Классификация поверхности Земли с помощью лазерной аэрофотосъемки
Классификация поверхности земли является одним из основных шагов обработки данных лазерной аэрофотосъемки. Она раскрывает значительный потенциал данных, в частности, для создания полезных производных. Например, ЦМР являются распространенным продуктом, получаемым на основе данных лазерной аэрофотосъемки, и классификация поверхности земли является обязательной частью этого процесса.
Значение классификации
Другие объекты, которые люди хотят идентифицировать с помощью лидара, такие как здания и растительность, требуют предварительной классификации поверхности Земли. Это связано с тем, что неотъемлемой частью процесса классификации является оценка высоты точки над поверхностью Земли.
Рекомендуется, чтобы классификация поверхности Земли была выполнена профессионалом, а данные, а также примененные классификации были проверены независимыми консультантами на предмет соответствия требованиям. Требования варьируются в зависимости от проекта, но они часто включают в себя сравнение высот, классифицированных на поверхности Земли, с высотами контрольных точек, а также анализ производных отмывки рельефа, полученных с помощью лидара, классифицированного на поверхности Земли.
Предварительные условия и рекомендации
Классификация поверхности Земли по облакам точек чаще всего выполняется при лазерной аэрофотосъемке. Так можно получить наилучший, наиболее согласованный вид поверхности Земли. Можно также использовать облака точек, полученные фотограмметрическим способом, хотя они не столь надежны, как лидар, для получения данных наземных наблюдений на покрытых растительностью территориях.
С наземными платформами сбора данных, как стационарными, так и мобильными, могут быть проблемы. Зачастую съемка земли недостаточно надежная, так как часто присутствуют тени, отбрасываемые объектами на Земле. Кроме того, плотность точек может быть варьироваться, причем многие области могут быть как излишне подробными, так и недостаточно подробными. Для этого могут подойти участки сканирования в непосредственной близости от сенсора.
Облака точек любого типа должны быть привязаны к местности и откалиброваны перед классификацией поверхности Земли. Как правило, за это отвечает провайдер данных. Рекомендуется также классификация наложения, чтобы плотность точек в данных, рассматриваемых для классификации поверхности Земли и других классификаций, была относительно согласованной.
Пожалуйста, ознакомьтесь с предложенной информацией и дайте мне знать, если вам нужны какие-либо дополнения или изменения.
Проекция координат и формат данных
Данные должны быть в системе координат проекции. Если данные представлены в десятичных градусах, то для их проецирования можно использовать инструмент , задав в среде инструмента соответствующую выходную систему координат.
Данные должны быть в листах. Для этого необходимо разбить их на непересекающиеся прямоугольные области, что можно сделать с помощью инструмента . Рекомендуется, чтобы размер отдельных листов данных формата LAS не превышали 1 Гб.
Рекомендуется, чтобы для данных LAS была сформирована статистика. Статистика создает пространственный индекс, что повышает эффективность классификации. Диалоговое окно Свойства наборов данных LAS и несколько инструментов геопроцессинга, связанных с LAS (Создать набор данных LAS и Статистика набора данных LAS), могут генерировать статистику.
Если данные перезаписываются по какой-либо причине, например, в проект или лист, то при создании файлов рекомендуется изменить порядок точек. При этом в LAS-файле размещаются точки, пространственно близкие друг к другу с точки зрения физической последовательности записей в файле, что повышает эффективность пространственных запросов.
Выполнение классификации поверхности Земли
Инструмент Классифицировать поверхность LAS используется для автоматической идентификации и классификации точек на поверхности Земли в лидарных и фотограмметрических облаках точек. После классификации поверхности Земли можно использовать инструмент Набор данных LAS в растр для создания ЦМР или классифицировать данные с помощью других инструментов, которые работают с поверхностью Земли, таких как Классифицировать здания в LAS и Классифицировать LAS по высоте.
- Все точки в облаке точек лидара.
- Только земные точки в облаке точек лидара.
- Для поверхности Земли учитываются только точки класса 0 и класса 4 1.
- Любые существующие поверхности 4 класса 2 можно сохранить или удалить (другими словами, сбросить настройки до класса 1 и повторно проверить классификатором для поверхности Земли) в зависимости от настроек.
- Предусмотрены разные варианты обработки шума. По умолчанию шум остается без внимания. Все остальные существующие классы остаются без изменений.
Ограничения
Классификация лидара несовершенна. Имея в своем распоряжении только информацию о точках, не всегда можно однозначно ответить на вопрос, что правильно, а что нет. Следовательно, существует несколько потенциальных поверхностей Земли.
Постарайтесь использовать лучшие варианты, чтобы минимизировать ошибки и уменьшить количество необходимых ручных операций по очистке классификации. Для успешного выполнения этой задачи необходимо знать характеристики данных и рельефа местности в районе исследования.
AUTO– автоматический режим, где классификатор определяет поверхность Земли на основе геометрических характеристик точек.HYBRID– гибридный режим, объединяющий данные о геометрии и интенсивности сигнала лидара для определения поверхности Земли.MANUAL– ручной режим, где вы можете вручную указать параметры для классификации точек поверхности Земли.
Параметры классификации:
GROUND_THRESHOLD– пороговое значение для определения точек поверхности Земли.SLOPE_THRESHOLD– пороговое значение для определения перехода между землей и другими объектами.WATER_THRESHOLD– пороговое значение для правильной классификации водных объектов.
Используя правильные параметры, вы сможете улучшить результаты классификации точек поверхности Земли и избежать ошибок в определении объектов на снимках с лидара.
Не забывайте изучить инструкцию к инструменту Классифицировать поверхность Земли LAS, чтобы использовать его правильно и получить точные и надежные результаты. В случае возникновения вопросов, обращайтесь к специалистам по обработке данных с лидара, чтобы получить профессиональную консультацию и помощь.
Параметр Величина
Этот параметр включает три опции: Консервативная, Стандартная и Агрессивная. Они коррелируют с величиной шероховатостей и разрывов поверхности, которые принимаются за поверхность Земли.
Консервативная опция допускает наименьшее количество шероховатостей. Рекомендуется использовать её для создания ЦМР, чтобы снизить вероятность ошибочной классификации низких объектов как поверхности земли.
Стандартная опция представляет хороший баланс между Консервативной и Агрессивной. Хорошо подходит для смешанного ландшафта.
Агрессивная опция рекомендуется оставить для холмистых или горных районов. Может выбираться для получения наибольшего количества шероховатостей.
Параметр Классификатор
Параметр включает две опции: Новейший и Старый. По умолчанию установлено Новейший. Новейший классификатор рекомендуется для актуальных и точных результатов.
Повторное использование поверхности земли
Этот параметр может быть как отмечен, так и не отмечен. Он полезен при улучшении классификации поверхности земли, когда уже есть наземные точки. Если отмечен, существующая поверхность останется, а новая будет добавлена. По умолчанию не отмечен.
Классификация точек низкого шума
Используйте этот параметр, если размер ячейки ЦМР грубее, чем интервал между точками входного облака. При использовании этого параметра классифицируется меньшее количество точек, что ускоряет процесс. Требуется размер ячейки не менее 0,3 м и превышающий в 1,5 раз номинальное расстояние между точками.
Если флажок установлен, этот параметр относит точки ниже поверхности земли к шуму класса 7. Если задать значение параметра Минимальная глубина под землей, то только точки, расположенные глубже этого порога, будут классифицироваться как шум. По умолчанию порог равен 0, поэтому все точки, расположенные ниже уровня земли, независимо от глубины залегания, будут рассматриваться как шум. Отметить параметр Классифицировать точки низкого шума рекомендуется потому, что эти точки вряд ли будут интерпретированы или классифицированы в другой класс. Будет лучше, чтобы они относились к классу шума, а не оставались в классе 0 или 1, если они не могут быть ничем другим.Не все точки, расположенные под поверхностью земли, или, правильнее сказать, те, что кажутся вам расположенными под землей, будут классифицироваться как низкий шум. В основном это происходит с кластерами точек, поскольку классификатор идентифицирует их как потенциально достоверные объекты, например, шахты или впадины.
Сохранить существующий низкий шум
Если флажок установлен, этот параметр сохраняет все существующие точки с низким уровнем шума, с намерением добавить больше низкого шума. По умолчанию он выключен, при этом все существующие низкие шумы сначала будут сброшены в класс 1, а затем будут оценены заново.
Классифицировать точки высокого шума
Если флажок установлен, этот параметр относит точки выше поверхности земли по значению параметра Минимальная высота над землей, к классу 18 высокого шума. Он предназначен для поиска шумов, связанных с облаками, дымкой и высоко летящими птицами. Используйте порог, который выше, чем деревья, здания и другие высокие объекты инфраструктуры, чтобы они не классифицировались как шум.Если в ландшафте имеется только несколько достоверных высоких объектов, но много шума в диапазоне высот этих объектов, то может быть выгодно задать порог высоты, который приведет к неправильной классификации высоких объектов. Это связано с тем, что исправить несколько проблемных мест вручную может быть проще, чем устранить все пропущенные шумы, возникающие при использовании более высокого порога высоты.
Сохранить существующий высокий шум
Если опция включена, этот параметр сохраняет существующие точки с высоким уровнем шума, с намерением добавить больше высокого шума. По умолчанию он выключен, при этом все существующие высокие шумы сначала будут сброшены в класс 1, а затем будут оценены заново.
Просмотр результатов
Ни одна классификация не является идеальной. Полученные результаты должны быть просмотрены и при необходимости очищены вручную. Существует два типа проблем: точки, которые должны были быть классифицированы как наземные, но не были классифицированы (ошибки пропуска), и точки, которые были классифицированы как наземные, но не должны были быть классифицированы (ошибки присвоения).
Можно попытаться найти ошибки, просмотрев статистику. Например, изучив диапазоны высот точек на поверхности земли в панели диалогового окна Свойства набора данных LAS из панели , можно определить, попадают ли они в ожидаемые диапазоны. Можно также проверить соответствие высот другим источникам высот, например, данным съемки или уже существующим ЦМР, и поискать существенные различия.
Одним из наиболее распространенных методов является получение растра с отмывкой рельефа из ЦМР, созданной на основе точек, классифицированных на поверхности земли, и визуальная проверка отмывки рельефа на предмет аномалий. Целью является поиск неестественно выглядящих форм рельефа. К ним относятся необычные пики и впадины, но более вероятными являются отсутствующие или усеченные хребты на холмистой местности.
Решение проблем в разных областях
Отдельные проблемные места, например, впадину, которая должна быть низким шумом, лучше всего устранять вручную. Для этого необходимо построить пирамиду для набора данных LAS и просмотреть облако точек по коду класса в локальном 3D-виде. Убедитесь, что пространственная привязка вида совпадает с облаком точек. На ленте слоя набора данных LAS имеется вкладка , содержащая инструменты для выделения и переклассификации заданных точек.
Резкие хребты могут быть потеряны на холмистой местности, если для метода классификации выбрано значение Консервативный или Стандартный. Хотя для предотвращения этого можно использовать Агрессивный метод, его не рекомендуется применять его, если только вся область не является холмистой. При более распространенном сценарии смешанного рельефа для получения качественных результатов на менее холмистой местности лучше использовать методы Консервативный или Стандартный. Компромисс заключается в том, что в холмистых местах классификатор может оказаться слишком ограничивающим. Он определяет резкие изменения склона как маловероятные, и может пропустить линии перегибов, особенно в густо заросших лесом районах, где количество попаданий в земную поверхность меньше.
Для преодоления проблем с хребтами, из исходных точек, классифицированных на земной поверхности, сначала строится производная отмывка. Она используется для определения проблемных мест. Оператор оцифровывает полигоны вокруг проблемных областей. Полигоны не обязательно должны быть точными. Затем классификатор поверхности Земли запускается повторно, используя менее строгий метод, чем при первоначальном запуске. Если использовалась Консервативная классификация, попробуйте Стандартную. Если использовалась Стандартная, попробуйте Агрессивную. Также отметьте параметр Повторно использовать поверхность земли, чтобы сохранить существующую поверхность земли, а в качестве экстента обработки использовать класс полигональных объектов, содержащий проблемные полигоны. Выборка полигонов учитывается, поэтому можно выбрать конкретные области для обработки и итераций.
Это позволит автоматизировать более агрессивную классификацию только для этих проблемных областей, не затрагивая остальные области, классифицированные более консервативно. После этого повторного запуска классификатора для каждой проблемной области должна быть проведена еще одна проверка.
Редактирование исходных точек поверхности земли вручную
Для участка, который остается проблемным даже после использования Агрессивной классификации, можно вручную классифицировать несколько исходных точек поверхности земли вдоль вершины хребта, выделить соответствующий проблемный полигон и повторно запустить инструмент с теми же параметрами: агрессивное обнаружение, повторное использование исходных точек и выбранный проблемный полигон для обработки. Исходные точки помогут классификатору найти больше точек вдоль и вокруг хребта.
Для редактирования исходных точек поверхности земли вручную выполните следующие действия:
Ориентация вида профиля повернута таким образом, что камера находится на одном конце хребта и смотрит вдоль него. Это облегчает наблюдение за вершиной хребта и выбор наземных точек.
На следующих изображениях показаны различные способы визуализации поверхности земли в 2D для выявления проблемных участков и оценки их устранения:
2D-виды карт основаны на наборе данных LAS, построенных в виде триангуляционной поверхности, отображенной комбинацией уклона и отмывки.
Более выраженный зеленый цвет в проблемной зоне заметен до восстановления. Зеленым цветом обозначен нижний склон и показано, что происходит, когда вершина хребта не была снята должным образом.
Приведенные изображения аналогичны предыдущему примеру, за исключением использования только отмывки, без раскраски по уклону. Визуальная проверка отмывки – широко используемый подход для выявления проблем с классификацией поверхности Земли.
Связанные разделы
Отзыв по этому разделу?
Эта статья об атмосфере Земли, существуют другие значения термина Атмосфера
Атмосфе́ра Земли́ (от. др.-греч. — пар и — шар) — газовая оболочка, окружающая планету Земля, одна из геосфер. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя переходит в околоземную часть космического пространства.
Совокупность разделов физики и химии, изучающих атмосферу, принято называть физикой атмосферы. Состояние атмосферы определяет погоду и климат на поверхности Земли. Изучением погоды занимается метеорология, а климатом и его вариациями — климатология.
Атмосфера Земли (снимок с МКС, 2006). На больших высотах атмосфера становится очень разрежённой, так что её присутствием можно пренебречь.
Суммарная масса воздуха в атмосфере — (5,1—5,3)⋅1018 кг. Из них масса сухого воздуха составляет (5,1352 ± 0,0003)⋅1018 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27⋅1016 кг.
Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966 г/моль, плотность воздуха у поверхности моря приблизительно равна . Давление при 0 °C на уровне моря составляет 101,325 кПа; критическая температура — −140,7 °C (~ 132,4 К); критическое давление — 3,7 МПа; при 0 °C — 1,0048⋅103 Дж/(кг·К), — 0,7159⋅103 Дж/(кг·К) (при 0 °C). Растворимость воздуха в воде (по массе) при 0 °C — 0,0036 %, при 25 °C — 0,0023 %.
За «нормальные условия» у поверхности Земли приняты: плотность 1,225 кг/м3, барометрическое давление 101,325 кПа, температура +15 °C, влажность 0 %. Эти условные показатели имеют чисто инженерное значение.
Атмосфера Земли возникла в результате двух процессов: испарения вещества космических тел при их падении на Землю и выделения газов при вулканических извержениях (дегазация земной мантии). С выделением океанов и появлением биосферы атмосфера изменялась за счёт газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах.
Состав сухого воздуха
В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).
Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды () и углекислого газа (), концентрация которого растёт с середины XX века.
Газ Содержание по объёму, % Содержание по массе, %
Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся и другие оксиды азота (, ), пропан и другие углеводороды, , , , , , , , , , пары , , , а также многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль). Очень редким газом в земной атмосфере является .
Дневное и ночное состояние атмосферы Земли
Пограничный слой атмосферы
Нижний слой тропосферы (1—2 км толщиной), в котором состояние и свойства поверхности Земли непосредственно влияют на динамику атмосферы.
Её верхняя граница находится на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 метров.
Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры воздуха с возрастанием высоты.
Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—40 км от −56,5 до +0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой. В середине XIX века полагали, что на высоте 12 км (6 тыс. туазов) заканчивается атмосфера Земли (Пять недель на воздушном шаре, 13 гл). В стратосфере располагается озоновый слой, который защищает Землю от ультрафиолетового излучения.
Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °C).
Мезосфера начинается на высоте 50-55 км и простирается до 80-100 км, точная высота границ мезосферы зависит от широты и времени года. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25—0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и так далее, обусловливают свечение атмосферы.
Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около −90 °C).
Область атмосферы, прилегающая сверху к термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно и температура практически не меняется с высотой.
Экзосфера (сфера рассеяния)
Атмосферные слои до высоты 120 км
До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до минус 110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200—250 км соответствует температуре ~ 150 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.
На высоте около 2000—3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен редкими частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разрежённых пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.
На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы — около 20 %; масса мезосферы — не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы.
На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу.
В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера — это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.
Другие свойства атмосферы и воздействие на человеческий организм
Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 9 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород.
Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания кислородом. Однако вследствие падения общего давления атмосферы по мере подъёма на высоту соответственно снижается и парциальное давление кислорода.
В лёгких человека постоянно содержится около 3 л альвеолярного воздуха. Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет 110 мм рт. ст., давление углекислого газа — 40 мм рт. ст., а паров воды — 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в лёгких остаётся почти постоянным — около 87 мм рт. ст. Поступление кислорода в лёгкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным этой величине.
С точки зрения физиологии человека «космос» начинается уже на высоте около 19—20 км. На этой высоте давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст. и температура кипения воды равна температуре тела — 36,6 °C, что приводит к кипению воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметичной кабины на этих высотах смерть наступает почти мгновенно.
Плотные слои воздуха — тропосфера и стратосфера — защищают нас от поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное действие на организм оказывает ионизирующая радиация — первичные космические лучи; на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.
По мере подъёма на всё большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные для нас явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение аэродинамической подъёмной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и другие.
В разрежённых слоях воздуха распространение звука оказывается невозможным. До высот 60—90 км ещё возможно использование сопротивления и подъёмной силы воздуха для управляемого аэродинамического полёта. Но начиная с высот 100—130 км, знакомые каждому лётчику понятия числа М и звукового барьера теряют свой смысл: там проходит условная линия Кармана, за которой начинается область чисто баллистического полёта, управлять которым можно, лишь используя реактивные силы.
На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства — способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции (то есть с помощью перемешивания воздуха). Это значит, что различные элементы оборудования, аппаратуры орбитальной космической станции не смогут охлаждаться снаружи так, как это делается обычно на самолёте, — с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является тепловое излучение.
История образования атмосферы
Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли на протяжении истории последней перебыла в трёх различных составах:
Однако геологическая летопись показывает непрерывную относительно тёплую поверхность в течение всей ранней температурной записи Земли, за исключением одной холодной ледниковой фазы около 2,4 миллиарда лет назад. В позднем архее начала развиваться кислородсодержащая атмосфера, по-видимому, созданная фотосинтезирующими цианобактериями (см. Кислородная катастрофа), которые были обнаружены в виде окаменелостей строматолитов возрастом 2,7 млрд лет. Изотопный состав углерода (en:Stable isotope ratio) убедительно свидетельствует об условиях, подобных нынешним, и о том, что фундаментальные черты геохимического углеродного цикла установились уже 4 млрд лет назад.
Образование большого количества азота обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом , который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Также азот выделяется в атмосферу в результате денитрификации нитратов и других азотосодержащих соединений. Азот окисляется озоном до в верхних слоях атмосферы.
Азот вступает в реакции лишь в специфических условиях (например, при разряде молнии). Окисление молекулярного азота озоном при электрических разрядах в малых количествах используется в промышленном изготовлении азотных удобрений. Окислять его с малыми энергозатратами и переводить в биологически активную форму могут цианобактерии (сине-зелёные водоросли) и клубеньковые бактерии, формирующие ризобиальный симбиоз с бобовыми растениями, которые могут быть эффективными сидератами — растениями, которые не истощают, а обогащают почву естественными удобрениями.
Состав атмосферы начал радикально меняться с появлением на Земле живых организмов, в результате фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа. Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений — аммиака, углеводородов, закисной формы железа, содержавшейся в океанах и другом. По окончании данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку это вызвало серьёзные и резкие изменения многих процессов, протекающих в атмосфере, литосфере и биосфере, это событие получило название Кислородная катастрофа.
В течение фанерозоя состав атмосферы и содержание кислорода претерпевали изменения. Они коррелировали прежде всего со скоростью отложения органических осадочных пород. Так, в периоды угленакопления содержание кислорода в атмосфере, видимо, заметно превышало современный уровень.
Содержание в атмосфере зависит от вулканической деятельности и химических процессов в земных оболочках, от интенсивности биосинтеза и разложения органики в биосфере Земли. Практически вся текущая биомасса планеты (около 2,4⋅1012 тонн) образуется за счёт углекислоты, азота и водяного пара, содержащихся в атмосферном воздухе. Захороненная в океане, в болотах и в лесах органика превращается в уголь, нефть и природный газ.
Содержание углекислого газа в атмосфере зависит также от растворимости газа в воде океанов, что связано с температурой воды и её кислотностью.
Источниками инертных газов являются вулканические извержения и распад радиоактивных элементов. Земля в целом, и атмосфера в частности, обеднены инертными газами по сравнению с космосом и некоторыми другими планетами. Это относится к гелию, неону, криптону, ксенону и радону. Концентрация же аргона, напротив аномально высока и составляет почти 1 % от газового состава атмосферы. Большое количество данного газа обусловлено интенсивным распадом радиоактивного изотопа калий-40 в недрах Земли.
В последнее время на эволюцию атмосферы стал оказывать влияние человек. Результатом человеческой деятельности стал постоянный рост содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива, накопленного в предыдущие геологические эпохи. Громадные количества потребляются при фотосинтезе и поглощаются мировым океаном. Этот газ поступает в атмосферу благодаря разложению карбонатных горных пород и органических веществ растительного и животного происхождения, а также вследствие вулканизма и производственной деятельности человека. За последние 100 лет содержание в атмосфере возросло на 10 %, причём основная часть (360 млрд тонн) поступила в результате сжигания топлива. Если темпы роста сжигания топлива сохранятся, то в ближайшие 200—300 лет количество в атмосфере удвоится и может привести к глобальным изменениям климата.
Сжигание топлива — основной источник загрязняющих газов (, , ). Диоксид серы окисляется кислородом воздуха до , а оксид азота до в верхних слоях атмосферы, которые в свою очередь взаимодействуют с парами воды, а образующиеся при этом серная кислота и азотная кислота выпадают на поверхность Земли в виде так называемых кислотных дождей. Использование двигателей внутреннего сгорания приводит к значительному загрязнению атмосферы оксидами азота, углеводородами и соединениями свинца (тетраэтилсвинец , его использование в бензине существенно снижено в последние десятилетия).
Аэрозольное загрязнение атмосферы обусловлено как естественными причинами (извержение вулканов, пыльные бури, унос капель морской воды и пыльцы растений и другое), так и хозяйственной деятельностью человека (добыча руд и строительных материалов, сжигание топлива, изготовление цемента и тому подобное). Интенсивный широкомасштабный вынос твёрдых частиц в атмосферу — одна из возможных причин изменений климата планеты.
Соколов В. А. Геохимия природных газов. — М., 1971.
МакИвен М., Филлипс Л. Химия атмосферы. — М., 1978.
Уорк K., Уорнер С. Загрязнение воздуха. Источники и контроль, пер. с англ., М.. 1980;