تكوين الهواء الجوي والملوثات - بيئة - 2025

يتم تحديد تكوين الهواء الجوي أو الغلاف الجوي من خلال نسبة الغازات المختلفة الموجودة فيه ، والتي كانت في تغير مستمر طوال تاريخ الأرض. الغلاف الجوي للكوكب تشكيل يتضمن أساسا H ₂ والغازات الأخرى مثل CO ₂ و H ₂ O. قبل حوالي 4.4 مليار سنة، وقد أثرى تكوين الهواء الجوي أساسا مع CO ₂.

مع ظهور الحياة على الأرض ، حدث تراكم للميثان (CH ₄) في الغلاف الجوي ، حيث كانت الكائنات الحية الأولى عبارة عن ميثانوجينات. في وقت لاحق ، ظهرت كائنات التمثيل الضوئي ، والتي أثرت الهواء الجوي بـ O ₂.

منظر عام للغلاف الجوي للأرض. المصدر: Reto Stöckli (سطح الأرض ، المياه الضحلة ، السحب) روبرت سيمون

يمكن تقسيم تركيبة الهواء الجوي اليوم إلى طبقتين كبيرتين متمايزتين في تركيبهما الكيميائي ؛ الهوموسفير والغلاف المغاير.

يقع الغلاف المتجانس من 80 إلى 100 كم فوق مستوى سطح البحر ويتكون أساسًا من النيتروجين (78٪) والأكسجين (21٪) والأرجون (أقل من 1٪) وثاني أكسيد الكربون والأوزون والهيليوم والهيدروجين والميثان ، من بين العناصر الأخرى الموجودة بنسب صغيرة جدًا.

يتكون الغلاف المغاير من غازات منخفضة الوزن الجزيئي ويقع على ارتفاع يزيد عن 100 كيلومتر. تحتوي الطبقة الأولى على جزيئي N ₂ ، والطبقة الثانية O الذرية ، والثالثة هيليوم والأخيرة مكونة من الهيدروجين الذري (H).

التاريخ

بدأت دراسات الهواء الجوي منذ آلاف السنين. في اللحظة التي اكتشفت فيها الحضارات البدائية النار ، بدأوا في تكوين فكرة عن وجود الهواء.

اليونان القديمة

خلال هذه الفترة ، بدأوا في تحليل ماهية الهواء وماذا يفعل. على سبيل المثال ، اعتبر Anaxímades of Miletus (588 قبل الميلاد - 524 قبل الميلاد) أن الهواء ضروري للحياة ، حيث تتغذى الكائنات الحية على هذا العنصر.

من جانبه ، اعتبر إمبيدوكليس من أكراغاس (495 قبل الميلاد - 435 قبل الميلاد) أن هناك أربعة عناصر أساسية للحياة: الماء والأرض والنار والهواء.

اعتبر أرسطو (384 قبل الميلاد - 322 قبل الميلاد) أيضًا أن الهواء هو أحد العناصر الأساسية للكائنات الحية.

اكتشاف تكوين الهواء الجوي

في عام 1773 ، اكتشف الكيميائي السويدي كارل شيل أن الهواء يتكون من النيتروجين والأكسجين (هواء ناري). في وقت لاحق ، في عام 1774 ، قرر البريطاني جوزيف بريستلي أن الهواء يتكون من مزيج من العناصر وأن أحد هذه العناصر ضروري للحياة.

في عام 1776 ، دعا الفرنسي أنطوان لافوازييه الأكسجين إلى العنصر الذي عزله من التحلل الحراري لأكسيد الزئبق.

في عام 1804 ، قام عالم الطبيعة ألكسندر فون هومبولت والكيميائي الفرنسي جاي لوساك بتحليل الهواء القادم من أجزاء مختلفة من الكوكب. قرر الباحثون أن الهواء الجوي له تركيبة ثابتة.

لم يكن حتى أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين ، عندما تم اكتشاف الغازات الأخرى التي تشكل جزءًا من الهواء الجوي. من بين هؤلاء لدينا الأرجون في عام 1894 ، ثم الهيليوم في عام 1895 ، وغازات أخرى (النيون والأرجون والزينون) في عام 1898.

مميزات

الغلاف الجوي للأرض ، في الخلفية القمر. المصدر: NASA، via Wikimedia Commons

يُعرف الهواء الجوي أيضًا باسم الغلاف الجوي وهو مزيج من الغازات التي تغطي كوكب الأرض.

الأصل

لا يُعرف الكثير عن أصل الغلاف الجوي للأرض. يُعتقد أنه بعد انفصاله عن الشمس ، كان الكوكب محاطًا بغلاف من الغازات شديدة السخونة.

من المحتمل أن تكون هذه الغازات مختزلة وتأتي من الشمس ، وتتكون أساسًا من H ₂. كانت الغازات الأخرى ربما CO ₂ و H ₂ O المنبعثة من النشاط البركاني المكثف.

يقترح أن جزءًا من الغازات الموجودة مبردة ومكثفة وأدت إلى ظهور المحيطات. ظلت الغازات الأخرى تشكل الغلاف الجوي بينما تم تخزين الغازات الأخرى في الصخور.

بناء

يتكون الغلاف الجوي من طبقات مختلفة متحدة المركز مفصولة بمناطق انتقالية. لم يتم تحديد الحد الأعلى لهذه الطبقة بوضوح وقد وضعه بعض المؤلفين فوق 10000 كيلومتر فوق مستوى سطح البحر.

تؤثر جاذبية قوة الجاذبية والطريقة التي يتم بها ضغط الغازات على توزيعها على سطح الأرض. وبالتالي ، فإن النسبة الأكبر من كتلتها الإجمالية (حوالي 99٪) تقع في أول 40 كم فوق مستوى سطح البحر.

طبقات الغلاف الجوي. المصدر: تم إنشاء صورة SVG هذه بواسطة Medium69.Cette image SVG a été crée par Medium69.

المستويات أو الطبقات المختلفة من الهواء الجوي لها تركيبة كيميائية مختلفة وتغيرات في درجات الحرارة. وفقًا لترتيبها الرأسي ، من الأقرب إلى الأبعد عن سطح الأرض ، تُعرف الطبقات التالية: التروبوسفير والستراتوسفير والميزوسفير والغلاف الحراري والغلاف الخارجي.

فيما يتعلق بالتركيب الكيميائي للهواء الجوي ، يتم تعريف طبقتين: الغلاف المتجانس والغلاف الجوي.

Homosphere

تقع في أول 80-100 كم فوق مستوى سطح البحر ، وتكوينها من الغازات في الهواء متجانس. في هذا توجد طبقة التروبوسفير والستراتوسفير والميزوسفير.

مغاير

يوجد فوق 100 كم ويتميز بتكوين الغازات الموجودة في الهواء بشكل متغير. يطابق الغلاف الحراري. يختلف تكوين الغازات على ارتفاعات مختلفة.

تكوين الهواء الجوي البدائي

القرص المستوي. المصدر: المجال العام ، commons.wikimedia.org

بعد تكوين الأرض ، منذ حوالي 4500 مليون سنة ، بدأت الغازات في التراكم التي شكلت هواء الغلاف الجوي. جاءت الغازات بشكل أساسي من غلاف الأرض ، وكذلك من الاصطدام بالكواكب الصغيرة (تجمعات المادة التي نشأت الكواكب).

تراكم ثاني أكسيد الكربون

بدأ النشاط البركاني الكبير على هذا الكوكب لإطلاق الغازات المختلفة في الجو، مثل N ₂ ، CO ₂ و H ₂ بدأ ثاني أكسيد الكربون O. لتتراكم، منذ كربونات (عملية تحديد الغلاف الجوي CO ₂ في شكل كربونات) نادرة.

العوامل التي أثرت على تثبيت من CO ₂ كانت في هذا الوقت منخفضة جدا الامطار كثافة ومساحة صغيرة جدا القارية.

أصل الحياة ، تراكم الميثان (CH

الكائنات الحية الأولى التي ظهرت على كوكب استخدمت CO ₂ و H ₂ لإجراء التنفس. كانت هذه الكائنات الحية المبكرة لاهوائية وميثانية المنشأ (أنتجت كميات كبيرة من الميثان).

يتراكم الميثان في الهواء الجوي لأن تحلله كان بطيئًا جدًا. تتحلل عن طريق التحلل الضوئي وفي جو خالٍ من الأكسجين تقريبًا ، يمكن أن تستغرق هذه العملية ما يصل إلى 10000 عام.

وفقا لبعض السجلات الجيولوجية قبل حوالي 3.5 مليار سنة كان هناك انخفاض في CO ₂ في الغلاف الجوي، والذي ارتبط مع حقيقة أن الهواء الغني في CH ₄ اشتد هطول الأمطار، لصالح كربونات.

حدث مؤكسد كبير (تراكم O

يُعتقد أنه قبل حوالي 2.4 مليار سنة وصلت كمية O ₂ على الكوكب إلى مستويات كبيرة في هواء الغلاف الجوي. يرتبط تراكم هذا العنصر بظهور كائنات التمثيل الضوئي.

التمثيل الضوئي هو عملية تسمح بتوليف الجزيئات العضوية من الجزيئات غير العضوية الأخرى في وجود الضوء. أثناء حدوثه ، يتم تحرير O ₂ كمنتج ثانوي.

أدى معدل التمثيل الضوئي المرتفع الذي تنتجه البكتيريا الزرقاء (أول كائنات حية ضوئية) إلى تغيير تكوين هواء الغلاف الجوي. عادت الكميات الكبيرة من O ₂ التي تم إطلاقها إلى الغلاف الجوي مؤكسدة بشكل متزايد.

هذه المستويات العالية من O ₂ أثرت على تراكم CH ₄ ، لأنه تسارع عملية التحلل الضوئي من هذا المركب. مع انخفاض الميثان في الغلاف الجوي بشكل كبير ، انخفضت درجة حرارة الكوكب وحدث التجلد.

من الآثار المهمة الأخرى لتراكم O ₂ على الكوكب تكون طبقة الأوزون. ينفصل Atmospheric O ₂ تحت تأثير الضوء ويشكل جزيئين من الأكسجين الذري.

يتحد الأكسجين الذري مع الجزيئي O ₂ ويشكل O ₃ (الأوزون). تشكل طبقة الأوزون حاجزًا وقائيًا ضد الأشعة فوق البنفسجية ، مما يسمح بتطور الحياة على سطح الأرض.

نيتروجين الغلاف الجوي ودوره في نشأة الحياة

النيتروجين عنصر أساسي في الكائنات الحية ، حيث أنه ضروري لتكوين البروتينات والأحماض النووية. ومع ذلك، في الغلاف الجوي N ₂ لا يمكن استخدامها مباشرة من قبل معظم الكائنات الحية.

يمكن أن يكون تثبيت النيتروجين حيويًا أو غير حيوي. يتكون من مزيج من N ₂ مع O ₂ أو H ₂ لتكوين الأمونيا أو النترات أو النتريت.

ظلت محتويات N ₂ في الهواء الجوي ثابتة إلى حد ما في الغلاف الجوي للأرض. خلال CO ₂ فترة تراكم ، N ₂ تثبيت واللاأحيائي في الأساس، ويرجع ذلك إلى تشكيل أكسيد النيتروجين، والتي شكلتها التفكك الضوئي من H ₂ O وCO ₂ الجزيئات التي كانت مصدر O ₂.

عندما الغلاف الجوي CO ₂ انخفضت مستويات ، انخفضت معدلات تكوين أكسيد النيتروجين بشكل كبير. ويعتبر أنه خلال هذا الوقت أول الطرق الحيوية من N ₂ تثبيت نشأت.

تكوين الهواء الجوي الحالي

يتكون الهواء الجوي من مزيج من الغازات وعناصر أخرى معقدة للغاية. يتأثر تكوينها بشكل أساسي بالارتفاع.

Homosphere

وُجد أن التركيب الكيميائي للهواء الجوي الجاف عند مستوى سطح البحر ثابت إلى حد ما. يشكل النيتروجين والأكسجين حوالي 99٪ من كتلة وحجم الغلاف المتجانس.

نيتروجين الغلاف الجوي (N ₂) بنسبة 78٪ ، بينما يشكل الأكسجين 21٪ من الهواء. ثاني أكثر العناصر وفرة في الهواء الجوي هو الأرجون (Ar) ، والذي يحتل أقل من 1٪ من الحجم الكلي.

مكونات الهواء الجوي. المصدر: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Proporci٪C3٪B3n_de_gases_de_la_atm٪C3٪B3sfera.svg؟uselang=es#filelinks تم تعديله.

هناك عناصر أخرى ذات أهمية كبيرة ، حتى عندما تكون بنسب صغيرة. يوجد ثاني أكسيد الكربون (CO ₂) بنسبة 0.035٪ ويمكن أن يتنوع بخار الماء بين 1 و 4٪ ، حسب المنطقة.

يوجد الأوزون (O ₃) بنسبة 0.003٪ ، ولكنه يشكل حاجزًا أساسيًا لحماية الكائنات الحية. في نفس هذه النسبة أيضًا ، نجد غازات نبيلة مختلفة مثل النيون (Ne) والكريبتون (Kr) والزينون (Xe).

بالإضافة إلى وجود الهيدروجين (H ₂) وأكاسيد النيتروز والميثان (CH ₄) بكميات صغيرة جدًا.

عنصر آخر هو جزء من تكوين الهواء الجوي هو الماء السائل الموجود في السحب. وبالمثل نجد العناصر الصلبة مثل الجراثيم وحبوب اللقاح والرماد والأملاح والكائنات الحية الدقيقة وبلورات الجليد الصغيرة.

مغاير

عند هذا المستوى ، يحدد الارتفاع النوع السائد للغاز في الهواء الجوي. جميع الغازات خفيفة (منخفضة الوزن الجزيئي) ومنظمة في أربع طبقات مختلفة.

من الواضح أنه كلما زاد الارتفاع ، كلما زادت وفرة الغازات ذات الكتلة الذرية الأقل.

بين 100 و 200 كم من الارتفاع ، هناك وفرة أكبر من النيتروجين الجزيئي (N ₂). وزن هذا الجزيء هو 28.013 جم / مول.

تتكون الطبقة الثانية من الغلاف المغاير من ذرة O وتقع بين 200 و 1000 كيلومتر فوق مستوى سطح البحر. كتلة Atomic O تساوي 15999 ، وهي أقل ثقلاً من N ₂.

في وقت لاحق ، وجدنا طبقة هيليوم يتراوح ارتفاعها بين 1000 و 3500 كم. كتلة ذرية للهيليوم 4.00226.

تتكون الطبقة الأخيرة من الغلاف الجوي من الهيدروجين الذري (H). هذا الغاز هو الأخف وزنا في الجدول الدوري ، كتلته الذرية 1.007.

المراجع

1. Katz M (2011) مواد وخامات هواء. دليل تعليمي الفصل 2. المعهد الوطني للتعليم التكنولوجي ، وزارة التربية والتعليم. بوينس ايرس. الأرجنتين. 75 ص
2. Monks PS و C Granier و S Fuzzi وآخرون. (2009) تغير تكوين الغلاف الجوي - جودة الهواء العالمية والإقليمية. بيئة الغلاف الجوي 43: 5268-5350.
3. Pla-García J and C Menor-Salván (2017) التركيب الكيميائي للغلاف الجوي البدائي لكوكب الأرض. كيم 113: 16- 26.
4. Rohli R and Vega A (2015) علم المناخ. الطبعة الثالثة. جونز وبارتليت ليرنينج. نيويورك ، الولايات المتحدة الأمريكية. 451 ص.
5. Saha K (2011) الغلاف الجوي للأرض ، فيزيائها ودينامياتها. Springer-Verlag. برلين ، ألمانيا 367 ص.