Атмосфера її будова та функції
Атмосфера (від грец. атмо- пара; сфера – куля) – механічна суміш різних ґазів, водяної пари та пилових (аерозольних) частинок.
Біля поверхні Землі повітря містить за об’ємом 78,08% азоту; 20,95% – кисню; 0,94% інертних ґазів і 0,03% вуглекислого ґазу. На висоті 5 км вміст кисню залишається тим же, а вміст азоту збільшується до 79,89%.
Біля поверхні Землі повітря має різні домішки, а особливо у містах воно містить до 40 інґредієнтів, не властивих природному повітряному середовищу.
В 1 метрі кубічному повітря в промисловому місті міститься від 10 до 10000 найдрібніших частинок, в горах і сільській місцевості ~ 5 тис., а над океаном ще менше.
Підвищена кількість СО2 в повітрі пригнічуюче діє на тварин, при концентрації 0,07% викликає утруднене дихання, а при концентрації понад 4% призводить до їх загибелі.
Атмосфера постійно містить воду – до 4% у приземному шарі на висоті декількох метрів від землі, а також різні види забруднень – природних та промислових порошинок і шкідливих ґазів, які надходять із промисловими викидами.
Атмосфера має властивість самоочищуватися. Концентрація забруднень зменшується при розсіюванні їх в повітрі, осадженні твердих частинок під дією сил тяжіння, вилученні різних домішок опадами, перетворенні шкідливих сполук хімічним шляхом в нешкідливі елементи. Встановлено, що дощ інтенсивністю 1 мм/год. за 45 хв. вилучає з повітря 28% частинок пилу розміром 10 мкм.
При надходженні в атмосферу величезних кількостей забруднюючих речовин вона не встигає самоочищуватись, тому необхідні спеціальні технічні, економічні, соціальні і інші заходи з охорони атмосфери.Атмосфера представляє собою повітряну оболонку земної кулі. Вертикальна подовженість її досягає 20000 м. Атмосферне повітря – суміш різних газів. В його складі 78.08% азоту, 20.95% кисню, 0.93% аргону, 0.03%вуглекислого газу, 0.01% решта газів (неон, гелій, метан, радон та ін.) [7].
Життя на Землі неможливе без кисню. Він є продуктом життєдіяльності зелених рослин. Рослини, споживаючи й розщеплюючи воду та вуглекислоту при фотосинтезі, виділяють кисень. Усі ж інші живі істоти – тільки споживають кисень.
Вуглекислий газ надходить в атмосферу в результаті дихання живих істот, спалювання палива, гниття та розкладу органічних речовин.
Без урахування водяної пари, аерозолів і різних місцевих особливостей основний склад сухого чистого повітря в приземному шарі і в атмосфері в цілому наведені в таблиці 3.1.
З даних таблиці видно, що сухе повітря на 99,96% складається лише з трьох газів – азоту, кисню, аргону. Значно менше в повітрі оксиду вуглецю (ІV) – 0,33%, а решти газів усіх разом менше 0,001%. Однак значення того чи іншого газу для життя людини, біосфери, формування клімату не визначається його кількістю й атмосфері. Так, оксид вуглецю та озон мають істотне значення для існування на Землі.
Таблиця 18.1
Основний склад сухого чистого повітря в приземному шарі
| Газ | Молеку лярна маса | Відносний вміст у сухому повітрі, % | Загальний вміст в атмосфері Землі, т | ||
| за обсягом | за масою | ||||
| Азот (N2) | 28.02 | 78.08 | 75.53 | 4.0 * 1015 | |
| Кисень (О2) | 32.0 | 20.95 | 23.14 | 1.2 * 105 | |
| Аргон (Ar) | 39.94 | 0.93 | 1.28 | 6.8 * 1013 | |
| Вуглекислий газ (СО2) | 44.01 | 0.033 | 0.05 | 2.6 * 1012 | |
| Неон (Ne) | 20.18 | 0.0018 | 0.001 | 5.3 * 1010 | |
| Гелій (Не) | 4.0 | 0.0005 | 0.00007 | 3.9 * 109 | |
| Криптон (Кr) | 16.05 | 0.00015 | 0.00008 | 4.4 * 109 | |
| Ксенон (Хе) | 83.7 | 0.0001 | 0.00003 | 1.6 * 109 | |
| N2 О | 44.02 | 0.00005 | 0.00008 | 4.2 *109 | |
| Водень (Н2) | 2.02 | 0.00005 | 0.000003 | 1.6 * 108 | |
| Озон (О3) | 48.0 | 0.00004 | 0.00007 | 3.7 * 109 | |
Середня молекулярна маса повітря дорівнює 28,966.
Атмосфера, як елемент глобальної екосистеми, виконує кілька основних функцій:
•захищає живі організми від згубного впливу космічних випромінювань та ударів метеоритів;
•регулює сезонні й добові коливання температури (якби на Землі не існувало атмосфери, то добові коливання температури досягали б ± 200 °С);
•є носієм тепла й вологи;
•є депо газів, які беруть участь у фотосинтезі й забезпечують дихання;
•зумовлює низку складних екзогенних процесів (вивітрювання гірських порід, діяльність природних вод, мерзлоти, льодовиків тощо).
Рис. Будова атмосфери.
З висотою різко зменшуються щільність і тиск атмосфери, а температура змінюється нерівномірно й складно. Зміна температури в межах атмосфери на різних висотах пояснюється неоднаковим поглинанням сонячної енергії газами. Найінтенсивніше теплові процеси протікають у тропосфері, причому атмосфера нагрівається знизу, від поверхні океану та суші.
Тропосфера - найближчий до нас нижній шар атмосфери. Висота верхньої межі тропосфери залежить від температури: зимою вона ближче до земної поверхні, літом - дальше. Протягом доби коливання можуть сягати кількох кілометрів. Нагрівається за рахунок тепла нагрітої Сонцем земної поверхні. В тропосфері міститься до 80% вологи всієї атмосфери. Характерне постійне вертикальне перемішування повітря, - тут утворюються хмари, звідси випадають опади.
Тропопауза - її температура і висота змінюються зі зміною широти - від екватора до полюсів тропопауза знижується.
Стратосфера характеризується низьким тиском, розрідженням повітря, повною відсутністю водяної пари і значним вмістом озону - до 10-5 г/г повітря. Озоновий шар поглинає близько 97% ультрафіолетового компонента сонячної радіації, небезпечного для живих організмів. Через різницю температури повітря над екватором і полюсами в стратосфері відбуваються значні горизонтальні переміщення повітряних мас зі швидкістю до 300 км/год.
В мезосфері продовжується зниження тиску повітря і температури з висотою. Розріджене повітря дуже іонізується, - тут виникають, так звані, сріблясті хмари.
В мезопаузі температура починає підвищуватись. Вважають, що вітер на цих висотах часто змінює напрямок і має швидкість до кількох сотень кілометрів за год.
В термосфері швидкість руху частинок газу досягає дуже високих значень, але дякуючи великому розрідженню простору їх зіткнення буває дуже рідко.
Термосфера - це сфера розрідженого іонізованого газу - переважно кисню (за даними, одержаними за допомогою штучних супутників Землі). Тому її називають іоносферою. Іонізація є причиною високої електропровідності термосфери, в ній проходять потужні електричні струми. В термосфері на висоті 320-400 км виникають, так звані, полярні сяйва. Вважають, що причина їх появи - це бомбардування розріджених газів термосфери потоком корпускулярної сонячної радіації.
Екзосфера - це зовнішня сфера Землі. Її називають також сферою розсіювання. Швидкість руху газів в екзосфері наближається до критичної - 11,2 км/с, тому вони розсіюються в міжпланетний простір. Це в першу чергу відноситься до водню, який переважає в складі екзосфери. Водень перемагає земне тяжіння і виноситься в космос - до 4-6 тис. т за рік, утворює, так звану, “водневу або гео- корону“ Землі, яка закінчується на висоті 20 000 км. Газовий склад земної атмосфери, в першу чергу водень, поповнюється за рахунок дегазації мантії. З космосу в атмосферу Землі поступають потоки плазми, що викидаються Сонцем, і космічний пил. геокорона поступово переходить у міжпланетний вакуум.
Розглянемо змінні складові атмосфери, які мають природне походження. Серед них перед веде водяна пара, змінність концентрації якої нам і відома, і звична.
Рекордна концентрація водяної пари – 5-6% сягає в вологих тропіках, які лікарі відносять до малосприятливих для людини зон Землі. Найнижчі концентрації водяної пари – до 0,00001% - спостерігаються над вкритою льодом Антарктидою.