Wie ist die zusammensetzung der erdatmosphäre. Informationen und Fakten zur Atmosphäre. Erdatmosphäre. Physikalische Eigenschaften verschiedener atmosphärischer Schichten

Die Atmosphäre macht das Leben auf der Erde möglich. Wir bekommen die allerersten Informationen und Fakten über die Atmosphäre in der Grundschule. In der Oberstufe kennen wir dieses Konzept bereits eher aus dem Erdkundeunterricht.

Das Konzept der Erdatmosphäre

Die Atmosphäre ist nicht nur auf der Erde vorhanden, sondern auch in anderen Himmelskörpern. So heißt die gasförmige Hülle, die die Planeten umgibt. Die Zusammensetzung dieser Gasschicht verschiedener Planeten unterscheidet sich erheblich. Schauen wir uns die grundlegenden Informationen und Fakten über die auch als Luft bezeichnete Luft an.

Sein wichtigster Bestandteil ist Sauerstoff. Einige glauben fälschlicherweise, dass die Erdatmosphäre vollständig aus Sauerstoff besteht, aber Luft ist tatsächlich eine Mischung aus Gasen. Es enthält 78 % Stickstoff und 21 % Sauerstoff. Das restliche ein Prozent beinhaltet Ozon, Argon, Kohlendioxid, Wasserdampf. Lassen Sie den Prozentsatz dieser Gase klein sein, aber sie erfüllen eine wichtige Funktion - sie absorbieren einen erheblichen Teil der Sonnenstrahlungsenergie und verhindern so, dass die Leuchte alles Leben auf unserem Planeten in Asche verwandelt. Die Eigenschaften der Atmosphäre ändern sich mit der Höhe. In einer Höhe von 65 km beispielsweise beträgt der Stickstoffgehalt 86 % und der Sauerstoffgehalt 19 %.

Die Zusammensetzung der Erdatmosphäre

• Kohlendioxid unentbehrlich für die Pflanzenernährung. In der Atmosphäre erscheint es als Ergebnis des Atmungsprozesses lebender Organismen, Verrottung, Verbrennung. Das Fehlen davon in der Zusammensetzung der Atmosphäre würde die Existenz von Pflanzen unmöglich machen.
• Sauerstoff ist ein lebenswichtiger Bestandteil der Atmosphäre für den Menschen. Seine Anwesenheit ist eine Bedingung für die Existenz aller lebenden Organismen. Es macht etwa 20 % des Gesamtvolumens der atmosphärischen Gase aus.
• Ozon Es ist ein natürlicher Absorber der ultravioletten Sonnenstrahlung, die lebende Organismen nachteilig beeinflusst. Das meiste davon bildet eine separate Schicht der Atmosphäre - den Ozonschutz. In letzter Zeit führt die menschliche Aktivität dazu, dass es allmählich zusammenbricht, aber da es von großer Bedeutung ist, wird aktiv daran gearbeitet, es zu erhalten und wiederherzustellen.
• Wasserdampf bestimmt die Luftfeuchtigkeit. Sein Inhalt kann in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren variieren: Lufttemperatur, geografische Lage, Jahreszeit. Bei niedrigen Temperaturen befindet sich sehr wenig Wasserdampf in der Luft, vielleicht weniger als ein Prozent, und bei hohen Temperaturen erreicht sein Anteil 4 %.
• Zusätzlich zu all dem oben Genannten gibt es in der Zusammensetzung der Erdatmosphäre immer einen bestimmten Prozentsatz feste und flüssige Verunreinigungen. Dies sind Ruß, Asche, Meersalz, Staub, Wassertropfen, Mikroorganismen. Sie können sowohl natürlich als auch anthropogen in die Luft gelangen.

Schichten der Atmosphäre

Und die Temperatur und Dichte und die qualitative Zusammensetzung der Luft ist in verschiedenen Höhen nicht gleich. Aus diesem Grund ist es üblich, verschiedene Schichten der Atmosphäre zu unterscheiden. Jeder von ihnen hat seine eigene Charakteristik. Lassen Sie uns herausfinden, welche Schichten der Atmosphäre unterschieden werden:

• Die Troposphäre ist die der Erdoberfläche am nächsten liegende Schicht der Atmosphäre. Seine Höhe beträgt 8-10 km über den Polen und 16-18 km in den Tropen. Hier befinden sich 90 % des gesamten Wasserdampfes, der in der Atmosphäre vorhanden ist, es kommt also zu einer aktiven Wolkenbildung. Auch in dieser Schicht gibt es Prozesse wie Luftbewegung (Wind), Turbulenzen, Konvektion. Die Temperatur reicht von +45 Grad mittags in der warmen Jahreszeit in den Tropen bis zu -65 Grad an den Polen.
• Die Stratosphäre ist die zweitfernste Schicht von der Atmosphäre. Es liegt auf einer Höhe von 11 bis 50 km. In der unteren Schicht der Stratosphäre beträgt die Temperatur etwa -55 ° C, in Richtung der Entfernung von der Erde steigt sie auf +1 ° C. Diese Region wird als Inversion bezeichnet und ist die Grenze zwischen der Stratosphäre und der Mesosphäre.
• Die Mesosphäre befindet sich in einer Höhe von 50 bis 90 km. Die Temperatur an seiner unteren Grenze beträgt etwa 0, an der oberen erreicht sie -80...-90 ˚С. Meteoriten, die in die Erdatmosphäre eintreten, brennen in der Mesosphäre vollständig aus, wodurch hier Airglows entstehen.
• Die Thermosphäre ist etwa 700 km dick. Die Nordlichter erscheinen in dieser Schicht der Atmosphäre. Sie erscheinen aufgrund der Wirkung von kosmischer Strahlung und Strahlung, die von der Sonne ausgeht.
• Die Exosphäre ist eine Zone der Luftausbreitung. Hier ist die Konzentration von Gasen gering und ihr allmähliches Entweichen in den interplanetaren Raum findet statt.

Als Grenze zwischen der Erdatmosphäre und dem Weltraum wird eine Linie von 100 km angenommen. Diese Linie wird Karman-Linie genannt.

Luftdruck

Wenn wir die Wettervorhersage hören, hören wir oft Luftdruckwerte. Aber was bedeutet atmosphärischer Druck und wie könnte er uns beeinflussen?

Wir haben herausgefunden, dass Luft aus Gasen und Verunreinigungen besteht. Jede dieser Komponenten hat ihr eigenes Gewicht, was bedeutet, dass die Atmosphäre nicht schwerelos ist, wie man bis ins 17. Jahrhundert glaubte. Der atmosphärische Druck ist die Kraft, mit der alle Schichten der Atmosphäre auf die Erdoberfläche und auf alle Objekte drücken.

Wissenschaftler führten komplexe Berechnungen durch und bewiesen, dass die Atmosphäre mit einer Kraft von 10.333 kg auf einen Quadratmeter Fläche drückt. Dies bedeutet, dass der menschliche Körper einem Luftdruck ausgesetzt ist, dessen Gewicht 12-15 Tonnen beträgt. Warum spüren wir es nicht? Es speichert uns seinen inneren Druck, der den äußeren ausgleicht. Sie können den Druck der Atmosphäre in einem Flugzeug oder hoch in den Bergen spüren, da der atmosphärische Druck in der Höhe viel geringer ist. In diesem Fall sind körperliche Beschwerden, verstopfte Ohren und Schwindel möglich.

Über die Atmosphäre kann man viel sagen. Wir wissen viele interessante Fakten über sie, und einige davon mögen überraschend erscheinen:

• Das Gewicht der Erdatmosphäre beträgt 5.300.000.000.000.000 Tonnen.
• Es trägt zur Schallübertragung bei. In einer Höhe von mehr als 100 km verschwindet diese Eigenschaft aufgrund von Änderungen in der Zusammensetzung der Atmosphäre.
• Die Bewegung der Atmosphäre wird durch eine ungleichmäßige Erwärmung der Erdoberfläche hervorgerufen.
• Ein Thermometer wird verwendet, um die Lufttemperatur zu messen, und ein Barometer wird verwendet, um den atmosphärischen Druck zu messen.
• Das Vorhandensein einer Atmosphäre rettet unseren Planeten täglich vor 100 Tonnen Meteoriten.
• Die Zusammensetzung der Luft war mehrere hundert Millionen Jahre lang festgelegt, begann sich jedoch mit dem Beginn der raschen industriellen Aktivität zu ändern.
• Es wird angenommen, dass sich die Atmosphäre bis in eine Höhe von 3000 km erstreckt.

Der Wert der Atmosphäre für den Menschen

Die physiologische Zone der Atmosphäre beträgt 5 km. In einer Höhe von 5000 m über dem Meeresspiegel beginnt eine Person Sauerstoffmangel zu zeigen, was sich in einer Abnahme ihrer Arbeitsfähigkeit und einer Verschlechterung des Wohlbefindens äußert. Dies zeigt, dass ein Mensch in einem Raum, in dem dieses erstaunliche Gasgemisch nicht existiert, nicht überleben kann.

Alle Informationen und Fakten über die Atmosphäre bestätigen nur ihre Bedeutung für den Menschen. Dank seiner Anwesenheit erschien die Möglichkeit der Entwicklung des Lebens auf der Erde. Auch heute, nachdem wir das Ausmaß des Schadens eingeschätzt haben, den der Mensch mit seinem Handeln der lebensspendenden Luft zufügen kann, sollten wir über weitere Maßnahmen zur Erhaltung und Wiederherstellung der Atmosphäre nachdenken.

Die Atmosphäre ist die Lufthülle der Erde. Ausdehnung bis zu 3000 km von der Erdoberfläche. Seine Spuren lassen sich bis in eine Höhe von 10.000 km verfolgen. A. hat eine ungleichmäßige Dichte von 50 5, seine Massen sind bis zu 5 km konzentriert, 75% - bis zu 10 km, 90% - bis zu 16 km.

Die Atmosphäre besteht aus Luft - einem mechanischen Gemisch aus mehreren Gasen.

Stickstoff(78 %) in der Atmosphäre spielt die Rolle eines Sauerstoffverdünners, der die Oxidationsgeschwindigkeit und folglich die Geschwindigkeit und Intensität biologischer Prozesse reguliert. Stickstoff ist das Hauptelement der Erdatmosphäre, das ständig mit der lebenden Materie der Biosphäre ausgetauscht wird, und die Bestandteile der letzteren sind Stickstoffverbindungen (Aminosäuren, Purine usw.). Die Entnahme von Stickstoff aus der Atmosphäre erfolgt auf anorganischem und biochemischem Wege, obwohl sie eng miteinander verbunden sind. Die anorganische Extraktion ist mit der Bildung ihrer Verbindungen N 2 O, N 2 O 5 , NO 2 , NH 3 verbunden. Sie kommen in atmosphärischen Niederschlägen vor und entstehen in der Atmosphäre unter Einwirkung elektrischer Entladungen bei Gewittern oder photochemischer Reaktionen unter Einfluss von Sonnenstrahlung.

Die biologische Stickstofffixierung wird von einigen Bakterien in Symbiose mit höheren Pflanzen in Böden durchgeführt. Stickstoff wird auch von einigen Plankton-Mikroorganismen und Algen in der Meeresumwelt fixiert. Die biologische Bindung von Stickstoff übersteigt quantitativ seine anorganische Fixierung. Der Austausch des gesamten Stickstoffs in der Atmosphäre dauert ungefähr 10 Millionen Jahre. Stickstoff kommt in Gasen vulkanischen Ursprungs und in magmatischen Gesteinen vor. Beim Erhitzen verschiedener Proben von kristallinen Gesteinen und Meteoriten wird Stickstoff in Form von N 2 - und NH 3 -Molekülen freigesetzt. Die Hauptform der Stickstoffpräsenz, sowohl auf der Erde als auch auf den terrestrischen Planeten, ist jedoch molekular. Ammoniak, das in die obere Atmosphäre gelangt, wird schnell oxidiert und setzt Stickstoff frei. In Sedimentgesteinen ist es zusammen mit organischem Material vergraben und kommt in bituminösen Ablagerungen in erhöhter Menge vor. Bei der regionalen Metamorphose dieser Gesteine ​​wird Stickstoff in verschiedenen Formen in die Erdatmosphäre freigesetzt.

Geochemischer Stickstoffkreislauf (

Sauerstoff(21%) wird von lebenden Organismen zur Atmung verwendet, ist Bestandteil organischer Stoffe (Eiweiße, Fette, Kohlenhydrate). Ozon O 3 . lebensbedrohliche UV-Strahlung der Sonne blockieren.

Sauerstoff ist das zweithäufigste Gas in der Atmosphäre und spielt eine äußerst wichtige Rolle bei vielen Prozessen in der Biosphäre. Die vorherrschende Form seiner Existenz ist O 2 . In den oberen Schichten der Atmosphäre kommt es unter dem Einfluss von ultravioletter Strahlung zur Dissoziation von Sauerstoffmolekülen, und in einer Höhe von etwa 200 km wird das Verhältnis von atomarem Sauerstoff zu molekularem (O: O 2) gleich 10. Wenn diese Formen von Sauerstoff interagieren in der Atmosphäre (in einer Höhe von 20-30 km), Ozongürtel (Ozonschild). Ozon (O 3) ist für lebende Organismen notwendig, da es den Großteil der für sie schädlichen ultravioletten Sonnenstrahlung verzögert.

In den frühen Stadien der Erdentwicklung entstand freier Sauerstoff in sehr geringen Mengen durch die Photodissoziation von Kohlendioxid und Wassermolekülen in der oberen Atmosphäre. Diese geringen Mengen wurden jedoch schnell bei der Oxidation anderer Gase verbraucht. Mit dem Aufkommen autotropher photosynthetischer Organismen im Ozean hat sich die Situation erheblich geändert. Die Menge an freiem Sauerstoff in der Atmosphäre begann allmählich zuzunehmen und viele Komponenten der Biosphäre aktiv zu oxidieren. So trugen die ersten Anteile an freiem Sauerstoff hauptsächlich zum Übergang von Eisenformen in Oxide und von Sulfiden in Sulfate bei.

Am Ende erreichte die Menge an freiem Sauerstoff in der Erdatmosphäre eine bestimmte Masse und erwies sich als so ausgeglichen, dass die produzierte Menge der aufgenommenen Menge entsprach. In der Atmosphäre wurde eine relative Konstanz des Gehalts an freiem Sauerstoff festgestellt.

Geochemischer Sauerstoffkreislauf (V.A. Wronski, G. V. Voitkevich)

Kohlendioxid, geht zur Bildung lebender Materie über und erzeugt zusammen mit Wasserdampf den sogenannten "Treibhauseffekt".

Kohlenstoff (Kohlendioxid) - das meiste davon in der Atmosphäre liegt in Form von CO 2 und viel weniger in Form von CH 4 vor. Die Bedeutung der geochemischen Geschichte des Kohlenstoffs in der Biosphäre ist außerordentlich groß, da er Bestandteil aller lebenden Organismen ist. Innerhalb lebender Organismen überwiegen reduzierte Kohlenstoffformen, in der Umgebung der Biosphäre oxidierte. Damit ist der chemische Austausch des Lebenszyklus etabliert: CO 2 ↔ lebende Materie.

Die Hauptquelle von Kohlendioxid in der Biosphäre ist vulkanische Aktivität im Zusammenhang mit der säkularen Entgasung des Mantels und der unteren Horizonte der Erdkruste. Ein Teil dieses Kohlendioxids entsteht durch die thermische Zersetzung alter Kalksteine ​​in verschiedenen Metamorphosezonen. Die Migration von CO 2 in die Biosphäre verläuft auf zwei Wegen.

Die erste Methode äußert sich in der Absorption von CO 2 im Prozess der Photosynthese unter Bildung organischer Substanzen und anschließender Einbettung unter günstigen reduzierenden Bedingungen in der Lithosphäre in Form von Torf, Kohle, Öl, Ölschiefer. Gemäß der zweiten Methode führt die Kohlenstoffmigration zur Bildung eines Carbonatsystems in der Hydrosphäre, wo CO 2 zu H 2 CO 3, HCO 3 -1, CO 3 -2 wird. Unter Beteiligung von Calcium (seltener Magnesium und Eisen) erfolgt dann die Ausfällung von Carbonaten auf biogene und abiogene Weise. Mächtige Schichten von Kalksteinen und Dolomiten treten auf. Laut A.B. Ronov, war das Verhältnis von organischem Kohlenstoff (Corg) zu karbonathaltigem Kohlenstoff (Ccarb) in der Geschichte der Biosphäre 1:4.

Neben dem globalen Kohlenstoffkreislauf gibt es eine Reihe seiner kleinen Kreisläufe. An Land nehmen grüne Pflanzen also tagsüber CO 2 für den Prozess der Photosynthese auf und geben es nachts an die Atmosphäre ab. Mit dem Tod lebender Organismen auf der Erdoberfläche wird organisches Material (unter Beteiligung von Mikroorganismen) unter Freisetzung von CO 2 in die Atmosphäre oxidiert. In den letzten Jahrzehnten hat die massive Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Zunahme ihres Gehalts in der modernen Atmosphäre einen besonderen Platz im Kohlenstoffkreislauf eingenommen.

Kohlenstoffkreislauf in einer geografischen Hülle (nach F. Ramad, 1981)

Argon- das dritthäufigste atmosphärische Gas, was es deutlich von den äußerst selten vorkommenden anderen Edelgasen unterscheidet. Argon teilt jedoch in seiner Erdgeschichte das Schicksal dieser Gase, die sich durch zwei Merkmale auszeichnen:

1. die Irreversibilität ihrer Akkumulation in der Atmosphäre;
2. enge Verbindung mit dem radioaktiven Zerfall bestimmter instabiler Isotope.

Inerte Gase befinden sich außerhalb des Kreislaufs der meisten zyklischen Elemente in der Biosphäre der Erde.

Alle Inertgase können in primäre und radiogene Gase unterteilt werden. Die primären sind diejenigen, die von der Erde während ihrer Entstehung eingefangen wurden. Sie sind äußerst selten. Der Hauptteil von Argon besteht hauptsächlich aus 36 Ar- und 38 Ar-Isotopen, während atmosphärisches Argon vollständig aus dem 40 Ar-Isotop (99,6 %) besteht, das zweifellos radiogen ist. In kaliumhaltigen Gesteinen reicherte sich radiogenes Argon durch den Zerfall von Kalium-40 durch Elektroneneinfang an: 40 K + e → 40 Ar.

Daher wird der Argongehalt in Gesteinen durch ihr Alter und die Menge an Kalium bestimmt. Insofern ist die Heliumkonzentration in Gesteinen abhängig von deren Alter und dem Gehalt an Thorium und Uran. Argon und Helium werden bei Vulkanausbrüchen, durch Risse in der Erdkruste in Form von Gasstrahlen, aber auch bei der Verwitterung von Gesteinen aus dem Erdinneren in die Atmosphäre freigesetzt. Nach Berechnungen von P. Dimon und J. Culp reichern sich Helium und Argon in der Neuzeit in der Erdkruste an und gelangen in relativ geringen Mengen in die Atmosphäre. Die Eintragsrate dieser radiogenen Gase ist so gering, dass sie während der geologischen Geschichte der Erde nicht den beobachteten Gehalt an ihnen in der modernen Atmosphäre liefern konnte. Es bleibt daher anzunehmen, dass der größte Teil des Argons der Atmosphäre in den frühesten Entwicklungsstadien der Erde aus den Eingeweiden der Erde stammte und ein viel geringerer Teil später im Prozess des Vulkanismus und bei der Verwitterung von Kalium hinzugefügt wurde. Steine ​​enthalten.

Helium und Argon hatten also während der Erdzeit unterschiedliche Migrationsprozesse. Es gibt sehr wenig Helium in der Atmosphäre (etwa 5 * 10 -4%), und der "Heliumatem" der Erde war leichter, da er als leichtestes Gas ins Weltall entwich. Und "Argon-Atem" - Schwer und Argon blieben in unserem Planeten. Die meisten der primären Inertgase, wie Neon und Xenon, waren mit dem primären Neon verbunden, das von der Erde während ihrer Entstehung eingefangen wurde, sowie mit der Freisetzung in die Atmosphäre während der Entgasung des Mantels. Die Gesamtheit der Daten zur Geochemie von Edelgasen weist darauf hin, dass die Primäratmosphäre der Erde in den frühesten Stadien ihrer Entwicklung entstanden ist.

Die Atmosphäre enthält Wasserdampf und Wasser in flüssigem und festem Zustand. Wasser in der Atmosphäre ist ein wichtiger Wärmespeicher.

Die unteren Schichten der Atmosphäre enthalten eine große Menge an mineralischen und technogenen Stäuben und Aerosolen, Verbrennungsprodukten, Salzen, Sporen und Pflanzenpollen usw.

Bis zu einer Höhe von 100-120 km ist die Zusammensetzung der Atmosphäre aufgrund der vollständigen Luftvermischung homogen. Das Verhältnis zwischen Stickstoff und Sauerstoff ist konstant. Oben überwiegen Edelgase, Wasserstoff etc. In den unteren Schichten der Atmosphäre befindet sich Wasserdampf. Mit zunehmender Entfernung von der Erde nimmt sein Gehalt ab. Oben ändert sich das Verhältnis der Gase, beispielsweise in einer Höhe von 200 bis 800 km, Sauerstoff überwiegt das 10- bis 100-fache gegenüber Stickstoff.

Im Gegensatz zu den heißen und kalten Planeten in unserem Sonnensystem gibt es auf dem Planeten Erde Bedingungen, die Leben in irgendeiner Form ermöglichen. Eine der Hauptbedingungen ist die Zusammensetzung der Atmosphäre, die allen Lebewesen die Möglichkeit gibt, frei zu atmen und vor der tödlichen Strahlung schützt, die im Weltraum herrscht.

Woraus besteht die Atmosphäre?

Die Atmosphäre der Erde besteht aus vielen Gasen. Im Grunde nimmt das 77% ein. Gas, ohne das Leben auf der Erde undenkbar ist, nimmt ein viel kleineres Volumen ein, der Sauerstoffgehalt in der Luft beträgt 21% des Gesamtvolumens der Atmosphäre. Die letzten 2 % sind eine Mischung verschiedener Gase, darunter Argon, Helium, Neon, Krypton und andere.

Die Erdatmosphäre steigt auf eine Höhe von 8.000 km. Atmbare Luft gibt es nur in der unteren Schicht der Atmosphäre, in der Troposphäre, die an den Polen 8 km nach oben und 16 km über dem Äquator reicht. Mit zunehmender Höhe wird die Luft dünner und desto mehr Sauerstoff wird verbraucht. Um zu berücksichtigen, wie hoch der Sauerstoffgehalt der Luft in verschiedenen Höhen ist, geben wir ein Beispiel. Auf dem Gipfel des Everest (Höhe 8848 m) hält die Luft dieses Gas dreimal weniger als über dem Meeresspiegel. Daher können die Eroberer hoher Berggipfel - Bergsteiger - nur mit Sauerstoffmasken auf die Spitze steigen.

Sauerstoff ist die Hauptbedingung für das Überleben auf dem Planeten

Zu Beginn der Existenz der Erde hatte die sie umgebende Luft dieses Gas nicht in ihrer Zusammensetzung. Dies war durchaus geeignet für das Leben der einfachsten - einzelligen Moleküle, die im Ozean schwammen. Sie brauchten keinen Sauerstoff. Der Prozess begann vor etwa 2 Millionen Jahren, als die ersten lebenden Organismen durch Photosynthese begannen, kleine Dosen dieses durch chemische Reaktionen gewonnenen Gases zunächst in den Ozean und dann in die Atmosphäre freizusetzen. Das Leben entwickelte sich auf dem Planeten und nahm eine Vielzahl von Formen an, von denen die meisten bis in unsere Zeit nicht überlebt haben. Einige Organismen haben sich schließlich an das Leben mit dem neuen Gas angepasst.

Sie lernten, seine Kraft sicher in der Zelle zu nutzen, wo es als Kraftwerk fungierte, um Energie aus der Nahrung zu gewinnen. Diese Art der Sauerstoffnutzung wird Atmung genannt, und wir tun dies jede Sekunde. Es war das Atmen, das die Entstehung komplexerer Organismen und Menschen ermöglichte. Über Millionen von Jahren ist der Sauerstoffgehalt in der Luft auf sein heutiges Niveau von etwa 21 % gestiegen. Die Ansammlung dieses Gases in der Atmosphäre trug zur Entstehung der Ozonschicht in einer Höhe von 8-30 km über der Erdoberfläche bei. Gleichzeitig wurde der Planet vor den schädlichen Auswirkungen ultravioletter Strahlen geschützt. Die Weiterentwicklung der Lebensformen zu Wasser und an Land beschleunigte sich durch die gesteigerte Photosynthese rasant.

anaerobes Leben

Obwohl sich einige Organismen an die steigenden Mengen des freigesetzten Gases angepasst haben, sind viele der einfachsten Lebensformen, die auf der Erde existierten, verschwunden. Andere Organismen überlebten, indem sie sich vor Sauerstoff versteckten. Einige von ihnen leben heute in den Wurzeln von Hülsenfrüchten und nutzen Stickstoff aus der Luft, um Aminosäuren für Pflanzen aufzubauen. Der tödliche Organismus Botulismus ist ein weiterer „Flüchtling“ vor Sauerstoff. Er überlebt ruhig in Vakuumverpackungen mit Konserven.

Welcher Sauerstoffgehalt ist optimal für das Leben

Frühgeborene, deren Lungen noch nicht vollständig zum Atmen geöffnet sind, fallen in spezielle Inkubatoren. In ihnen ist der Sauerstoffgehalt in der Luft volumenmäßig höher und statt der üblichen 21% wird hier sein Wert von 30-40% eingestellt. Kleinkinder mit schweren Atemproblemen werden von Luft mit 100 % Sauerstoffgehalt umgeben, um Schäden am Gehirn des Kindes zu vermeiden. Unter solchen Umständen zu sein, verbessert den Sauerstoffhaushalt von Geweben, die sich in einem Zustand der Hypoxie befinden, und normalisiert ihre Vitalfunktionen. Aber seine übermäßige Menge in der Luft ist genauso gefährlich wie sein Mangel. Zu viel Sauerstoff im Blut eines Kindes kann die Blutgefäße in den Augen schädigen und zu Sehverlust führen. Dies zeigt die Dualität der Eigenschaften des Gases. Wir müssen es atmen, um zu leben, aber sein Überschuss kann manchmal zu einem Gift für den Körper werden.

Oxidationsprozess

Wenn sich Sauerstoff mit Wasserstoff oder Kohlenstoff verbindet, findet eine Reaktion namens Oxidation statt. Dieser Prozess bewirkt, dass die organischen Moleküle, die die Grundlage des Lebens sind, zerfallen. Im menschlichen Körper läuft die Oxidation wie folgt ab. Rote Blutkörperchen sammeln Sauerstoff aus der Lunge und transportieren ihn durch den Körper. Es gibt einen Prozess der Zerstörung der Moleküle der Nahrung, die wir essen. Dieser Prozess setzt Energie, Wasser und Kohlendioxid frei. Letzteres wird von den Blutkörperchen wieder in die Lunge ausgeschieden und wir atmen es in die Luft aus. Eine Person kann ersticken, wenn sie länger als 5 Minuten am Atmen gehindert wird.

Atem

Betrachten Sie den Sauerstoffgehalt in der Luft, die wir atmen. Atmosphärische Luft, die beim Einatmen von außen in die Lunge gelangt, wird als eingeatmet bezeichnet, und die Luft, die beim Ausatmen durch die Atemwege austritt, als ausgeatmet.

Es ist eine Mischung aus Luft, die die Alveolen füllt, mit der Luft, die sich in den Atemwegen befindet. Die chemische Zusammensetzung der Luft, die ein gesunder Mensch unter natürlichen Bedingungen ein- und ausatmet, ändert sich praktisch nicht und wird in solchen Zahlen ausgedrückt.

Sauerstoff ist der Hauptbestandteil der Luft für das Leben. Änderungen in der Menge dieses Gases in der Atmosphäre sind gering. Wenn am Meer der Sauerstoffgehalt in der Luft bis zu 20,99 % beträgt, dann sinkt er selbst in der stark belasteten Luft von Industriestädten nicht unter 20,5 %. Solche Veränderungen zeigen keine Auswirkungen auf den menschlichen Körper. Physiologische Störungen treten auf, wenn der Sauerstoffanteil in der Luft auf 16-17% sinkt. Gleichzeitig gibt es eine klare, die zu einem starken Abfall der Vitalaktivität führt, und bei einem Sauerstoffgehalt in der Luft von 7-8% ist ein tödlicher Ausgang möglich.

Atmosphäre in verschiedenen Epochen

Die Zusammensetzung der Atmosphäre hat die Evolution schon immer beeinflusst. Zu unterschiedlichen geologischen Zeiten wurden aufgrund von Naturkatastrophen steigende oder fallende Sauerstoffwerte beobachtet, die eine Veränderung des Biosystems zur Folge hatten. Vor etwa 300 Millionen Jahren stieg sein Gehalt in der Atmosphäre auf 35 %, während der Planet von riesigen Insekten besiedelt war. Das größte Aussterben von Lebewesen in der Erdgeschichte geschah vor etwa 250 Millionen Jahren. Dabei starben mehr als 90 % der Meeresbewohner und 75 % der Landbewohner. Eine Version des Massensterbens besagt, dass der niedrige Sauerstoffgehalt in der Luft schuld war. Die Menge dieses Gases ist auf 12% gesunken und es befindet sich in der unteren Atmosphäre bis zu einer Höhe von 5300 Metern. In unserer Zeit erreicht der Sauerstoffgehalt in der atmosphärischen Luft 20,9 %, das sind 0,7 % weniger als vor 800.000 Jahren. Diese Zahlen werden von Wissenschaftlern der Princeton University bestätigt, die Proben des Grönland- und Atlantikeises untersuchten, die sich zu dieser Zeit bildeten. Das gefrorene Wasser speicherte die Luftblasen, und diese Tatsache hilft, den Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre zu berechnen.

Wie hoch ist seine Höhe in der Luft?

Eine aktive Aufnahme aus der Atmosphäre kann durch die Bewegung von Gletschern verursacht werden. Wenn sie sich entfernen, offenbaren sie riesige Bereiche organischer Schichten, die Sauerstoff verbrauchen. Ein weiterer Grund kann die Abkühlung des Wassers der Ozeane sein: Seine Bakterien nehmen Sauerstoff aktiver bei niedrigen Temperaturen auf. Die Forscher argumentieren, dass der industrielle Sprung und damit das Verbrennen einer riesigen Menge an Treibstoff keine besonderen Auswirkungen hat. Die Weltmeere kühlen seit 15 Millionen Jahren ab, und die Menge an lebenswichtiger Materie in der Atmosphäre hat unabhängig von menschlichen Einflüssen abgenommen. Wahrscheinlich finden auf der Erde einige natürliche Prozesse statt, die dazu führen, dass der Sauerstoffverbrauch höher wird als seine Produktion.

Einfluss des Menschen auf die Zusammensetzung der Atmosphäre

Reden wir über den Einfluss des Menschen auf die Zusammensetzung der Luft. Das Niveau, das wir heute haben, ist ideal für Lebewesen, der Sauerstoffgehalt in der Luft beträgt 21 %. Das Gleichgewicht von Kohlendioxid und anderen Gasen wird durch den Lebenszyklus in der Natur bestimmt: Tiere atmen Kohlendioxid aus, Pflanzen nutzen es und setzen Sauerstoff frei.

Es gibt jedoch keine Garantie dafür, dass dieses Niveau immer konstant bleibt. Die Menge an Kohlendioxid, die in die Atmosphäre freigesetzt wird, nimmt zu. Dies ist auf den Verbrauch von Kraftstoff durch die Menschheit zurückzuführen. Und wie Sie wissen, wurde es aus Fossilien organischen Ursprungs gebildet und Kohlendioxid gelangt in die Luft. Unterdessen werden die größten Pflanzen auf unserem Planeten, Bäume, in zunehmendem Maße zerstört. Kilometer Wald verschwinden in einer Minute. Das bedeutet, dass ein Teil des Sauerstoffs in der Luft allmählich abnimmt und Wissenschaftler bereits Alarm schlagen. Die Erdatmosphäre ist keine grenzenlose Speisekammer und Sauerstoff dringt nicht von außen in sie ein. Es hat sich die ganze Zeit zusammen mit der Entwicklung der Erde entwickelt. Es muss ständig daran erinnert werden, dass dieses Gas von der Vegetation im Prozess der Photosynthese durch den Verbrauch von Kohlendioxid produziert wird. Und jede signifikante Verringerung der Vegetation in Form von Entwaldung verringert zwangsläufig den Sauerstoffeintrag in die Atmosphäre und stört damit ihr Gleichgewicht.

Ein merklicher Anstieg des Gehalts an freiem Sauerstoff in der Erdatmosphäre vor 2,4 Milliarden Jahren war offenbar das Ergebnis eines sehr schnellen Übergangs von einem Gleichgewichtszustand in einen anderen. Das erste Niveau entsprach einer extrem niedrigen O 2 -Konzentration – etwa 100.000-mal niedriger als das, was jetzt beobachtet wird. Das zweite Gleichgewichtsniveau könnte bei einer höheren Konzentration von mindestens 0,005 der aktuellen erreicht werden. Der Sauerstoffgehalt zwischen diesen beiden Niveaus ist durch extreme Instabilität gekennzeichnet. Das Vorhandensein einer solchen "Bistabilität" macht es möglich zu verstehen, warum es mindestens 300 Millionen Jahre lang so wenig freien Sauerstoff in der Erdatmosphäre gab, nachdem Cyanobakterien (blaugrüne "Algen") damit begannen, ihn zu produzieren.

Derzeit besteht die Erdatmosphäre zu 20 % aus freiem Sauerstoff, der nichts anderes ist als ein Nebenprodukt der Photosynthese von Cyanobakterien, Algen und höheren Pflanzen. Viel Sauerstoff wird von tropischen Wäldern freigesetzt, die in populären Publikationen oft als die Lungen des Planeten bezeichnet werden. Gleichzeitig schweigt sich jedoch aus, dass Tropenwälder im Laufe des Jahres fast so viel Sauerstoff verbrauchen, wie sie produzieren. Es wird für die Atmung von Organismen aufgewendet, die die fertige organische Substanz zersetzen, hauptsächlich Bakterien und Pilze. Zum, Damit sich Sauerstoff in der Atmosphäre anreichern kann, muss zumindest ein Teil des bei der Photosynthese gebildeten Stoffes aus dem Kreislauf entfernt werden- zum Beispiel in Bodensedimente gelangen und für Bakterien unzugänglich werden, die es aerob, also unter Sauerstoffverbrauch, zersetzen.

Die Gesamtreaktion der oxygenen (d. h. „sauerstoffgebenden“) Photosynthese kann wie folgt geschrieben werden:
CO 2 + H 2 O + hν→ (CH 2 O) + O 2,
wo hν die Energie des Sonnenlichts ist und (CH 2 O) die verallgemeinerte Formel organischer Materie ist. Atmen ist der umgekehrte Prozess, der wie folgt geschrieben werden kann:
(CH 2 O) + O 2 → CO 2 + H 2 O.
In diesem Fall wird die für Organismen notwendige Energie freigesetzt. Eine aerobe Atmung ist jedoch nur bei einer O 2 -Konzentration von nicht weniger als 0,01 des aktuellen Niveaus (dem sogenannten Pasteur-Punkt) möglich. Unter anaeroben Bedingungen zersetzt sich organisches Material durch Fermentation, und in den Endstadien dieses Prozesses wird häufig Methan gebildet. Die verallgemeinerte Gleichung für die Methanogenese durch die Bildung von Acetat sieht beispielsweise so aus:
2(CH 2 O) → CH 3 COOH → CH 4 + CO 2.
Kombinieren wir den Prozess der Photosynthese mit dem anschließenden Abbau organischer Materie unter anaeroben Bedingungen, dann sieht die Gesamtgleichung so aus:
CO 2 + H 2 O + hν→ 1/2 CH 4 + 1/2 CO 2 + O 2.
Diese Art der Zersetzung organischer Materie war offenbar die wichtigste in der antiken Biosphäre.

Viele wichtige Details darüber, wie das moderne Gleichgewicht zwischen der Zufuhr von Sauerstoff in die Atmosphäre und seiner Entfernung hergestellt wurde, bleiben unklar. Immerhin kam es erst vor 2,4 Milliarden Jahren zu einer merklichen Erhöhung des Sauerstoffgehalts, der sogenannten „Great Oxidation of the Atmosphere“ (Große Oxidation), obwohl sicher bekannt ist, dass Cyanobakterien, die sauerstoffhaltige Photosynthese betreiben, bereits recht zahlreich waren und aktiv vor 2,7 Milliarden Jahren, und sie entstanden sogar noch früher, vielleicht vor 3 Milliarden Jahren. So während mindestens 300 millionen jahre lang führte die aktivität von cyanobakterien nicht zu einer erhöhung des sauerstoffgehalts in der atmosphäre.

Die Annahme, dass aus irgendeinem Grund plötzlich eine radikale Zunahme der Nettoprimärproduktion (dh eine Zunahme der bei der Photosynthese von Cyanobakterien gebildeten organischen Substanz) eingetreten sei, hielt keiner Kritik stand. Tatsache ist, dass während der Photosynthese hauptsächlich das leichte Kohlenstoffisotop 12 C verbraucht wird und der relative Gehalt des schwereren Isotops 13 C in der Umwelt zunimmt.Deshalb sollten Bodensedimente, die organisches Material enthalten, an dem 13 C-Isotop abgereichert werden, das sich ansammelt in Wasser und dient der Bildung von Karbonaten. Das Verhältnis von 12С und 13С in Karbonaten und in der organischen Substanz von Sedimenten bleibt jedoch trotz radikaler Änderungen der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre unverändert. Dies bedeutet, dass der springende Punkt nicht in der Quelle von O 2 liegt, sondern in seiner, wie Geochemiker es ausdrücken, „Senke“ (Entzug aus der Atmosphäre), die plötzlich erheblich abnahm, was zu einer erheblichen Zunahme der Sauerstoffmenge führte in der Atmosphäre.

Es wird allgemein angenommen, dass unmittelbar vor der "Großen Oxidation der Atmosphäre" der gesamte damals gebildete Sauerstoff für die Oxidation von reduzierten Eisenverbindungen (und dann von Schwefel) verbraucht wurde, die auf der Erdoberfläche ziemlich zahlreich waren. Insbesondere wurden dann die sogenannten „Bandeisenerze“ gebildet. Doch kürzlich kam Colin Goldblatt, Doktorand an der School of Environmental Sciences der University of East Anglia (Norwich, UK), zusammen mit zwei Kollegen derselben Universität zu dem Schluss, dass der Sauerstoffgehalt in der Erdatmosphäre in einem liegen kann von zwei Gleichgewichtszuständen: Es kann entweder sehr klein sein - etwa 100.000 Mal weniger als heute, oder ziemlich viel (obwohl es aus der Position eines modernen Beobachters klein ist) - nicht weniger als 0,005 des aktuellen Niveaus.

In dem vorgeschlagenen Modell berücksichtigten sie sowohl den Eintrag von Sauerstoff als auch von reduzierten Verbindungen in die Atmosphäre, wobei sie insbesondere auf das Verhältnis von freiem Sauerstoff und Methan achteten. Sie stellten fest, dass, wenn die Sauerstoffkonzentration 0,0002 des aktuellen Niveaus übersteigt, ein Teil des Methans gemäß der Reaktion bereits von methanotrophen Bakterien oxidiert werden kann:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O.
Aber der Rest des Methans (und es gibt ziemlich viel davon, besonders bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen) gelangt in die Atmosphäre.

Aus thermodynamischer Sicht befindet sich das Gesamtsystem in einem Nichtgleichgewichtszustand. Der Hauptmechanismus zur Wiederherstellung des gestörten Gleichgewichts ist die Oxidation von Methan in den oberen Schichten der Atmosphäre durch ein Hydroxylradikal (siehe Methanschwankungen in der Atmosphäre: Mensch oder Natur – wer gewinnt, "Elements", 06.10.2006). Das Hydroxylradikal wird bekanntermaßen in der Atmosphäre unter Einwirkung von ultravioletter Strahlung gebildet. Befindet sich jedoch viel Sauerstoff in der Atmosphäre (mindestens 0,005 des aktuellen Niveaus), bildet sich in den oberen Schichten ein Ozonschirm, der die Erde gut vor harten UV-Strahlen schützt und gleichzeitig die Physikochemie stört Oxidation von Methan.

Die Autoren kommen zu dem etwas paradoxen Schluss, dass das Vorhandensein von oxygener Photosynthese an sich weder für die Bildung einer sauerstoffreichen Atmosphäre noch für die Bildung eines Ozonschirms eine hinreichende Bedingung ist. Dieser Umstand sollte in den Fällen berücksichtigt werden, in denen wir versuchen, auf der Grundlage der Ergebnisse einer Untersuchung ihrer Atmosphäre Anzeichen für die Existenz von Leben auf anderen Planeten zu finden.

Der Unterschied im Sättigungsgrad der Erdatmosphäre mit Sauerstoff hängt eng mit der Evolution lebender Organismen zusammen. In den letzten 400 Millionen Jahren hat sich der Sauerstoffgehalt innerhalb von 21 % des aktuellen Niveaus erheblich verändert.

Wissenschaftler des Royal Holloway College der University of London und des Natural History Museum in Chicago haben eine Studie veröffentlicht, die die Menge an Holzkohle verwendet, die in alten Torfgebieten konserviert ist, um den Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre abzuschätzen.

Bisher haben sich Wissenschaftler auf geochemische Modelle verlassen, um die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre abzuschätzen. Aufgrund unterschiedlicher Modelle gibt es einige Diskrepanzen in den Zahlen, aber allen Modellen zufolge war der Sauerstoffgehalt vor etwa 300 Millionen Jahren im späten Paläozoikum deutlich höher als heute. Dadurch kam es zum Gigantismus einiger Tier- und Insektengruppen, wie zum Beispiel der Libelle Meganeura monyi mit einer Flügelspannweite von über 60 cm Einige Wissenschaftler glauben, dass höhere Sauerstoffkonzentrationen es auch Wirbeltieren ermöglichten, an Land zu gelangen.

Hohe Sauerstoffwerte ermöglichten die Existenz von Rieseninsekten wie der Libelle Meganeura monyi mit einer Flügelspannweite von über 60 cm.

Die hohe Sauerstoffkonzentration war eine direkte Folge des Pflanzenreichtums auf der Erdoberfläche. Bei der Photosynthese setzen Pflanzen Sauerstoff frei und speichern Kohlenstoff (aus dem Kohlendioxid entsteht). Für eine Nettoerhöhung des atmosphärischen Sauerstoffanteils muss überschüssiger Kohlenstoff im Boden vergraben werden. Infolgedessen führt die Ausbreitung der Vegetation zu einer starken Zunahme der Kohlenstoffablagerungen im Boden. Besonders groß waren sie im späten Paläozoikum, als sich riesige Kohlereserven anhäuften.

Arzt Ian J. Glasspool(Dr. Ian J. Glasspool) erklärte, dass die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre eng mit der Brennbarkeit von Materialien zusammenhängt. Bei Sauerstoffwerten unter 15 % konnten sich Waldbrände nicht ausbreiten. Ab einem Wert von 25 % fangen sogar nasse Pflanzen leicht Feuer, und bei Werten von 30 bis 35 %, wie es im späten Paläozoikum der Fall war, kam es sehr häufig zu Bränden mit verheerenden Folgen.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Konzentration von Holzkohle in Kohleflözen in den letzten 50 Millionen Jahren etwa 4-8 % betrug, was ungefähr dem aktuellen Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre entspricht. Dennoch gab es Perioden in der Erdgeschichte, in denen ihr Anteil 70 % erreichte. Dies weist auf eine sehr hohe Konzentration an Luftsauerstoff hin. Diese Perioden wurden in der Karbon- und Perm-Periode des Paläozoikums (vor 320-250 Millionen Jahren) und der mittleren Kreidezeit (vor etwa 100 Millionen Jahren) festgestellt.

Es war eine Zeit bedeutender Veränderungen in der Entwicklung der Flora, verbunden mit der Verbreitung neuer Pflanzengruppen - Koniferen und Blütenpflanzen. Dies führte zur Entstehung großer Ablagerungen von organischem Kohlenstoff und zu einem Rückgang der Kohlendioxidmenge in der Atmosphäre sowie zu einem Anstieg der Sauerstoffkonzentration. Dies sind auch Zeiten starker Brände und starker Erosion.

Die Forscher stellen fest, dass das Haupträtsel der Grund ist, warum sich der Sauerstoffanteil schließlich vor etwa 50 Millionen Jahren stabilisiert hat und immer noch auf dem gleichen Niveau bleibt.

Eine so enge Beziehung zwischen der Vegetationsmenge und der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre sowie der Dauer des Prozesses ihrer Stabilisierung, der Millionen von Jahren dauerte, legt nahe, dass die Ökosphäre der Erde zerbrechlicher ist, als wir denken. Nach Hunderten von Jahren der Forschung wissen wir nicht alles darüber. Es ist möglich, dass der Anstieg der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre immer noch teilweise mit der Entwaldung zusammenhängt und nicht nur mit Emissionen von Industrieunternehmen.