大気および汚染物質の組成 - 環境 - 2025

大気または大気の組成は、それに含まれるさまざまなガスの比率によって定義されます。これは、地球の歴史を通じて一定の変動がありました。形成惑星の大気は、主にH ₂と他のガス（CO ₂やH ₂ O など）を含んでいました。約44億年前、大気の組成は主にCO _2で濃縮されていました。

地球上に生命が出現すると、最初の生物がメタン生成菌であったため、メタン（CH ₄）の蓄積が大気中に発生しました。その後、光合成生物はOで大気を濃縮され、登場₂。

地球の大気の全体像。出典：RetoStöckli（地表、浅瀬、雲）Robert Simmon

今日の大気の組成は2つの大きな層に分けられ、それらの化学組成は異なります。ホモスフィアとヘテロスフィア。

ホモスフィアは海抜80〜100 kmにあり、主に窒素（78％）、酸素（21％）、アルゴン（1％未満）、二酸化炭素、オゾン、ヘリウム、水素、メタンで構成されています、非常に小さな割合で存在する他の要素の中で。

ヘテロスフィアは低分子ガスで構成され、高度100 km以上にあります。最初の層には分子N _2、2番目の原子O、3番目のヘリウムがあり、最後の層は原子水素（H）で構成されています。

歴史

大気の研究は数千年前に始まりました。原始文明が火を発見した瞬間、彼らは空気の存在についての考えを持ち始めました。

古代ギリシャ

この期間中に、彼らは空気とは何か、それが何をするのかを分析し始めました。たとえば、ミレトスのアナクシマデス（紀元前588年-紀元前524年）は、空気が生命に不可欠であると考えていました。

彼の側では、アクラガスのエンペドクレス（紀元前495年-紀元前435年）は、生命、水、土、火、空気の4つの基本的な要素があると考えました。

アリストテレス（紀元前384年〜紀元前322年）も、空気は生物にとって不可欠な要素の1つであると考えていました。

大気組成の発見

1773年、スウェーデンの化学者カールシェールは、空気が窒素と酸素（火成空気）で構成されていることを発見しました。後に1774年、イギリスのジョセフプリーストリーは、空気は元素の混合物で構成され、これらの1つは生活に不可欠であると判断しました。

1776年、フランス人アントワーヌラヴォイジエは、酸化水銀の熱分解から分離した元素に酸素を呼び出しました。

1804年、自然学者のアレクサンダーフォンフンボルトとフランスの化学者ゲイルサックは、惑星のさまざまな部分からくる空気を分析しました。研究者たちは、大気は一定の組成を持っていると判断しました。

大気の一部である他のガスが発見されたのは、19世紀後半から20世紀初頭まででした。これらの中には、1894年にアルゴン、1895年にヘリウム、1898年に他のガス（ネオン、アルゴン、キセノン）があります。

特徴

地球の大気、背景は月。出典：NASA、Wikimedia Commons経由

大気は大気とも呼ばれ、地球を覆うガスの混合物です。

原点

地球の大気の起源についてはほとんど知られていない。太陽から離れた後、惑星は非常に高温のガスのエンベロープに囲まれていたと考えられています。

これらのガスはおそらく還元されており、主にH ₂で構成される太陽からのものでした。他のガスはおそらく、激しい火山活動によって放出されたCO ₂とH ₂ Oでした。

存在するガスの一部が冷却され、凝縮され、海を引き起こしたことが示唆されています。他のガスは大気を形成し続け、他は岩に貯蔵されました。

構造

大気は、遷移ゾーンで区切られたさまざまな同心の層で構成されています。この層の上限は明確に定義されておらず、何人かの著者はそれを海抜10,000 km以上に配置しています。

重力の引力とガスの圧縮方法は、地表面でのガスの分布に影響を与えます。したがって、その総質量の最大の割合（約99％）は、海抜40 km以内にあります。

大気の層。出典：このSVG画像はMedium69によって作成されました。Cette画像SVGはMedium69によって作成されました。クレジット：William Crochot

大気のレベルや層が異なれば、化学組成や温度の変動も異なります。地表から最も近いところから最も遠いところまで、その垂直配置によれば、次の層が知られています：対流圏、成層圏、中間圏、熱圏、および外圏。

大気の化学組成に関連して、2つの層、ホモスフィアとヘテロスフィアが定義されています。

ホモスフィア

海抜80-100 kmにあり、空気中のガス組成は均一です。これには、対流圏、成層圏、中間圏が位置しています。

異圏

それは100 kmを超えて存在し、空気中に存在するガスの組成はさまざまです。熱圏に一致します。ガスの組成は、高さによって異なります。

原始大気の組成

微惑星ディスク。出典：パブリックドメイン、commons.wikimedia.org

地球の形成後、約45億年前に、大気を形成するガスが蓄積し始めました。ガスは主に地球のマントルから、および微惑星（惑星を発生させた物質の集合体）との衝突から発生しました。

COの蓄積

地球上の大きな火山活動は、N ₂、CO ₂、H ₂ O などのさまざまなガスを大気中に放出し始めました。炭酸化（大気中のCO ₂を炭酸）が不足していた。

現時点でCO ₂の固定に影響を与えた要因は、非常に弱い降雨と非常に小さな大陸地域でした。

生命の起源、メタンの蓄積（CH

地球に最初に現れた生物は、CO ₂とH ₂を使用して呼吸を行いました。これらの初期の生物は嫌気性でメタン生成性でした（大量のメタンを生成しました）。

メタンは分解が非常に遅いため、大気中に蓄積しました。それは光分解によって分解し、ほぼ無酸素の雰囲気では、このプロセスには最大10,000年かかることがあります。

一部の地質学的記録によると、約35億年前に大気中のCO ₂が減少しました。これは、CH ₄が豊富な空気が雨を強め、炭酸化を促進したという事実に関連しています。

大きな酸化イベント（Oの蓄積

約24億年前、地球上のO ₂の量は大気中の重要なレベルに達したと考えられています。この要素の蓄積は、光合成生物の出現に関連しています。

光合成は、光の存在下で他の無機分子から有機分子を合成できるプロセスです。その発生中、O ₂は副産物として放出されます。

シアノバクテリア（最初の光合成生物）によって生成された高い光合成速度は、大気の組成を変えていました。放出された大量のO ₂は、ますます酸化して大気に戻った。

これらの高レベルのO ₂は、CH ₄の蓄積に影響を与えました。大気中のメタンが劇的に減少したため、惑星の温度が低下し、氷河作用が起こりました。

地球上のO ₂の蓄積のもう1つの重要な影響は、オゾン層の形成でした。大気中のO ₂は、光の影響下で解離し、2つの原子状酸素粒子を形成します。

原子状酸素は分子O ₂と再結合し、O ₃（オゾン）を形成します。オゾン層は紫外線に対する保護バリアを形成し、地球の表面に生命を発達させます。

大気中の窒素と生命の起源におけるその役割

窒素は、タンパク質や核酸の形成に必要であるため、生体の必須成分です。ただし、大気中のN ₂はほとんどの生物が直接使用することはできません。

窒素固定は生物的または非生物的であり得る。これは、N ₂とO ₂またはH ₂の組み合わせで構成され、アンモニア、硝酸塩、または亜硝酸塩を形成します。

大気中のN ₂含有量は、地球の大気中でほぼ一定のままです。CO ₂蓄積期間中、N ₂固定は基本的に非生物的でした。これは、O _2の供給源であるH ₂ OおよびCO ₂分子の光化学的解離によって形成された窒素酸化物の形成によるものです。

大気中のCO ₂レベルが低下すると、窒素酸化物の生成速度が劇的に低下しました。この間、N ₂固定の最初の生物的経路が始まったと考えられています。

現在の大気組成

大気は、ガスと他の非常に複雑な要素の混合物で構成されています。その組成は主に高度の影響を受けます。

ホモスフィア

海面での乾燥大気の化学組成はかなり一定であることがわかっています。窒素と酸素は、ホモスフィアの質量と体積の約99％を占めます。

大気中の窒素（N ₂）の割合は78％ですが、酸素は空気の21％を占めています。大気中の次に豊富な元素はアルゴン（Ar）で、これは総体積の1％未満を占めます。

大気の成分。出典：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Proporci%C3%B3n_de_gases_de_la_atm%C3%B3sfera.svg?uselang=es#filelinks Modified。

比率が小さい場合でも、他にも非常に重要な要素があります。二酸化炭素（CO ₂）は0.035％の割合で存在し、水蒸気は地域に応じて1〜4％の間で変動します。

オゾン（O ₃）は0.003％の割合で含まれていますが、生物の保護にとって不可欠な障壁を形成しています。また、これと同じ比率で、ネオン（Ne）、クリプトン（Kr）、キセノン（Xe）などのさまざまな希ガスが見つかります。

さらに、水素（H ₂）、亜酸化窒素、メタン（CH ₄）が非常に少量存在します。

大気の組成の一部である別の要素は、雲に含まれている液体の水です。同様に、胞子、花粉、灰、塩、微生物、小さな氷の結晶などの固体要素を見つけます。

異圏

このレベルでは、高度によって大気中の主なガスの種類が決まります。すべてのガスは軽量（低分子量）で、4つの異なる層で構成されています。

高さが増加するにつれて、より豊富なガスはより低い原子質量を持っていることがわかります。

高度100〜200 kmの間に、分子状窒素（N ₂）が豊富に含まれています。この分子の重量は28.013 g / molです。

ヘテロスフィアの第2層は原子Oで構成され、海抜200〜1000 kmにあります。原子Oの質量は15,999で、N ₂よりも重くない。

その後、高さが1000〜3500 kmのヘリウム層が見つかりました。ヘリウムの原子質量は4.00226です。

ヘテロスフェアの最後の層は、水素原子（H）で構成されています。このガスは1.007の原子質量を持ち、周期表で最も軽いガスです。

参考文献

1. Katz M（2011）材料および原材料、Air。教育ガイド第2章教育省、国立技術教育研究所。ブエノスアイレス。アルゼンチン。75 pp
2. モンクスPS、Cグラニエ、S Fuzziなど。（2009）大気組成の変化-グローバルおよび地域の大気質。大気環境43：5268-5350。
3. Pla-GarcíaJ and CMenor-Salván（2017）惑星地球の原始大気の化学組成。Chem 113：16-26。
4. Rohli RおよびVega A（2015）気候学。第3版。ジョーンズとバートレット学習。アメリカ、ニューヨーク。451ページ
5. Saha K（2011）地球の大気、その物理学および力学。Springer-Verlag。ドイツ、ベルリン367 pp。