Углекислый газ в атмосфере и его физические свойства объем, плотность, масса

Углекислый газ выполняет важную функцию в атмосфере Земли. Он вовлечен в процессы появления и разложения всех живых организмов и образования органических соединений из неорганических.
В биосфере СО2 поддерживает процесс фотосинтеза, который образовывает растительный мир суши и поверхности океана.
Совместно с молекулами воды, метана и озона он формирует «парниковый эффект».

Диоксид углерода — это парниковый газ, который в воздухе воздействует на теплообмен земли и является ключевым элементом в формировании земного климата.
На сегодняшний день прослеживается повышение концентрации двуокиси углерода в атмосфере из-за появления новых искусственных и естественных его источников. Это значит, что климат планеты будет меняться.

• Источники углекислоты
• Поглотители двуокиси углерода
• Взаимодействие с океаном
• Взаимодействие с землей
• Заключение

Большая часть диоксида углерода планеты естественного происхождения. Но также источниками СО2 являются промышленные предприятия и транспорт, которые обеспечивают выброс в атмосферу углекислого газа искусственного происхождения.

При перегнивании деревьев и травы каждый год выделяется 220 миллиардов тонн углекислого газа. Океанами выделяется 330 миллиардов тонн. Пожары, которые образовались в связи с природными факторами приводят к выбросу СО2, равному по количеству антропогенной эмиссии.

Естественными источниками углекислоты являются:

• Дыхание флоры и фауны. Растения и животные поглощают и вырабатывают СО2, так устроено их дыхание.
• Извержение вулканов. Вулканические газы содержат двуокись углерода. В тех регионах, где есть активные вулканы, углекислый газ способен выходить из земных трещин и разломов.
• Разложение органических элементов. Когда органические элементы горят и перегнивают появляется СО2.

Диоксид углерода хранится в углеродных комбинациях: угле, торфе, нефти, известняке. В качестве резервных хранилищ можно назвать океаны, в которых содержатся большие резервы углекислоты и вечную мерзлоту. Однако, вечная мерзлота начинает таять, это можно заметить по уменьшению снежных шапок самых высоких гор мира. При разложении органики наблюдается рост выделения в атмосферу углекислого газа. В результате чего хранилище преобразуется в источник.

Северные районы Аляски, Сибири и Канады — это в основном вечная мерзлота. В ней содержится много органического вещества. Из-за нагрева арктических регионов вечная мерзлота тает и происходит гниение ее содержимого.

Главными искусственными источниками CO2 считаются:

• Выбросы предприятий, которые происходят в процессе сгорания. Результатом является значительное повышение концентрации углекислого газа в атмосфере планеты.
• Транспорт.
• Превращение хозяйственных земель из лесов в пастбища и пахотные земли.

В мире растет количество экологических машин, но их процент по отношению к машинам внутреннего сгорания очень мал. Стоимость электрокаров выше обычных машин, поэтому многие не имеют финансовой возможности приобрести такой вид транспорта.

Интенсивное сокращение лесов для промышленности и сельского хозяйства относится к антропогенным источникам CO2 не в прямом смысле. Деятельность по уменьшению лесных массивов является причиной неучастия диоксида углерода в процессе фотосинтеза. Что приводит к его накоплению в атмосфере.

Поглотители двуокиси углерода

Поглотителями называют любые искусственные или природные системы, которые впитывают из воздуха углекислый газ. Поглотитель — это структура, которая вбирает из воздуха больше CO2 чем выбрасывает в него.

Леса способны воздействовать на количество двуокиси углерода в воздухе. Они могут быть и поглотителями, и источниками выбросов параллельно (при вырубке). Когда деревья увеличиваются, а лес растет, то углекислый газ поглощается. Данный процесс считается основой развития биомассы. Выходит, что прогрессирующий лес выступает поглотителем.

Лес северного полушария

При сжигании и уничтожении леса основная доля накопленного углерода опять преобразуется в углекислый газ. В итоге лес снова является источником СО2.
Фитопланктон также является поглотителем углекислого газа на земле. При этом большая часть поглощенного углерода, передаваясь по пищевой цепочке, остается в океане.

Самыми известными поглотителями СО2 считаются: раствор едкого калия, натронная известь и асбест, едкий натр.
Эти соединения при протекании химических реакций связывают углекислоту, преобразовывая ее в другие соединения. Существуют установки, которые улавливают углекислый газ из выбросов электростанций и преобразуют его в жидкое или твердое состояние с последующим применением в промышленности. Производятся испытания закачки углекислого газа, растворенного в воде, в базальтовые породы под землей. В процессе реакции образуется твердый минерал.

Станция закачки углекислого газа под землю

Взаимодействие с океаном

В океанах углекислота по наличию превышает атмосферное содержание, если пересчитать на углерод, то выйдет примерно 36 триллионов тонн. Растворенный в океане CO2 находится в виде гидрокарбонатов и карбонатов. Эти соединения образуются в процессе химических реакций между подводными скальными породами, водой и двуокисью углерода. Реакции эти обратимы, они вызывают образование известняковых и других карбонатных пород с высвобождением половины гидрокарбонатов в виде диоксида углерода.

Круговорот углекислого газа в океане

Протекая сотни миллионов лет, этот круговорот реакций привёл к связыванию в карбонатных породах большей части диоксида углерода из атмосферы Земли. По итогу большинство двуокиси углерода, полученной в результате интенсивных выбросов углекислого газа в атмосферу человеком, будет растворено в океанах. Но скорость, с которой будет протекать этот процесс в дальнейшем, остается неизвестной.
Наличие фитопланктона на поверхности океанов помогает поглощать СО2 из воздуха в океан. Некоторое количество углекислого газа фитопланктон поглощает при фотосинтезе, приобретая энергию и источник для развития клеток. Когда он погибает и спускается на дно, углерод остается с ним.

Взаимодействие с землей

Углекислый газ воздуха на генетическом уровне взаимосвязан с землей. Постоянно протекающие почвенные движения увеличивают резервы СО2 в воздухе, где он используется растениями на образование органических элементов. Углекислота выполняет важную функцию в формировании и проветривании почвы. Он принимает участие в разрушении основных минералов, увеличении растворяемости, перемещении карбонатов и фосфатов.

Значительная доля диоксида углерода грунтового воздуха появляется в результате деятельности почвенных организмов, во время распада и окисления органического элемента. До 1/3 части СО2 вырабатывается корнями высоких растений. Также происходит поступление углекислого газа с газами ювенильного и вадозного происхождения из глубочайших шаров земли. В почвах, сформированных на известковых породах, СО2 способен выступать продуктом разрушения углекислого кальция почвенными кислотами.

СО2 грунтового воздуха имеет огромную биологическую значимость. Ее излишек (больше 1%) подавляет проращивание семян и рост корневой системы. Если убрать углекислоту все равно ее кратковременный излишек приведет к медленному росту семян.

В почвах с большим содержанием органического вещества концентрация СО2 летом и весной увеличивается до 3-9 %. Черноземные грунты вырабатывают от 2 до 6 кг углекислого газа на протяжении 24 часов. В почвенном воздухе на глубине 75-150 см в два раза больше содержание СО2 нежели в верхних слоях. В теплые времена содержание СО2 в почвенном воздухе в два раз больше чем в зимний период. Объяснить это можно увеличением активности организмов в грунте.
Необходимо понимать, что многочисленные способы земледелия приводят к повышению концентрации углекислоты в грунте. Среди них можно выделить:

• органические удобрения;
• травосеяние;
• сжатие катками.

Безусловно, не стоит говорить, что плодородность и качество земли зависит исключительно от углекислоты, есть и другие факторы, влияющие на это.
Чтобы регулировать динамику СО2 в почве и увеличивать его содержание до требуемого количества для извлечения хорошего урожая необходимо:

• активировать жизненные процессы в грунте при помощи аэрации;
• осуществлять правильное травосеяние для того чтобы поддерживался и обновлялся резерв органического вещества;
• делать сидерацию и вносить органические удобрения.

Заключение

Несомненно, что без углекислого газа существование на нашей Земле кардинально отличалось бы. Он вовлечен в важнейшие биологические, химические, геологические и климатические процессы. О них важно знать для объяснения многих явлений, происходящих вокруг нас.

Молекула углекислого газа

Углекислый газ представляет собой бесцветный газ, без запаха,который относится к неорганическим веществам. Другие названия вещества — диоксид углерода, двуокись углерода, углекислота, диоксид карбона, угольный ангидрид. Молекула углекислого газа состоит из атома углерода, соединенного двойной ковалентной связью с двумя атомами кислорода.

Электронная формула диоксида углерода

Химическая формула — CO2. Молярная масса углекислоты равна 44,01 г/моль. Расстояние от центра центрального атома углерода до каждого центра атома кислорода равно 116,3 пикометров (10 в -12 степени).

Структурная формула молекулы

CO2 при низких температурах и нормальном давлении замерзает и кристаллизуется в белую массу, похожую на снег — «Сухой лед». При превышении температуры (-78.5 °C) начинается его испарение (кипение), минуя фазу жидкостного состояния.

В жидкостное состояние газ преобразуется при высоком давлении (73.8 атм.) и средних температурах (+31.1 °C). Это критическая точка углекислоты. Подъем температуры или давления после нее приводит к образованию сверхкритической жидкости (Отсутствует различие между жидкостной и газовой фазой). При снижении температуры до -56.6 °C и давления до 5.2 атм. он остается в жидкостной фазе. Это предельные значения, при изменении которых углекислота переходит в газообразную или твердую фазу (тройная точка состояний).

CO2 не ядовит, но при превышении концентрации в десятки раз, он оказывает удушающее воздействие на живые организмы и вызывает кисловатый вкус и запах (реакция CO2 со слюной и слизистыми образует угольную кислоту).

Двуокись углерода превышает по плотности кислород на 37 процентов и равна 1,96 кг/м3 при нормальных условиях среды (температура — 273 К, давление — 101 кПа). Этим физическим свойством объясняется потеря сознания у животных в «Собачьей пещере», расположенной рядом с городом Поццуоли, Италия. Диоксид углерода скапливался из трещин кратеров в нижних слоях пещеры, тем самым достигая больших концентраций. Туристов приводили туда обычно с собакой, которая в пещере с течением времени теряла сознание. Человек обычно не подвергался воздействию CO2, так как дышал воздухом с более высокого уровня.

Плотность углекислоты, воздуха и кислорода.

Статья ставит перед собой цель довести до сведения людей информацию о газе, который необходим человеку для жизнедеятельности и поддержания важных процессов в природе на земле. Но его воздействие, при увеличении, дестабилизирует окружающую среду и может привести к глобальным и необратимым процессам разрушения для планеты. В настоящее время мы уже можем наблюдать изменение климатических условий на разных континентах, связанные с одним из значимых газов на земле – диоксидом углерода.

Происхождение

Образование диоксида углерода носит естественный характер. Основная часть углерода на Земле миллионы лет хранится в надежных кладовых карбонатных горных пород, вроде той, из которых состоят известные «Белые Скалы Дувра» на побережье Ла-Манша.

В создании этих скал участвовали существа, в тысячу раз меньше булавочной головки. Триллионы подобных, микроскопических существ — одноклеточные водоросли.

Вулканы, горячие источники и гейзеры выбрасывали CO2 в атмосферу, а океаны осуществляли его медленное поглощение. Сотни миллионов лет одноклеточные водоросли растворяли в себе двуокись углерода и формировали из нее крошечные раковины. Обилие этих раковин образовывало огромные залежи мела или известняка на дне океана. В результате смещения тектонических плит, земля подняла морское дно из глубины и высекла из него большие «Белые Скалы Дувра». Полипы и водоросли, которые умеют из воды извлекать известь, использовали двуокись углерода для постройки гигантских коралловых рифов. Сами же океаны превращали в известняк поглощенный диоксид углерода, без помощи со стороны живых существ.

Поглощение океаном CO2

С течением времени в атмосфере планеты остались едва заметные следы CO2, концентрация углекислого газа на данный момент составляет около 0,04 процента от общего объема воздуха. Сейчас наряду с азотом (N2), кислородом (O2) и аргоном (Ar) диоксид углерода образует составную часть воздуха планеты, которым мы дышим.

В массовом эквиваленте на кубометр воздуха приходится 760 миллиграмм CO2. Однако в этом и заключается разница между бесплодной пустошью и буйством жизни в земном саду. При полном отсутствии углекислого газа Земля превратилась бы в ледяной шар. При увеличении его в 2 раза, а именно при 8 молекулах на каждые 10000, нам стало бы не комфортно при такой жаре.

Открытие

Первооткрывателем углекислого газа является шотландский физик и химик, Джозеф Блэк (Joseph Black). В 1756 году ученный проводил эксперимент, нагревая белую магнезию (MgCO3). В результате нагрева он выявил, что карбонат магния разложился до жженой магнезии (оксида магния) с потерей массы и образованием так называемого «связанного воздуха». Этим воздухом, как не трудно догадаться, был диоксид углерода.

Впервые, при детальном изучении CO2, Джозеф Блэк доказал что, окружающий нас воздух, это не единая субстанция, а смесь газов. До этого момента все ученные считали воздух одним газом.

Круговорот в природе

Организмам и растениям для поддержания жизненных процессов необходим углерод, круговорот которого в углеродном цикле планеты осуществляется двуокисью углерода. Регулирование концентрации CO2, с конца докембрийского периода (540 млн. лет назад) и до начала индустриально-промышленной эпохи, производится происходящими в земной коре геологическими процессами и производящими фотосинтез организмами. Одни из них образуют и выбрасывают, другие поглощают и вдыхают.

Энергия света, попадая на растительные организмы, водоросли и некоторые виды бактерий, активирует процессы, производящие сложные органические соединения (углеводы) из простых неорганических (CO2 и вода). При этом кислород образуется в качестве побочного продукта. Двуокись углерода также является побочным продуктом организмов, для дыхания которым необходим кислород. Газ попадает в воду через жабры рыб и в воздух через легкие людей и животных. Углекислый газ появляется в результате распада органики (гниение) и в процессе брожения. Вулканы производят выброс углекислого газа, океаны осуществляют его поглощение. Сжигая дрова и другие органические материалы, ископаемые виды топлива, также происходит выделение углекислоты.

Промышленность и CO2

Диоксид углерода — востребованный промышленный материал, который используется во многих отраслях в твердом, жидком и газообразном состоянии.

• В качестве инертного газа при сварке.
• Является наполнителем для углекислотных огнетушителей.
• В качестве газа наддува в авиационных пушках и при добыче нефти.
• Его добавляют в питьевую воду, вино и газированные напитки.
• В твердом состоянии используется как хладагент.

Влияние на атмосферу

Наличие углекислоты регулировалось в течение длительного срока естественными процессами, происходящими на поверхности земли. К искусственным процессам увеличения содержания CO2, в охватывающих весь земной шар масштабах, наша цивилизация приступила в середине 20 века. Человечество, сжигая уголь, нефть и природный газ, производит огромные выбросы диоксида углерода, как отработанного и ненужного продукта в крупномасштабных процессах окисления.

Увеличение населения земли за последние сто лет в 5 раз (1900 год — 1,6 миллиарда человек, 2018 год – 7,6 миллиарда человек) также вносит существенный вклад в накопление этого газа. Производство и использование транспорта увеличивается с ростом населения. Вместе с возрастанием промышленности это приводит к значительной эмиссии CO2 в окружающий воздух. Естественные фильтровальные насосы (океаны и растения) не справляются с увеличением углекислого газа. Об этом говорят измерения, производимые постоянно в разных уголках земли. Так, наличие CO2 в доиндустриальную эпоху составляло 280 ppm, в наше время 406 ppm.

Усугубляет ситуацию вырубка и горение лесов. Пропуская ультрафиолетовое и поглощая инфракрасное (отраженное от земли) излучение углекислота способствует нагреванию океанов и атмосферы земли, образуется парниковый эффект. Увеличение и хорошее проникновение в верхние слои океанов, приводит к образованию угольной кислоты. Данный процесс вызывает окисление, что в совокупности с повышенной температурой, приводит к гибели фитопланктона, важнейшего поставщика кислорода на земле и утилизатора CO2.

Хоть немного узнав об углекислом газе, вы осознаете его значимость практически во всей биосфере земли. Сформировав эти не большие, но важные знания, можете ознакомиться с остальными взаимодействиями диоксида углерода в других статьях. Рассказать об этом своим родственникам, знакомым и друзьям и быть может мы, все вместе продлим существование нашей планеты. Что вы об этом думаете?

Примерное время чтения: 2 минуты

Достигнут рекордный уровень углекислого газа в атмосфере. Что же дальше?

​Концентрация углекислого газа в атмосфере нашей планеты в 2020 году достигла нового максимума — 148%. Как сказал генеральный секретарь ООН Антониу Гутерреш на форуме «Петерсбергский климатический диалог» 6 мая, это самый высокий показатель за 3 миллиона лет.

При этом три миллиона лет назад температура на Земле была выше на 3°C, а уровень моря — на 15 метров. Научное сообщество установило допустимый предел потепления в сравнении с доиндустриальным периодом — 1,5°C. В 2020 году температура поднялась на опасно близкое значение — на 1,2°C.

Что будет дальше?

Согласно текущим расчетам, произведенным исследовательской организацией Climate Action Tracker, мы все еще движемся к катастрофическому повышению температуры на 2,4°C к концу века. «Мы стоим на краю пропасти», — предостерегает генсек ООН.

По его мнению, чтобы избежать наихудших последствий нарушения климата, необходимо работать вместе и использовать восстановление после пандемии COVID-19, чтобы выйти на более чистый и «зеленый» путь.

К 2030 году необходимо сократить глобальные выбросы углекислого газа на 45% по сравнению с показателями 2010 года, чтобы к 2050 году достичь нулевых выбросов.

Что можно сделать?

По мнению Антониу Гутерреша, чтобы в итоге прийти к нулевому выбросу CO2 в атмосферу, необходимо:

• к 2030 году прекратить использовать уголь в странах ОЭСР (Организация экономического сотрудничества и развития) и к 2040 году во всем мире;
• перейти от загрязняющих веществ к возобновляемым источникам энергии с привлечением местных органов власти, профсоюзов и частного сектора (для поддержки затронутых сообществ и создания «зеленых» рабочих мест);
• отказаться от крупной инфраструктуры, работающей на ископаемом топливе;
• прекратить финансирование и субсидии ископаемого топлива;
• назначить налог на углерод (выбросы) и перенести налогообложение с доходов на углерод;
• обеспечить доступ малых островных развивающихся государств и наименее развитых стран к финансированию борьбы с изменением климата;
• финансировать равно и смягчение последствий, и адаптацию;

Кроме того, напоминает генсек ООН, развитые страны должны выполнить свое давнее обещание ежегодно выделять 100 миллиардов долларов на борьбу с изменением климата в развивающихся странах. Он призывает лидеров «Большой семерки» взять на себя инициативу и стать примером для других государств.

Что значит эта новость? Неужели человечество прошло точку невозврата и негативные последствия глобального потепления теперь не остановить?

Чем опасен парниковый эффект?

Рекордный показатель CO₂ был зафиксирован в минувшую субботу специалистами обсерватории Национального управления США по исследованию океанов и атмосферы (NOAA). Он составил 415 частей на миллион, то есть в каждом кубометре воздуха присутствовало не менее 415 мл углекислого газа.

Согласно данным Института океанографии при Калифорнийском университете в Сан-Диего, до индустриальной революции содержание углекислоты в атмосфере никогда не превышало 300 частей на миллион. И только в 2013 году оно достигло 400 единиц. С тех пор этот показатель постоянно растёт, и, как подсчитали учёные, к началу следующего столетия концентрация CO₂ в воздухе может составить 1200-1300 частей на миллион.

«Действительно, человечество при таких концентрациях CO₂ раньше не жило, — говорит заместитель директора Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН Владимир Семёнов. — До этого во время оледенений концентрация углекислого газа менялась в пределах 180-300 частей на миллион, и эти изменения происходили за десятки тысяч лет. А сейчас только за последние 50 лет содержание CO₂ выросло почти на 100 частей на миллион. Это беспрецедентный рост. Он в 100 раз более быстрый, чем за последние сотни тысяч лет. Связано это с воздействием человека на природу, в первую очередь — со сжиганием ископаемых углеводородов и уничтожением растений. Думаю, что дальше рекордные значения будут регулярно обновляться».

В наши дни любой школьник знает, что повышение содержания углекислого газа в атмосфере способствует возникновению парникового эффекта. Солнечные лучи нагревают поверхность Земли, а молекулы углекислого газа (и не только его, главным парниковым газом вообще считается водяной пар, а еще в эту группу входят метан, озон и оксид азота) задерживают тепло, не позволяя ему уходить в космос. Таким образом, температура нижних слоёв атмосферы увеличивается.

Учёные уверены, что дальнейший её рост приведёт к необратимым последствиям для экологии. Чтобы предотвратить их, в 2015 году в Париже было заключено соглашение между странами ООН, которое пришло на смену Киотскому протоколу, срок действия которого истечёт в 2020 году. Согласно Парижскому соглашению, страны-участники должны постепенно снижать выбросы парниковых газов от своих промышленных предприятий. И это приостановит процесс глобального потепления.

Будет как на Венере

О том, как это произойдёт, рассказывает российский физик Алексей Карнаухов, автор теории парниковой катастрофы: «Когда я только услышал о глобальном потеплении в начале девяностых годов, я решил с помощью уравнений описать связь между содержанием в воздухе CO₂ и температурой атмосферы Земли. Это было традиционное исследование, ни о какой катастрофе я тогда не думал. Но как только выстроил математическую модель, сразу ахнул: расчёты показывали, что при сохранении выбросов в атмосферу, которые были на тот момент, температура воздуха на Земле в ближайшие 200-300 лет может подняться на сотни градусов!»

Карнаухов объясняет, что процесс потепления вызывает эффект лавины. Углекислый газ и метан начинают высвобождаться из природных хранилищ, — со дна океана, из земной коры, вечной мерзлоты — из-за этого будет становиться всё теплее и теплее. При таких темпах всего за пару столетий климатическая система Земли перейдёт в новое устойчивое состояние. И человеку здесь не будет места: температура воздуха поднимется до +500 °С. Похожие условия существуют на Венере, где углекислота занимает 97% атмосферы, а на поверхность планеты проливаются дожди из серной кислоты. Понятно, что для Homo sapiens такие параметры абсолютно не подходят: они скорее напоминают ад.

«Пока растения и биосфера Земли не справляются с теми выбросами, что производит человек, — обращает внимание Алексей Карнаухов. — Если температура здесь станет такой же, как на Венере, привычная нам жизнь попросту прекратится. На Земле тоже настанет ад».

Атмосфера
Земли возникла в результате выделения
газов при вулканических извержениях.
С появлением океанов и биосферы она
формировалась и за счёт газообмена с
водой, растениями, животными и продуктами
их разложения в почвах и болотах.

В
настоящее время атмосфера Земли состоит
в основном из газов и различных примесей
(пыль, капли воды, кристаллы льда, морские
соли, продукты горения).

Концентрация
газов, составляющих атмосферу, практически
постоянна, за исключением воды (H2O)
и углекислого газа (CO2).

Кроме
указанных в таблице газов, в атмосфере
содержатся SO2,
NH3,
СО,
озон,
углеводороды,
HCl,
HF,
пары Hg,
I2,
а также NO
и многие другие газы в незначительных
количествах. В тропосфере постоянно
находится большое количество взвешенных
твёрдых и жидких частиц (аэрозоль).

Углекислый газ в атмосфере Земли

В
связи с активным использованием
человечеством
ископаемых энергоносителей в качестве
топлива, происходит быстрое увеличение
концентрации этого газа в атмосфере.
Впервые антропогенное влияние на
концентрацию двуокиси углерода отмечается
с середины XIX
века. Начиная
с этого времени, темп её роста увеличивался
и в конце 2000-х происходил со скоростью
2,20±0,01 ppm/год или 1,7 % за год. Согласно
отдельным исследованиям, современный
уровень CO2
в атмосфере является максимальным за
последние 800 тыс. лет и, возможно, за
последние 20 млн лет.

Роль в парниковом эффекте

В
целом, увеличение концентрации с
доиндустриального уровня 280 ppm
до современного 392 ppm эквивалентно
дополнительному выделению 1,8 Вт
на каждый квадратный метр поверхности
планеты. Данный газ также обладает
уникальным свойством долговременного
воздействия на климат, которое после
прекращения вызвавшей его эмиссии
остается в значительной степени
постоянным на протяжении до тысячи лет.
Другие парниковые газы, такие как метан
и оксид
азота, существуют
в свободном состоянии в атмосфере на
протяжении более короткого времени.

К
естественным источникам двуокиси
углерода в атмосфере относятся
вулканические
извержения, сгорание
органических
веществ в
воздухе и дыхание
представителей животного
мира (Аэробные
организмы).
Также углекислый газ производится
некоторыми микроорганизмами
в результате процесса брожения,
клеточного
дыхания и в
процессе перегнивания
органических останков в воздухе. К
антропогенным источникам эмиссии CO2
в атмосферу относятся: сжигание
ископаемых энергоносителей
для получения тепла, производства
электроэнергии,
транспортировки
людей и грузов. К значительному выделению
CO2
приводят некоторые виды промышленной
активности, такие, например, как
производство цемента
и утилизация газов
путем их сжигания в факелах.

Растения
преобразуют получаемый углекислый газ
в углеводы
в ходе фотосинтеза,
который осуществляется посредством
пигмента хлорофилла,
использующего энергию солнечного
излучения.
Получаемый газ, кислород,
высвобождается в атмосферу
Земли и
используется для дыхания гетеротрофными
организмами и другими растениями,
формируя таким образом цикл
углерода.

Атмосфе́ра
(от. др.-греч.
ἀτμός —
пар и σφαῖρα —
шар) — газовая
оболочка (геосфера),
окружающая планету Земля.
Внутренняя её поверхность покрывает
гидросферу
и частично кору,
внешняя граничит с околоземной частью
космического пространства.

Совокупность
разделов физики и химии, изучающих
атмосферу, принято называть физикой
атмосферы.
Атмосфера определяет погоду
на поверхности Земли, изучением погоды
занимается метеорология,
а длительными вариациями климата —
климатология.

Её верхняя граница
находится на высоте 8—10 км в полярных,
10—12 км в умеренных и 16—18 км в
тропических широтах; зимой ниже, чем
летом. Нижний, основной слой атмосферы.
Содержит более 80 % всей массы
атмосферного воздуха и около 90 % всего
имеющегося в атмосфере водяного пара.
В тропосфере сильно развиты турбулентность
и конвекция,
возникают облака,
развиваются циклоны
и антициклоны.
Температура убывает с ростом высоты со
средним вертикальным градиентом
0,65°/100 м

За «нормальные
условия» у поверхности Земли приняты:
плотность 1,2 кг/м3, барометрическое
давление 101,35 кПа, температура плюс 20 °C
и относительная влажность 50 %. Эти
условные показатели имеют чисто
инженерное значение.

Слой атмосферы,
располагающийся на высоте от 11 до 50 км.
Характерно незначительное изменение
температуры в слое 11—25 км (нижний
слой стратосферы) и повышение её в слое
25—40 км от −56,5 до 0,8 °С
(верхний слой стратосферы или область
инверсии).
Достигнув на высоте около 40 км значения
около 273 К (почти 0° С), температура
остаётся постоянной до высоты около
55 км. Эта область постоянной температуры
называется стратопаузой
и является границей между стратосферой
и мезосферой.

Пограничный слой
атмосферы между стратосферой и мезосферой.
В вертикальном распределении температуры
имеет место максимум (около 0 °C).

Мезосфера
начинается на высоте 50 км и простирается
до 80—90 км. Температура с высотой
понижается со средним вертикальным
градиентом (0,25—0,3)°/100 м. Основным
энергетическим процессом является
лучистый теплообмен. Сложные фотохимические
процессы с участием свободных
радикалов,
колебательно возбуждённых молекул
и т. д. обусловливают свечение
атмосферы.

Переходный слой
между мезосферой и термосферой. В
вертикальном распределении температуры
имеет место минимум (около —90 °C).

Высота над уровнем
моря, которая условно принимается в
качестве границы между атмосферой Земли
и космосом.

Верхний предел —
около 800 км. Температура растёт до
высот 200—300 км, где достигает значений
порядка 1500 К, после чего остаётся почти
постоянной до больших высот. Под действием
ультрафиолетовой и рентгеновской
солнечной радиации и космического
излучения происходит ионизация воздуха
(«полярные
сияния») —
основные области ионосферы
лежат внутри термосферы. На высотах
свыше 300 км преобладает атомарный
кислород.

Атмосферные слои
до высоты 120 км

Экзосфера —
зона рассеяния, внешняя часть термосферы,
расположенная выше 700 км. Газ в
экзосфере сильно разрежен, и отсюда
идёт утечка его частиц в межпланетное
пространство (диссипация).

До высоты 100 км
атмосфера представляет собой гомогенную
хорошо перемешанную смесь газов. В более
высоких слоях распределение газов по
высоте зависит от их молекулярных масс,
концентрация более тяжёлых газов убывает
быстрее по мере удаления от поверхности
Земли. Вследствие уменьшения плотности
газов температура понижается от 0 °C
в стратосфере до −110 °C в мезосфере.
Однако кинетическая энергия отдельных
частиц на высотах 200—250 км соответствует
температуре ~1500 °C. Выше 200 км
наблюдаются значительные флуктуации
температуры и плотности газов во времени
и пространстве.

На высоте около
2000—3000 км экзосфера постепенно
переходит в так называемый ближнекосмический
вакуум,
который заполнен сильно разреженными
частицами межпланетного газа, главным
образом атомами водорода. Но этот газ
представляет собой лишь часть межпланетного
вещества. Другую часть составляют
пылевидные час­тицы кометного и
метеорного происхождения. Кроме
чрезвычайно разреженных пылевидных
частиц, в это пространство проникает
электромагнитная и корпускулярная
радиация солнечного и галактического
происхождения.

На долю тропосферы
приходится около 80 % массы атмосферы,
на долю стратосферы — около 20 %;
масса мезосферы — не более 0,3 %,
термосферы — менее 0,05 % от общей
массы атмосферы. На основании электрических
свойств в атмосфере выделяют нейтросферу
и ионосферу. В настоящее время считают,
что атмосфера простирается до высоты
2000—3000 км.

В зависимости от
состава газа в атмосфере выделяют
гомосферу
и гетеросферу.
Гетеросфера —
это область, где гравитация оказывает
влияние на разделение газов, так как их
перемешивание на такой высоте
незначительно. Отсюда следует переменный
состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо
перемешанная, однородная по составу
часть атмосферы, называемая гомосфера.
Граница между этими слоями называется
турбопаузой,
она лежит на высоте около 120 км.

Толщина атмосферы —
примерно 2000 — 3000 км от поверхности
Земли. Суммарная масса воздуха —
(5,1—5,3)×1018
кг. Молярная
масса
чистого сухого воздуха составляет
28,966. Давление
при 0 °C на уровне моря 101,325 кПа;
критическая
температура ?140,7 °C;
критическое давление 3,7 МПа; Cp
1,0048×103
Дж/(кг·К)(при 0 °C), Cv
0,7159×103
Дж/(кг·К) (при 0 °C). Растворимость
воздуха в воде при 0 °C — 0,036 %,
при 25 °C — 0,22 %.

Физиологические
и другие свойства атмосферы

Уже на высоте 5 км
над уровнем моря у нетренированного
человека появляется кислородное
голодание
и без адаптации работоспособность
человека значительно снижается. Здесь
кончается физиологическая зона атмосферы.
Дыхание человека становится невозможным
на высоте 15 км, хотя примерно до 115 км
атмосфера содержит кислород.

Атмосфера снабжает
нас необходимым для дыхания кислородом.
Однако вследствие падения общего
давления атмосферы по мере подъёма на
высоту соответственно снижается и
парциальное давление кислорода.

В лёгких человека
постоянно содержится около 3 л альвеолярного
воздуха. Парциальное
давление
кислорода в альвеолярном воздухе при
нормальном атмосферном давлении
составляет 110 мм рт. ст., давление
углекислого газа — 40 мм рт. ст.,
а паров воды — 47 мм рт. ст. С
увеличением высоты давление кислорода
падает, а суммарное давление паров воды
и углекислоты в лёгких остаётся почти
постоянным — около 87 мм рт. ст.
Поступление кислорода в лёгкие полностью
прекратится, когда давление окружающего
воздуха станет равным этой величине.

На высоте около
19—20 км давление атмосферы снижается
до 47 мм рт. ст. Поэтому на данной
высоте начинается кипение воды и
межтканевой жидкости в организме
человека. Вне герметической кабины на
этих высотах смерть наступает почти
мгновенно. Таким образом, с точки зрения
физиологии человека, «космос» начинается
уже на высоте 15—19 км.

Плотные слои
воздуха — тропосфера и стратосфера —
защищают нас от поражающего действия
радиации. При достаточном разрежении
воздуха, на высотах более 36 км,
интенсивное действие на организм
оказывает ионизирующая радиация —
первичные космические лучи; на высотах
более 40 км действует опасная для
человека ультрафиолетовая часть
солнечного спектра.

По мере подъёма
на всё большую высоту над поверхностью
Земли, постепенно ослабляются, а затем
и полностью исчезают, такие привычные
для нас явления, наблюдаемые в нижних
слоях атмосферы, как распространение
звука, возникновение аэродинамической
подъёмной
силы
и сопротивления, передача тепла конвекцией
и др.

В разреженных
слоях воздуха распространение звука
оказывается невозможным. До высот
60—90 км ещё возможно использование
сопротивления и подъёмной силы воздуха
для управляемого аэродинамического
полёта. Но начиная с высот 100—130 км
знакомые каждому лётчику понятия числа
М и
звукового
барьера
теряют свой смысл, там проходит условная
Линия
Кармана
за которой начинается сфера чисто
баллистического полёта, управлять
которым можно, лишь используя реактивные
силы.

На высотах выше
100 км атмосфера лишена и другого
замечательного свойства — способности
поглощать, проводить и передавать
тепловую энергию путём конвекции (т. е.
с помощью перемешивания воздуха). Это
значит, что различные элементы
оборудования, аппаратуры орбитальной
космической станции не смогут охлаждаться
снаружи так, как это делается обычно на
самолёте, — с помощью воздушных струй
и воздушных радиаторов. На такой высоте,
как и вообще в космосе, единственным
способом передачи тепла является
тепловое
излучение.

Атмосфера Земли
состоит в основном из газов и различных
примесей (пыль, капли воды, кристаллы
льда, морские соли, продукты горения).

Кроме указанных
в таблице газов, в атмосфере содержатся
SO2,
NH3,
СО, озон,
углеводороды,
HCl,
HF,
пары Hg,
I2,
а также NO
и многие другие газы в незначительных
количествах. В тропосфере постоянно
находится большое количество взвешенных
твёрдых и жидких частиц (аэрозоль).

Согласно наиболее
распространённой теории, атмосфера
Земли во времени пребывала в четырёх
различных составах. Первоначально она
состояла из лёгких газов (водорода
и гелия),
захваченных из межпланетного пространства.
Это так называемая первичная
атмосфера(около
четырех миллиардов лет назад). На
следующем этапе активная вулканическая
деятельность привела к насыщению
атмосферы и другими газами, кроме
водорода (углекислым газом, аммиаком,
водяным
паром).
Так образовалась вторичная
атмосфера(около
трех миллиардов лет до наших дней).
Эта атмосфера была восстановительной.
Далее процесс образования атмосферы
определялся следующими факторами:

• утечка легких
  газов (водорода и гелия) в межпланетное
  пространство;
• химические реакции,
  происходящие в атмосфере под влиянием
  ультрафиолетового излучения, грозовых
  разрядов и некоторых других факторов.

Постепенно эти
факторы привели к образованию третичной
атмосферы,
характеризующейся гораздо меньшим
содержанием водорода и гораздо большим —
азота и углекислого газа (образованы в
результате химических реакций из аммиака
и углеводородов).

Образование
большого количества N2
обусловлено окислением аммиачно-водородной
атмосферы молекулярным О2,
который стал поступать с поверхности
планеты в результате фотосинтеза,
начиная с 3 млрд лет назад. Также N2
выделяется в атмосферу в результате
денитрификации нитратов и др. азотсодержащих
соединений. Азот окисляется озоном до
NO в верхних слоях атмосферы.

Азот N2
вступает в реакции лишь в специфических
условиях (например, при разряде молнии).
Окисление молекулярного азота озоном
при электрических разрядах используется
в промышленном изготовлении азотных
удобрений. Окислять его с малыми
энергозатратами и переводить в
биологически активную форму могут
цианобактерии
(сине-зеленые водоросли)
и клубеньковые бактерии, формирующие
ризобиальный симбиоз
с бобовыми
растениями, т. н. сидератами.

Состав атмосферы
начал радикально меняться с появлением
на Земле живых
организмов,
в результате фотосинтеза,
сопровождающегося выделением кислорода
и поглощением углекислого газа.
Первоначально кислород расходовался
на окисление восстановленных соединений —
аммиака, углеводородов, закисной формы
железа,
содержавшейся в океанах и др. По окончании
данного этапа содержание кислорода в
атмосфере стало расти. Постепенно
образовалась современная атмосфера,
обладающая окислительными свойствами.
Поскольку это вызвало серьезные и резкие
изменения многих процессов, протекающих
в атмосфере,
литосфере
и биосфере,
это событие получило название Кислородная
катастрофа.

В течение фанерозоя
состав атмосферы и содержание кислорода
претерпевали изменения. Они коррелировали
прежде всего со скоростью отложения
органических осадочных пород. Так, в
периоды угленакопления содержание
кислорода в атмосфере, видимо, заметно
превышало современный уровень.

Источник инертных
газов — аргона,
гелия
и криптона —
вулканические извержения и распад
радиоактивных элементов. Земля в целом
и атмосфера в частности обеднены
инертными газами по сравнению с космосом.
Считается, что причина этого заключена
в непрерывной утечке газов в межпланетное
пространство.

В последнее время
на эволюцию атмосферы стал оказывать
влияние человек.
Результатом его деятельности стал
постоянный значительный рост содержания
в атмосфере углекислого газа из-за
сжигания углеводородного топлива,
накопленного в предыдущие геологические
эпохи. Громадные количества СО2
потребляются при фотосинтезе и поглощаются
мировым океаном. Этот газ поступает в
атмосферу благодаря разложению
карбонатных горных пород и органических
веществ растительного и животного
происхождения, а также вследствие
вулканизма и производственной деятельности
человека. За последние 100 лет содержание
СО2
в атмосфере возросло на 10 %, причём
основная часть (360 млрд тонн) поступила
в результате сжигания топлива. Если
темпы роста сжигания топлива сохранятся,
то в ближайшие 50 — 60 лет количество
СО2
в атмосфере удвоится и может привести
к глобальным
изменениям климата.

Сжигание топлива —
основной источник и загрязняющих газов
(СО,
NO,
SO2).
Диоксид серы окисляется кислородом
воздуха до SO3
в верхних слоях атмосферы, который в
свою очередь взаимодействует с парами
воды и аммиака, а образующиеся при этом
серная
кислота (Н2SO4)
и сульфат
аммония ((NH4)2SO4)
возвращаются на поверхность Земли в
виде т. н. кислотных дождей. Использование
двигателей
внутреннего сгорания
приводит к значительному загрязнению
атмосферы оксидами азота, углеводородами
и соединениями свинца (тетраэтилсвинец
Pb(CH3CH2)4)).

Аэрозольное
загрязнение атмосферы обусловлено как
естественными причинами (извержение
вулканов, пыльные бури, унос капель
морской воды и пыльцы растений и др.),
так и хозяйственной деятельностью
человека (добыча руд и строительных
материалов, сжигание топлива, изготовление
цемента и т. п.). Интенсивный
широкомасштабный вынос твёрдых частиц
в атмосферу — одна из возможных
причин изменений климата планеты.

Причины:
К естест источникам двуокиси углерода
в атмосфере относятся вулкан извержения, сгорание орган
веществ в
воздухе и дыхание представителей животного
мира (аэробные
организмы). Также углек газ производится
нек-мимикроорг-ми в
резу-те процесса брожения, клеточного
дыхания и
в процессе перегнивания орган
останков в воздухе. К антроп источникам
эмиссии CO2 в
атмосферу относятся: сжигание ископаемых
и неиск энергоносителей для
получения тепла,
произ-ва электроэнергии, транспортировки людей
и грузов. К значит выделению CO2 приводят
некоторые виды пром активности, такие,
например, как производство цемента и
утилизация газов путём
их сжигания в факелах.
Причиной увеличения содержания
углекислого газа в атмосфере является
и сокращение массы древесных зеленых
растений в результате вырубок, пожаров.

+
Рост СО2 производит стимулирующий эффект
на растения, а интенсивный рост
растительных сообществ, неизбежно
приводит к увеличению суммарной массы
животных и оказывает положительное
воздействие на биоразнообразие в целом.

«-»повышение
концентрации СО2 в атмосфере способно
привести к значитизменению структуры
и функцион-я экосистем, что мб неблагоприятно
для растений; Углекислый
газ, препятствуя отражению в пространство
солнечного тепла, усиливает парн эффект
и повышение среднеземной темп-ы. Последствий
же парникового эффекта гораздо
больше: Повышенная испаряемость воды в
океанах; Увеличение выделениия углекислого
газа, метана, а также закиси азота в
результате промышленной деятельности
человека; Быстрое таяние ледников, смена
климатических зон, что приводит к
уменьшению отражающей способности
поверхности Земли, ледников и водоемов.

БИЛЕТ
№25. 1.
Климатич хар/ка Европы. Особенности
климата Зап и Восточной Европы.

Заруб.
Европа находится в 4 клим. поясах
(арктический-субтропич). Смена поясов,
различная удаленность от морских
побережий, разнообразие крупных форм
рельефа обусловливают разнообразие
клим. усл-ий. Годовые значения радиац
баланса – основного энергетического
климатообр-щего ф-ра – изменяются по
тер-ии Европы почти зонально: от 1250
Мдж/м2 в сев районах до 2500 Мдж/м2 на юге
средиземноморских п-ов. Преобладающая
часть Европы расположена в пределах
умер пояса, для которого хар-н зап перенос
воздуха, форм-ся под действием 2 мощных
барических систем над Сев. Атлантикой:
исландского min и азорского max. Над евр
пов-тью наиболее часто перемещаются
атлантич ВМ, теплые и влажные(западный
перенос). Исключение составляют
Аппенинский, Пиренейский, балканские
п-ва, здесь летом преобладает тропическая
циркуляция ВМ; а в северные р-ны
Фенноскандии в холодный сезон приходят
арктич ВМ воздуха. Господство влажного
атлантического воздуха обуславливает
океаничность климата. Океаничность
климата усиливается и влиянием глубоко
вдающихся в европейскую сушу морей и
заливов.

Зима.
Перенос ВМ протекает более интенсивно
Этому способствует форм-е зоны пониженного
атм давления. Основным барическим
центром является Исландский мин.
Наиболее активно процессы такого
переноса проявляются на востоке Сев
Атлантики, этому способствует 2 теплых
течения: Гольфстрим и Северо-Атлантическое.
Азорский антициклон зимой сдвигается
к югу и уменьшается в размерах. Постепенно
происходит мощное охлаждение ВМ над
поверхностью Европы и форм-е зон
повышенного атм. давления. Более ярко
эти процессы протекают над Азией, там
форм-ся Аз. антициклон, который во 2
половине зимы охватывает Вост. Европу.
В зонах контакта теплых и влажных
атлантических ВМ с холодными конт-ми,
форм-ся полярный фронт. По средним
многолетним данным полярный фронт
проходит над Шотландскими нагорьями и
Юж Скандинавией. Макс границы прохождения
данного фронта от сев.полярного круга
до широты 50. В данном полярном фронте
форм-ся циклоны, которые приносят
обильные осадки. Еще одним барическим
центром является атм мин над Средиземным
морем, где зарождаются циклоны. Основные
зоны форм-я циклонов: Генуэзский залив,
Ионическое море и р-н Кипра. Из
Средиземноморской зоны циклон перемещается
на восток и с-в и несет большое кол-во
осадков. Наличие теплых течений и
Средиземного моря способствует форм-ю
зимних полож аномальных t. Так зимой 0
изотерма поднимается до широты 70?, а
зимняя полож t аномалия +20?. Наиболее
теплые участки Европы – Средиземноморье.
Зимой макс осадков. Это объясняется
притоком теплых и влажных ВМ с АО. Наиб
кол-во осадков выпадает на наветренных
склонах горных си, макс величины хар-ны
для мест прохождения циклонов.

Лето.
В этот сезон года термические контрасты
м/у сушей и океаном уменьшаются. Исландский
мин ослабевает и ум-ся в размерах. В то
же время сильно разрастается Азорский
антициклон, преобладает над большей
частью Европы. Осадков выпадает немного.
В Сев Европе отмечается зона циклогенеза
и выпадение большого кол-ва осадков.
Исландия, Британские о-ва, Скандинавия.
В рез-те здесь прохладная погода с
частыми циклоническими дождями. Летом
Азорский антициклон разрастается и
захватывает пространство над Средиземным
морем. В рез-те этого происходит приток
ВМ из сев Африки. Термический режим не
имеет таких аномалий и соответствует
зональным нормам. Мин значения t июля
хар-ны для сев.Норвегии и сост. +10, на юге
Швеции +15, в центральной Европе сред. t
июля от +17 на севере, +20 во Франции, +22-26
в Средиземноморье. +28 межгор.котловины-
max. ОСАДКИ. Для Скандинавии и Британских
о-в хар-ны величины год.ос: для наветренных
склонов 2000 – 3000 мм, внутренние р-ны
500-700 мм. В центр Европе и Среднеевропейской
равнине 550-750 мм. На Придунайских равнинах
осадки ум-ся до 500 мм. В южной Европе
зимой max осадков, летом min. С-з Пиренейского
п-ва, сев. и юж. Аппенины до 1500 – 2000. Запад
Динарского нагорья до 5000 мм. Максимум
отмечается на станции Црквице и составляет
8063 мм. В сев р-х районах Средиземноморья
отмечаются засухи, продол-ю от 1 до 3 мес,
в юж до 5 мес.