Название: Восемь лекций по физике атмосферы и гидросферы (Браже Р. А.)

Жанр: Радиотехнический

Просмотров: 1314


1.4. эволюция атмосферы и ее роль в физиологии человека

 

Согласно современным научным представлениям [2], первичная атмо- сфера Земли (около 4 млрд лет назад) состояла из легких газов (водорода и ге- лия), захваченных из межпланетного пространства. Вулканическая активность привела к появлению в атмосфере углекислого газа, аммиака и паров воды. Так образовалась вторичная атмосфера. Утечка легких газов в межпланетное про- странство и химические реакции, происходящие под влиянием ультрафиолето- вого излучения Солнца, грозовых разрядов, высокой температуры в безкисло- родной среде, привели к образованию третичной атмосферы. Ее отличало го- раздо меньшее содержание водорода и гораздо большее – азота и углекислого газа.

Образование большого количества атмосферного азота обусловлено, в основном, окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кисло-

родом, начиная примерно с 3 млрд лет назад, в результате фотосинтеза появив- шихся растений. Часть атмосферного азота обусловлена денитрификацией нит- ратов и других азотосодержащих соединений. Содержание азота в атмосфере поддерживается постоянным за счет его поглощения растениями в результате фотосинтеза и окисления цианобактериями (сине-зелеными водорослями), а также клубеньковыми бактериями, находящимися в симбиозе с бобовыми рас- тениями. Небольшая часть азота расходуется человеком при промышленном

изготовлении азотных удобрений.

Состав земной атмосферы начал радикально изменяться с появлением живых организмов. Растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, а животные используют кислород в процессе дыхания. Содержание кислорода в атмосфере, близкое к современному, сложилось около 70 млн лет назад, в кай- нозойскую эру.

Содержание в атмосфере углекислого газа зависит от вулканической ак- тивности и химических процессов, происходящих внутри Земли. Однако еще в большей степени оно определяется интенсивностью биосинтеза и разложения органического вещества в биосфере.

Наличие в атмосфере благородных газов (гелия, аргона, криптона, ксено- на) также связано с вулканическими извержениями и, кроме того, с распадом находящихся в Земле радиоактивных элементов.

Для человека и животных жизненно необходимым является наличие в земной атмосфере кислорода. Однако по мере увеличения высоты над уровнем моря уменьшаются как общее атмосферное давление (см. формулу (1.3)), так и парциальное давление кислорода. В легких человека содержится около 3 лит-

ров альвеолярного воздуха. Парциальное давление кислорода в этом воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет 110 мм рт. ст., в то время как парциальные давления углекислого газа и паров воды соответственно со- ставляют 40 мм рт. ст. и 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислоро- да падает, а суммарное давление углекислого газа и водяных паров в легких почти не изменяется и остается близким к 87 мм рт. ст. Когда давление окру-

жающего воздуха уменьшится до этой величины, поступление кислорода в лег- кие прекратится. Уже на высоте 5 км у нетренированного человека появляется

кислородное голодание, а на высоте 15 км дыхание становится невозможным. На высоте около 20 км (в стратосфере) атмосферное давление уменьшается до

47 мм рт. ст. При таком давлении вода в организме человека и в межтканевой жидкости закипает, и смерть наступает практически мгновенно.

Содержащийся в стратосфере озон защищает нас также от поражающего

действия жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, которое становится опасным на высотах более 40 км.

Использование подъемной силы воздуха для аэродинамических полетов в атмосфере возможно лишь до высот 60–90 км. Начиная с высоты около 100 км, утрачиваются и такие привычные для нас свойства атмосферного воздуха, как

распространение звука, конвекция (т. е. перемешивание воздуха), сопротивле-

ние движению и др. Здесь, за линией Кармана, можно совершать лишь балли- стические полеты, используя реактивные силы.

Существенное влияние на состояние и эволюцию атмосферы в настоящее время оказывает антропогенный фактор [3]. Результатом производственной деятельности человека стал значительный рост содержания в атмосфере угле- кислого газа из-за сжигания большого количества углеводородного топлива. За последние 100 лет  его содержание в атмосфере выросло на 10\%. Если такие

темпы сжигания топлива сохранятся, то в ближайшие 20–30 лет количество уг- лекислого газа в атмосфере удвоится. Это может привести к глобальным изме- нениям климата.

При сжигании топлива в атмосферу выбрасываются и другие газы: СО,

NO, SO2. Двуокись серы окисляется кислородом воздуха до SO3, которая взаи- модействует с парами воды и аммиака с образованием серной кислоты H2SO4 и сульфата аммония (NH4)2SO4. Эти вещества выпадают на поверхность Земли в виде кислотных дождей. Использование двигателей внутреннего сгорания вы- зывает загрязнение атмосферы оксидами азота, углеводородами и соединения- ми свинца.