Атмосфера Земли — это рабочее тело «тепловой машины» планеты. Большая часть энергии, приносимой в атмосферу от Солнца, переходит в тепловую энергию и только потом вновь излучается в космос.
Ветры перераспределяют эту энергию, рассеивая ее значительную часть, гораздо большую, чем рассеивается при совместном действии океанических течений, приливов, дрейфа материков и конвекции в мантии.
И кратковременные флуктуации атмосферы (погода), и более длительные флуктуации средней погоды (климат) играют важную роль в истории Земли. Состав современной атмосферы мало похож на тот, который был у газово-пылевой туманности, из которой образовалась наша планета.
Он отражает сложную историю взаимодействия летучих элементов с пылинками этой туманности, магмой, извергавшейся из земной мантии, с породами земной коры, океаном и биосферой.
Сухой воздух содержит в основном три составляющих: азот (N2),кислород (О2) и аргон (Аr), на долю которых приходится соответственно 79,20 и 1 % всех молекул. Кислород, напротив, циркулирует в ионосфере, океане, биосфере и осадочных породах.
Количество кислорода в атмосфере определяется скоростью реакций, которые связывают свободный кислород атмосферы с восстановленным углеродом в осадочных портах.
Небольшая часть не разложившихся органических веществ в осадочных породах эквивалентна притоку кислорода в атмосферу; этот условный приток уравновешивается расходом кислорода при выветривании осадочных пород.
Большая часть аргона в атмосфере — это изотоп аргон-40, образующийся при радиоактивном распаде калия-40 в мантии и коре и попадающий в атмосферу при извержении вулканов.
Аргон, один из инертных газов, не обладает геохимической активностью — попав в атмосферу, он навсегда остается в ней.
Состав сухого воздуха постоянен над всей поверхностью Земли, а количество водяного пара в атмосфере сильно меняется (от 4% до долей процента по объему).
Атмосфера — это не главный резервуар воды, так как при обычных для Земли температурах водяной пар конденсируется.
Воды в океане содержится столько, что ее хватило бы на 300 земных атмосфер, т. е. в 300 раз больше по массе, чем всех составляющих атмосферы. Почти столько же воды заключено в глинах и некоторых минералах.
Таким образом, содержание водяного пара в данной воздушной массе определяется по ее контактам с водой на поверхности Земли и давлением насыщенных паров в воздухе при разных температурах.
Остальные составляющие воздуха представлены в столь малых количествах, что их концентрацию обычно выражают не в процентах, а в частях на миллион (млн-1).
Самая распространенная из этих компонент — углекислый газ (СО2), содержание которого в воздухе составляет в настоящее время примерно 340 млн.
Атмосферные запасы СО2 гораздо меньше, чем океанические запасы бикарбонат-ионов (НСО/-3) и карбонат-ионов (СО/--3) и запасы углерода в известковых породах, с стоящих в основном из известковых (СаСО/3) раковин морских организмов.
В одних только известковых породах СО2 содержится примерно в 20 раз больше, чем в атмосфере.
Таким образом, количество углекислого газа, как и водяного пара, определяется скоростью равновесной реакции, связывающей его запасы в атмосфере и на поверхности. После СО2 больше всего в атмосфере содержится неона (18 млн) и гелия (5 млн- 1).
Большая часть гелия получается при распаде радиоактивных элементов в почве, а неон существует с самого рождения Солнечной системы. Оказавшись свободными, эти газы остались в атмосфере, так как они геохимически инертны и не конденсируются при земных температурах.
Есть еще один газ, содержание которого больше 2 млн — это озон. Его концентрация меняется с высотой и достигает максимума (12 млн/ -1) на высоте 30 км.
Атомы кислорода, полученные в результате фото диссоциации молекулярного кислорода (О2) под действием ультрафиолетового излучения, соединяются с молекулярным кислородом, образуя озон. Разложение озона происходит в нескольких реакциях.
Реакции, при которых участвует «нечетный кислород» (О или О/3) и образуется молекулярный кислород, ведут к уменьшению концентрации озона.
Озон — единственный атмосферный газ, который поглощает в ближней ультрафиолетовой области (при длинах волн 0,2—0,3 мкм), и поэтому он играет решающую роль в экранировании поверхности Земли от жесткого солнечного излучения Состав атмосферы, как и расстояние.
Поток солнечного излучения (количество энергии, которую несет солнечный свет, падающий перпендикулярно на единицу площади) на внешней границе земной атмосферы при среднем расстоянии от Земли до Солнца составляет 1,367 Вт/м2.