Атмосфера и инертные газы

АТМОСФЕРА И ИНЕРТНЫЕ ГАЗЫ

Наша планета со всех сторон омывается воздушным бассейном, простирающимся ввысь, как теперь считают, на 2—3 тыс. км, не считая разреженной водородной короны, протяженность которой — до 20 тыс. км. Вся масса атмосферы, приблизительно равная 5150 триллионам тонн, не достигает и миллионной доли массы земного шара, тем не менее облик и в какой-то мере судьба Земли складывались под многообразным влиянием атмосферы. Между нею и наружным слоем земного шара существует постоянное взаимодействие и обмен элементами, протекающий преимущественно при посредничестве биосферы. Этот обмен настолько интенсивен, что, по общепризнанному мнению В. И. Вернадского, основные компоненты воздуха являются ныне продуктами биохимических процессов. Подсчитано, что вся атмосфера — тысячи триллионов тонн — в течение года несколько раз проходит через живые организмы в процессах их дыхания и питания.
 
Подобно одеялу окутывая Землю, атмосфера предохраняет ее от резких суточных колебаний температуры — лютых морозов ночью и нестерпимой жары днем; от метеоритных обстрелов и интенсивного облучения частицами больших энергий, проникающими из космоса. Без воздушной оболочки небо было бы черным, на Земле царила бы тишина, не было бы смен погоды, а геологическая структура земной коры была бы во многом иная, чем теперь.
Земная атмосфера — это механическая смесь газов разного происхождения, имеющих различные массы молекул. Поэтому на первый взгляд удивительно довольно строгое постоянство ее состава над всей планетой. Исключением являются лишь водяные пары и углекислота: их содержание в околоземном слое воздуха подвержено существенным колебаниям. В нижнем слое, охватывающем тропосферу и часть стратосферы, сосредоточено более 80% массы атмосферы, и состав ее здесь почти идеально одинаков. Например, содержание гелия в пробах воздуха, взятых в самых различных местах, — над Атлантическим океаном, в Красноярске, на Новой Земле и в тропических широтах Тихого океана — колеблется в пределах всего 5,233 · 10—5,250 ·10 %.
 
Аналогичное постоянство концентрации наблюдается в атмосфере и для других стабильных инертных газов. Это тем более примечательно, что они разнятся по своим удельным весам в большей мере, чем какие-либо другие газы: аргон в 10 раз, а ксенон в 33 раза тяжелее гелия. Это постоянство распространяется не только на различные области земного шара, но и по высоте — по меньшей мере на 60 км. Причина тут в ветрах, в энергичном перемешивании воздуха восходящими и нисходящими потоками. Однако выше 70 км наблюдается постепенное уменьшение содержания аргона , а на высоте 80 км в воздухе содержится 0,87— 0,89, а на высоте 95 км — 0,76—0,79 об.% аргона.
 
Состав атмосферы остается стабильным в течение длительного времени. В настоящее время нет никаких данных, которые позволяли бы думать, что с начала палеозойской эры и до нашего времени, т. е. за 500 млн. лет, в нем произошли значительные изменения. Бесспорно одно — до появления органической жизни на Земле атмосфера содержала иные газы. Впоследствии, вплоть до наших дней, она не оставалась абсолютно неизменной. Очень медленно атмосфера обогащалась тяжелыми инертными газами, поступающими из земной коры; кроме того, постепенно изменялся изотопный состав неона и аргона.
Атмосфера имеет свои законы движения и обмена с другими средами. Недеятельные и содержащиеся в незначительном количестве благородные газы не играют какой-либо самостоятельной роли в атмосферных процессах. Но их присутствие, притом в виде ряда изотопов, облегчает изучение атмосферы — характера ее движения, изменения состава, газообмена с Землей и межпланетным пространством.
 
Наглядное представление о  количественном соотношении редких газов в атмосфере дают следующие числа. В 100 л воздуха содержится 934 см³ аргона, 1,82 см³ неона, 0,524 см³ гелия, 0,144 см³ криптона и 0,0087 см³ ксенона. На каждый миллион молекул воздушного аргона приходится (округленно) 1500 молекул неона, 500 молекул гелия, 50 молекул криптона и только одна молекула ксенона. Любопытен и такой расчет. Если бы через воображаемый регистрирующий прибор проходила   одна молекула воздуха в течение секунды, то молекула аргона отсчитывалась бы раз в 2 мин, неона — раз в 20 час, гелия — раз в 2,5 суток, криптона — раз в 7 месяцев, а молекула ксенона — раз в 5—6 лет. Что касается радона, то понадобились бы миллионы лет, чтобы через прибор прошел его атом. Но даже при таком малом относительном содержании этого газа каждый кубический сантиметр воздуха содержит 1—2 атома радона.  Какие  количества  инертных  газов  вмещает   атмосфера — единственная кладовая, из которой человек черпает неон, аргон, криптон и ксенон? Выраженные в тоннах, они приблизительно таковы:
 
Не — 4,5·10, Ne — 7,1·10¹¹, Аr — 6,7·10¹³, Кr — 2·10¹º, Хе — 1·10, Rn -3,5·10³ (меньше 400 л).
 
Под действием земного тяготения происходит диффузионное разделение атмосферы на тяжелые газы в нижних слоях и легкие — в верхних. Наверху преимущественно скапливаются водород и гелий. Советский ученый Н. Н. Шефов вычислил, что на высоте 1000 км в 1 см3 атмосферы должно содержаться около миллиона атомов гелия и практически ничего больше. Именно такая атмосфера создает плотность, установленную для данной высоты по торможению искусственных спутников Земли, Последующие данные, зарегистрированные приборами на искусственных спутниках и космических ракетах, подтвердили гипотезу о существовании гелиевой короны вокруг Земли. На высоте более 600 км гелий становится преобладающим компонентом атмосферы. Мощность гелие вого пояса велика — он простирается до высоты 1500
2000 км, — но она не постоянна, а сложным образом зависит от солнечной активности. Над гелиевым слоем располагается водородная корона, переходящая в межпланетную среду, а под ним — ионосфера, состоящая главным образом из кислорода, расщепленного на атомы и ионизированного космическими лучами и солнечным ультрафиолетовым излучением.
 
Д.Д. Финкельштейн — Инертные газы . А.С. Ассовская — Гелий на земле и во вселенной .
Статья на тему Атмосфера и инертные газы