,15-10²¹г, среднее давление воздуха на уровне моря p₀ равняется одной физической атмосфере, или 1,0132 бар (760 мм ртутного столба), а плотность р₀ « 1,27-10^-3 г/см³. С высотой давление и плотность воздуха быстро уменьшаются по экспоненциальному закону. Соответственно уменьшается с высотой и плотность воздуха.

СЛАЙД 18- 19

Азотно-кислородный  состав земной атмосферы уникален для  планет Солнечной системы. Сухой  воздух содержит 75,51% (по массе) азота, 23,15 - кислорода, 1,28 -аргона, 0,046 - углекислого  газа, 0,00125 - неона и около 0,0007% остальных  газов. Важной активной компонентой атмосферы является водяной пар (и вода в каплях облаков). Содержание водяного пара и воды в атмосфере достигает (0,12 - 0,13)-10²⁰ г, что в пересчете на слой конденсированной воды составляет 2,5 см (25 мм), или в среднем 2,5 г/см² земной поверхности. Если учесть среднегодовое испарение и выпадение осадков, приблизительно равное 780 мм водяного столба, то легко определить, что водяной пар в атмосфере обновляется примерно 30 раз в году, или каждые 12 дней. В верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца возникает озон, состоящий из трехатомных молекул кислорода. Несмотря на малые количества озона в атмосфере О₃ « 3,1-10¹⁵ г (кислорода в атмосфере О₂ = 1,192-10²¹ г), этот газ спасает жизнь на поверхности Земли от пагубного воздействия на нее жесткого излучения Солнца. 

СЛАЙД 20 -21

По распределению  температуры в атмосфере Земли  можно выделить три характерных  слоя.

 Нижний и  наиболее плотный слой земной  атмосферы - ее тропосфера простирается  до высот порядка 8-10 км в высоких широтах и до 16-18 км в экваториальном поясе (в среднем до 12 км), содержит около 80% массы всей атмосферы и характеризуется почти линейным распределением температуры.

Средний слой уже  существенно разреженной атмосферы  включает в себя стратосферу и мезосферу и характеризуется крупным максимумом температуры, достигающим 270 К на высотах около 50 км. Этот температурный максимум связан с поглощением озоном ультрафиолетового излучения Солнца.

Еще выше расположена  термосфера, в которой температура увеличивается с высотой до 1000 К и более, а на высотах, превышающих 1000 км, термосфера постепенно переходит в экзосферу и далее в открытый космос.

Между тропосферой  и стратосферой, мезосферой и термосферой  существуют переходные слои, соответственно тропопауза, с температурами около 190-220 К и мезопауза с температурами, близкими к 180-190 К. 

Распределение температуры в тропосфере Земли  принципиально отличается от ее распределения  в стратосфере, мезосфере и термосфере. В тропосфере это распределение почти линейное, тогда как в верхней атмосфере оно резко нелинейное с характерным максимумом на высотах около 50 км и ростом температуры выше 90 км. Максимум температуры на высотах около 50 км связан с поглощением ультрафиолетового излучения Солнца озоном, повышение температуры выше 90 км связано с ионизацией разреженного воздуха жестким излучением Солнца. Таким образом, в стратосфере и мезосфере температура в основном определяется радиационным механизмом передачи тепла, тогда как распределение температуры в тропосфере определяется другими процессами, главным из которых является конвективный вынос тепла из этого нижнего и плотного слоя атмосферы в стратосферу, где далее оно теряется в космосе уже радиационным путем. 

СЛАЙД 22 солнечная  радиация 

СЛАЙД 23 АЛЯРМ  ЖИНЕРАЛЬ

Согласно расчетам, уже через 1 млрд лет средняя поверхностная  температура Земли достигнет  температуры около 110 °С. Далее температура  земной поверхности быстро возрастет  до кипения воды при повышенных давлениях.

После этого  общее давление земной атмосферы превысит критическое давление воды (225,7 атм), тогда как температура соответственно поднимется выше ее критического значения (374 °С) и достигнет 440 °С. Парниковый эффект при этом возрастет до 550 °С, т.е. станет большим, чем у Венеры (~512 °С). Но при таких высоких температурах должна начаться дегидратация земной коры и диссоциация карбонатов, а это может добавить к давлению атмосферы еще около 150-180 атм.

Если это произойдет, то общее давление земной атмосферы  в далеком будущем может достичь 470-500 атм. В этом случае поверхностная температура Земли значительно превысит 470 °С, т.е. станет выше температуры на поверхности Венеры (467 °С). Безусловно, после таких катастрофических событий ни о какой жизни на Земле говорить не придется.

Живописуя эволюционный конец нашей планетной системы, астрофизик Л. Аллер (1976) так описывает эти события: "Солнце будет постепенно становиться ярче, и соответственно температура на Земле будет повышаться, пока в конце концов океаны не выкипят, а Земля не превратится в раскаленный шлак.

 Сравнительно  ненадолго Солнце станет гигантом, но вскоре его внешняя оболочка  улетучится в космическое пространство, а ядро сморщится до белого  карлика с плотностью, превышающей  от ста тысяч до миллиона  раз плотность воды.

С этого времени каждому электрону и каждому ядру определено место в том гигантском невероятно плотном кристалле, который когда-то был звездой. Ни одна частица не может шевельнуться без того, чтобы другая не заняла ее место. Никаких отклонений нигде и никогда.

Это полная смерть, из которой нет воскрешения, так  как вещество, замурованное в подобном состоянии, останется таким до скончания  времен.

А что произойдет с веществом, которое покинет  умирающее Солнце и постепенно смешается  с облаками межзвездного смога и газа? Мы никогда не узнаем об этом, но, возможно, оно послужит материалом для тех грандиозных преобразований, которые приведут к возникновению молодых звезд и новых планет".

Однако все  эти катастрофические события произойдут, на наше счастье, еще очень и очень не скоро, только через 5-5,5 млрд лет.