Атмосфера. Атмосфера (от греч. аtmos — пар, sphaiara — шар) — газовая оболочка планеты
Атмосфера (от греч. аtmos — пар, sphaiara — шар) — газовая оболочка планеты. Сформировалась в результате геологической эволюции и непрерывной деятельности организмов. Состав современной атмосферы — результат динамического равновесия, поддерживаемого процессами жизнедеятельности организмов и различными геохимическими явлениями глобального масштаба.
Общая масса атмосферы Земли равна 5,3 •1015 т (по разным оценкам 5,15—5,9 • 1015), причем 90 % сосредоточено в околоземном слое толщиной около 16 км. Поскольку атмосфера является наружной оболочкой Земли, она «разграничивает» планету и космическое пространство, ослабляя ряд поступающих из космоса излучений и сглаживая резкие колебания температуры в биосфере. Кроме того, она является средой распространения микроорганизмов, семян, плодов, а также местом обитания многих насекомых, птиц и млекопитающих.
Наличие атмосферы является одним из необходимых условий существования жизни на Земле. Атмосфера регулирует климат Земли; суточные колебания температуры на планете без атмосферы достигали бы 200 оС. В настоящее время средняя температура Земли, благодаря существованию атмосферы, составляет +14о С. Атмосфера пропускает тепловое излучение Солнца и сохраняет тепло, в ней образуются облака, дождь, снег, ветер. Она также выполняет роль переносчика влаги на Земле, является средой распространения звука, без воздуха на Земле царила бы немая тишина.
Атмосфера служит источником кислородного дыхания, воспринимает газообразные продукты обмена веществ, оказывает влияние на теплообмен и другие функции живых организмов. Изменение физических и химических свойств атмосферы может отрицательно сказаться на здоровье людей, их работоспособности, продолжительности жизни.
Из опыта следует, что атмосфера имеет четко выраженное слоистое строение. Из всех слоев атмосферы важнейшее для человека значение имеет самый нижний слой - тропосфера, высота которого варьируется от 8-10 км в полярных широтах до 16-18 км у экватора.
Рис. 2.5. Структура атмосферы
Тропосфера является одним из самых плотных слоев атмосферы, в котором сосредоточено почти 80 % всей массы атмосферы. При подъеме от поверхности Земли наблюдается падение плотности, давления и температуры (на 6оС на 1 км). При этом все структурные параметры атмосферы (температура, давление, плотность) обладают значительной пространственно-временной изменчивостью (широтной, годовой, сезонной, суточной и др.).
Тропосфера характеризуется снижением температуры по высоте с градиентом на 6 оС/км (в отдельных слоях температура может с увеличением высоты повышаться - такое ее распределение называется инверсией температуры). Высота тропосферы изменяется от 7-10 км над полярными и до 16-18 км над экваториальными зонами. В тропосфере сосредоточено примерно 80 % массы воздуха, а также основное количество атмосферных примесей. Она содержит практически весь водяной пар, при конденсации которого образуются облака различных форм, а непосредственно у Земли - туманы. Выделяют облачность нижнюю (до высоты 1-2 км), среднюю (на высоте 2-4 км) и верхнюю (6-10 км).
Над тропосферой расположен переходный слой - тропопауза с температурой 190-220 К, выше которой начинается стратосфера. В нижней части стратосферы уменьшение температуры с высотой прекращается и температура остается приблизительно постоянной до высоты 25 км. Выше стратосферы находятся слои атмосферы (мезосфера, ионосфера, термосфера, экзосфера), в которых любые формы жизни маловероятны.
Стратосфера распространяется до высоты 60 км; температура в ней по вертикали примерно постоянна. На высоте 20-30 км отмечаются слои с повышенной концентрацией озона (озоновый слой), а иногда и аэрозолей.
Ионосфера подразделяется на мезосферу и термосферу, имеет вертикальную протяженность в сотни километров; воздух в ней находится в ионизированном состоянии.
С высотой химический состав атмосферы, давление, плотность, температура и другие ее химические свойства меняются. До высоты 100 км химический состав воздуха существенно не меняется. Несколько выше атмосфера состоит главным образом из азота и кислорода, на высотах 90-100 км появляется атомарный кислород, а выше газы, составляющие атмосферу, находятся в атомарном состоянии.
Кислородно-азотный состав атмосферы сохраняется примерно до высоты 400-600 км. С высоты около 600 км начинает преобладать гелий. Гелиевый пояс, или, как его назвал В.И. Вернадский, "гелиевая корона Земли", простирается примерно до высоты 160 км, а далее, выше 2-3 тысяч км, преобладающим становится водород. Так, постепенно газовая оболочка, окружающая Землю, переходит в экзосферу из межзвездного газа, состоящего из 76 % (по массе) из водорода и на 23 % - из гелия.
Эти два элемента являются самыми распространенными во Вселенной. В экзосфере температура достигает более 2000о С и молекулы крайне разряженного воздуха, беспрепятственно двигаясь с огромной скоростью, уходят в межпланетное пространство.
По своему химическому составу атмосфера Земли является сложной смесью различных газов, распределение которых весьма неравномерно и зависит от температуры, давления, степени индустриального развития региона и др. факторов. Средние значения химического состава атмосферы у поверхности Земли приведены в табл. 2.1, 2.2.
Таблица 2.1. Состав атмосферного воздуха над незагрязненной территорией на рубеже XX и XXI вв
| Компонент | Содержание, % | |
| по объему | по массе | |
| Азот | 78,084 | 75,5 |
| Кислород | 20,95 | 23,14 |
| Аргон | 0,93 | 1,28 |
| Диоксид углерода (СО2) | 0,036 | 0,0479 |
| Неон | 18,0-10-4 | 125,0-10-5 |
| Гелий | 5,24 • 10-4 | 7,24-10-5 |
| Метан | 1,7-10-4 | 9,4- 10-5 |
| Криптон | 1,14-10-4 | 33,0- 10-5 |
| Гемиоксид азота (МдО) | 0,53 • 10-4 | 8-10-5 |
Таблица 2.2. Изменение состава воздуха и давления с высотой над уровнем моря
| Высота, км | Объемная доля, % | Давление, кПа | ||||||||||||
| кислорода | азота | аргона | гелия | водорода | ||||||||||
| 20,95 | 78,08 | 0,93 | — | — | ||||||||||
| 20,95 | 77,89 | 0,94 | — | 0,01 | ||||||||||
| 20,99 | 78,02 | 0,94 | — | 0,01 | ||||||||||
| 18,10 | 81,24 | 0,59 | — | 0,04 | 5,5 | |||||||||
| 0,11 | 2,97 | — | 0,56 | 96,31 | 0,009 | |||||||||
Азот выделяется из земной коры в результате деятельности микроорганизмов. Горные породы содержат его в 50 раз больше, чем земная атмосфера. Атмосферный азот для биологических процессов имеет сравнительно небольшое значение, так как большинством организмов он непосредственно не усваивается и в круговорот вовлекается в малых количествах.
Кислород в свободном состоянии является продуктом жизнедеятельности растительных организмов. Он является составной частью всех животных и растительных организмов, входя в состав белков, жиров и углеводов.
Кислород используется всеми компонентами экосистем, обеспечивает дыхание животных и растений в атмосфере, почве, воде, участвует во всех химических реакциях в горных породах, почве и гидросфере.
В теле человека содержится 65 % кислорода. При недостатке кислорода нарушается деятельность всех органов животных и человека.
За исключением зеленых растений, с которыми атмосферный кислород находится в двустороннем взаимодействии (поглощается зелеными растениями и выделяется при фотосинтезе), всеми остальными организмами он только потребляется в разнообразных реакциях окисления.
Для атмосферы свойственно турбулентное состояние. Диффузия примесей и обмен теплом, количеством движения, влагой, обусловленные турбулентностью, значительно интенсивнее, чем обусловленные молекулярными процессами. В связи с этим рассеивание примесей в атмосфере определяется как турбулентная диффузия. Интенсивность турбулентности характеризуется коэффициентом обмена, который зависит от скорости ветра и распределения температуры воздуха по высоте.
В тропосфере выделяют пограничный слой атмосферы высотой до 1-2 км, где существенны влияние подстилающей поверхности и суточные колебания метеорологических факторов. О расположенном над ним слое воздуха говорят как о "свободной атмосфере". Скорость ветра вблизи подстилающей поверхности возрастает от нуля до величины, характерной для свободной атмосферы. Эта величина определяется горизонтальным градиентом давления. Распределение температуры воздуха у земли часто характеризуется вертикальным градиентом.
Слой воздуха высотой 50-100 м, а иногда и выше над земной поверхностью называют приземным: метеорологические факторы в нем изменяются наиболее резко. Для этого слоя характерны примерно постоянные по высоте значения потоков воздуха и количества тепла.
Упорядоченный перенос воздуха на общем фоне турбулентных движений определяется как конвективный поток в атмосфере. Возникают такие потоки вследствие перегрева или неравномерного нагрева поверхности Земли. В развитии местных метеорологических процессов, в распространении атмосферных примесей от их источников существенную роль играют локальные конвективные потоки. Конвекция над термически однородной подстилающей поверхностью отмечается обычно в теплое полугодие при малооблачной погоде и значительных сверхдиабатических градиентах температуры пограничного слоя атмосферы. К конвективным течениям относят также горно-долинные ветры и бризовую циркуляцию. При достаточно большой инверсивности "острова тепла", характерной для климата города, и слабом ветре может возникать местная циркуляция, способствующая переносу атмосферных примесей от их источников на окраине города к его центру.
Атмосферы других планет Солнечной системы (табл. 2.3) совершенно иные. На Венере и Марсе преобладает диоксид углерода, на планетах-гигантах — гелий, водород, метан и аммиак, а на Луне и Меркурии атмосферы практически нет.
Таблица 2.3. Атмосферы небесных тел Солнечной системы
| Небесное тело | Радиус, тыс. км | Температура К | ξ * | Описание атмосферы | Основные компоненты атмосферы |
| Солнце | Солнце — целиком газовый шар | е-, Н+ Н, Не | |||
| Меркурий | 2,4 | 715—775 (в подсолнечной точке) | 2,8 | Атмосфера крайне разреженная (практически нет) | Аг, Nе, Не СО2 (97%), N2 (<2%), |
| Венера | 6,1 | Мощная атмосфера, давление у поверхности 100 кПа | Н2О (0,05%), примеси СО, НС1, НF | ||
| Земля | 6,4 | (+150C) | Мощная атмосфера над океаном и сушей | N2, О2 Н2О | |
| Луна | 1,7 | 120—407 | 1,4 | Атмосферы нет | — |
| Марс | 3,4 | В тропиках: 288 днем и 198 ночью. На Южном полюсе —120 | 7,7 | Слабая атмосфера, давление у поверхности 550—650 Па | СО, H2O, О2 |
| Юпитер | 71,3 | Мощная атмосфера в виде газожидкостной смеси, давление до 10 млн МПа | СО2 (95%), N2 (2,5%), Аг (1,5%), примеси H2,, Не, СН4, NH3 | ||
| Сатурн | 60,2 | 90 (на видимой стороне) | Мощная атмосфера в виде газожидкостной смеси | H2, Не, СН4, NH3 | |
| Титан (спутник Сатурна) | 2,6 | 5,3 | Мощная атмосфера над мета-новым океаном | Н2,примеси СН4 и Сn Нm | |
| Уран | Мощная атмосфера | Н2, Не, СН4 | |||
| Нептун | Мощная атмосфера | СН4, Н2, Не | |||
| Плутон | 1,5 | 1,7 | Атмосферы нет | Следы СН4 |
квадрат отношения первой космической скорости к тепловой
скорости молекул. Если эта величина мала, то газ легко улетучивается с планеты в космос, а для существования стабильной, мощной атмосферы
должно быть значительно больше единицы.
Воздух содержит также водород, озон, оксид серы (IV), ксенон, оксид углерода, оксид и диоксид азота, аммиак и др.
За время эволюции с момента образования биосферы состав атмосферы изменился принципиально — появился и стал одним из основных компонентов кислород, образовался защитный озоновый слой, значительно колебалась концентрация диоксида углерода и т. д.
На протяжении суток, а также в различные периоды года состав воздуха достаточно постоянен, что объясняется огромной массой земной атмосферы, интенсивным перемешиванием ее нижних слоев (в пределах тропосферы), большой скоростью диффузии газов. Исследования состава атмосферы за последние столетия показали хотя и медленное, но постоянное увеличение концентрации диоксида углерода и метана, относящихся к группе «парниковых газов».
Ускорение земного тяготения создает давление атмосферы у поверхности планеты и препятствует рассеиванию (диссипации) атмосферных газов в космическое пространство. В то же время, "парниковые" газы, к которым в первую очередь относятся пары воды (Н2О), диоксид углерода (СО2), метан (СН4), хлорфторуглероды (фреоны, русский синоним — хладон ), а также тропосферный озон (Оз), остаются у поверхности Земли, вызывая, по мнению некоторых ученых, глобальное потепление климата. Пары воды, благодаря своему обилию — наиболее значимый природный парниковый газ. Однако при конденсации в облака роль паров воды становится диаметрально противоположной, так как облака, отражая солнечное излучение, препятствуют нагреву поверхности Земли.