Воздух. Неожиданные факты о том, без чего нельзя прожить

Голубева Наталья

«Парадокс слабого молодого Солнца» – так называют этот феномен ученые. Земля не получала достаточного количества тепла от Солнца, но и не остывала при этом. Если энергию нельзя получить извне, значит, придется сохранять ту, что уже есть. Ученые приходят к выводу, что тепло на Земле удерживалось и накапливалось атмосферой, а значит, она не была похожа на современную.

Чтобы проверить эту гипотезу и выяснить, что же укрывало и согревало Землю, геофизики высчитали давление атмосферы того времени и сравнили его с тем, что есть сегодня. Благодаря этому выяснилось, что парниковым газом 2,7 миллиарда лет назад был метан.

Как можно исследовать атмосферу, которой давно нет, да еще и узнать ее давление?

По каплям дождя. Вернее, по следам, которые остаются от них на вулканических породах при извержении вулканов. В XIX веке британский геолог Чарлз Лайель заметил связь между давлением атмосферы и диаметром следов дождевых капель. Конечно, никто не бегал по вулкану с линейкой и не замерял отпечатки отдельных брызг. Это сложный математический расчет с выводом среднестатистических значений. Именно он и показал, что диаметр следов дождевых капель 2,7 миллиарда лет назад был в два раза меньше. А значит, давление атмосферы было вдвое ниже, чем сейчас. Она была менее плотной и более разреженной.

Результат исследования позволил расшифровать состав парниковой атмосферы, которая существовала в то время. Углекислый газ в одиночку подобного эффекта создать не мог. Если бы ему помогали соединения азота, то их бы потребовалось большое количество, что в итоге дало бы существенно большее атмосферное давление, а оно, напротив, было аж в два раза ниже! Вызвать столь сильный парниковый эффект при общем низком давлении атмосферы мог лишь один газ – метан.

Откуда ему взяться в атмосфере того времени в таком большом количестве? Внутренние процессы планеты увеличивали концентрацию этого газа и раньше. Однако над Землей в то время висел настоящий метановый туман, а значит, случилось что-то по-настоящему масштабное, и метан стал поступать из другого источника. Этим источником считают жизнь: одноклеточные существа – метанопроизводящие бактерии. Именно благодаря их жизнедеятельности атмосфера Земли стала наполняться парниковым газом, свойства которого изолировали планету, укутали ее, словно шарфом, и не дали теплу уйти. Жизнь продолжила развиваться.

2,5 миллиарда лет назад

Появляется кислород. Кстати, если бы не он, Земля бы попросту перегрелась. К этому времени мощность излучения Солнца увеличилась, и тепла на нашу планету стало поступать значительно больше. Чрезмерно концентрированная парниковая атмосфера из метана перестала быть полезной.

На помощь снова пришла жизнь. Примерно 2,5 миллиарда лет назад появились синезеленые водоросли – цианобактерии. Они расщепляли воду, запасали органические вещества и выделяли побочный продукт своей жизнедеятельности – кислород. Конечно, удивительно называть такой важный газ побочным продуктом, ведь с его появлением началась новая, кислородная эра Земли, но с биологической точки зрения это именно так.

После появления кислорода концентрация метана снизилась, и парниковый эффект уменьшился. Кислород стал постепенно накапливаться и обогащать собой атмосферу. В более высоких слоях под действием солнечного ультрафиолета начал образовываться озоновый слой. Конечно же, всё это не происходило в одночасье и заняло миллионы лет. И вот, спустя еще каких-то пару миллиардов этих самых лет мы видим привычную нам картину.

Наши дни

Земля – настоящий зеленый оазис, полный жизни. Трудно говорить о всей Вселенной, но то, что в Солнечной системе сейчас такая планета одна, – это точно. Атмосфера Земли насыщена кислородом и сбалансирована по составу. Для нас с вами он самый удачный и лучший из всех, что был и когда-либо будет. Более подробно о нем мы поговорим дальше.

То, что состав атмосферы не сразу был пригодным для жизни, – факт. Но почему лучше уже не будет? Дело в том, что перемены не закончились. Жизнь продолжает вмешиваться в состав атмосферного воздуха, и в наши дни один из самых главных влияющих на него факторов – это человек. Химическая промышленность, транспорт, фабрики и заводы медленно, но верно меняют состав воздуха.

Конечно, полностью оценить всю силу вмешательства и сделать окончательный вывод – к чему это привело, можно только по прошествии миллионов, а может, и миллиардов лет. Но процесс идет довольно быстро, изменения заметны уже сегодня. Прогнозы неутешительные и намекают нам, что, возможно, в будущем оценивать атмосферу будет попросту некому.

Воздух сегодня – это что-то привычное, некая константа, существующая повсюду. Но, если на секундочку задуматься, можно поразиться, ведь в создании «просто воздуха» приняли участие все: начиная с космоса и заканчивая живыми организмами. Вы только представьте, благодаря каким сложным процессам он появился! Мы столько тысячелетий им пользуемся, так, возможно, стоит сказать хоть раз спасибо? И осознать, как он хрупок и как легко всё испортить?

Глава 2

Как устроен воздух?

Строение и состав атмосферы

Слоеный пирог из воздуха

Давайте ближе познакомимся с атмосферой, которая существует сегодня. Теперь вы знаете, насколько сложным был процесс ее образования, и могли подумать, что самое грандиозное позади. Поверьте, поводов для удивления еще достаточно. И один из них – ее строение.

Атмосфера – это газовая оболочка Земли, которая удерживается за счет гравитации и вращается с планетой как единое целое. Нижней ее границей считается поверхность Земли, верхней нет: переход в космическое пространство происходит плавно. Международная авиационная федерация предложила считать границей атмосферы линию К'aрмана, которая располагается на высоте 100 км.

Атмосферу нельзя назвать однородной. Она больше похожа на слоеный пирог, чем на однородное желе. По мере отдаления от поверхности Земли ее свойства меняются. Давайте рассмотрим каждый слой этого «пирога» и узн'aем, что он собой представляет. Начнем с уровня земли.

ТРОПОСФЕРА. В ней находится 80 % всей массы воздуха Земли и практически весь водяной пар. Верхняя граница тропосферы меняет высоту в зависимости от широты и сезона года. Так, она может достигать 10 км в полярных широтах и 18 км в тропических. Именно в этом слое «пирога» образуются дождь, ветер и почти все привычные нашему взгляду облака. Здесь летают пассажирские самолеты. Вы наверняка помните слова капитана: «Наш экипаж приветствует вас на борту, время полета составит столько-то часов, температура за бортом – минус 50 градусов». Почему так холодно? Дело в том, что в тропосфере нет источников тепла. Она нагревается от поверхности Земли, поэтому по мере удаления от нее, с увеличением высоты, температура воздуха понижается: примерно на 6 градусов каждый километр.

СТРАТОСФЕРА. Располагается над тропосферой, верхняя граница находится на высоте около 50 км. В стратосфере температура сначала, где-то до ее середины – отметки 25 км, снижается, а затем повышается и достигает значения порядка 0 °C. Так происходит, потому что примерно в 25 км от поверхности Земли располагается озоновый слой – прослойка атмосферы, в которой содержится большое количество озона (О₃), защищающего Землю от ультрафиолетового излучения. Поглощенная озоном энергия переходит в тепло, поэтому в озоновом слое температура увеличивается.