Склад повітря у високих шарах атмосфери

Згідно закону Дальтона (1802р.) в атмосфері має бути гравітаційний поділ газу, тобто при збільшенні висоти кількість важких газів має зменшуватись швидше, ніж легких і тому на значній висоті повинні переважати легкі гази. Але виявилось, що до висоти 90-100 км немає дифузної рівноваги газів, повітря тут інтенсивно перемішується і тому до цієї висоти зберігається постійний відсотковий вміст основних газів атмосфери. Шар атмосфери до висоти 90-100 км, де зберігається постійний відносний вміст основних газових компонентів, називається гомосферою.

Вище 100 км спостерігається значна зміна складу повітря. Тут насправді відбувається гравітаційний поділ газів. Так, вміст важкого аргону при подальшому піднятті вверх помітно зменшується. Але основним процесом, що викликає зміну складу повітря вище 100 км є дисоціація або розклад молекули кисню на атоми під дією сонячної радіації з довжиною хвилі менше 0,24 мкм. На висоті близько 200 км концентрація атомного кисню стає порівняною з концентрацією азоту. Молекул кисню тут залишається зовсім мало. Вище 200 км переважають заряджені атоми кисню. Вище 250-300 км до них приєднуються заряджені атоми азоту. На висотах 300-1000 км домінує атомний кисень з невеликою частиною атомного азоту. Вище 1000 км атмосфера складається в основному із заряджених атомів гелію та водню, а вище 3000 км переважає водень. Унаслідок цих процесів відносна молекулярна маса повітря зменшується до 16 кг/моль на висоті 500 км замість 28,96 поблизу поверхні Землі. Сильно розріджена атмосфера у вигляді заряджених атомів простягається до 20000-30000 км, де вона поступово переходить у космічний простір з кількістю частинок близько 100 см^-3.

Шар атмосфери вище гомосфери, де склад повітря змінюється при зміні висоти внаслідок фотодисоціації газових молекул і спостерігається зменшення молекулярної ваги повітря, називається гетеросферою.

Густина повітря

Фізичний стан повітря визначається тиском Р, температурою Т та об’ємом V. Ці три характеристики залежні одна від одної. Гази стискуються, тому густина їх змінюється у великих межах залежно від Р і Т. Для ідеального газу зв’язок між цими величинами виражається рівнянням стану газів або рівнянням Клапейрона-Менделєєва

РV = R^*T,

де R^* - універсальна газова стала, яка в системі СІ дорівнює 8,314 Дж/кмоль · К). Це рівняння можна написати і так:

Р = ρRT

бо ρ – густина газу обернена об’єму V = 1/ρ. Звідки

ρ = Р / R^*T

Для будь-якого не ідеального газу R = R^* / М, де М – молярна маса газу. Тому рівняння стану газів можна використати для сухого, вологого повітря і для водяної пари. Для сухого повітря М = 28, 964 · 10^-3 кг/моль то R_с для 1 кг повітря дорівнює 287 Дж/кгК, а рівняння стану

ρ_с = Р / R_сT

Густина сухого повітря при нормальних умовах буде

ρ_с = 101325 Па /287 Дж/кгК∙273 ⁰К= 1,293 кг/м³

Для вологого повітря густина його сухої частини буде

ρ_с = Р- е / R_сT,

а густина водяної пари ρ_п = е / R_пT

Для водяної пари М = 18, 02 · 10^-3 , а R_п = 461,5 Дж (кгК).

Співвідношення газової сталої водяної пари та сухого повітря буде R_п / R_с = 461,5/287 = 1/0,622. Отже, R_п = R_с /0,622.

Тому

ρ_п = 0,622 ·е / R_сT

Отже, густина вологого повітря буде

ρ_вл = ρ_с + ρ_п

Підставивши їх значення одержимо

ρ_вл = Р - е / R_сT + 0,622 е / R_сT = Р / R_сT (1-0,378 ·е / р)

Оскільки е/р дуже мале значення, то 1 – 0,378 е/р можна замінити на 1 / 1+0,378 е/р, тому одержимо

ρ_вл = Р / R_сT (1+0,378 е/р)

Замінимо Т (1+0, 378 е/р) на Т_в. Т_в – це віртуальна температура. Це температура, яку повинно мати сухе повітря, щоб його густина дорівнювала густині вологого повітря при тому ж атмосферному тиску. Звідси

ρ_вл = Р / R_сT_в

З останнього рівняння видно, що густина вологого повітря менша, ніж сухого. Але різниця мала. Так, густина сухого повітря при 0⁰С і Р = 100 000 Па дорівнює 1, 276 кг/м³, а вологого повітря – 1, 273 кг/м³.

При вищих температурах різниця збільшується, але залишається невеликою. Отже, водяна пара легша за повітря.

Густина повітря з висотою зменшується, тому що зменшується і тиск і температура. Густина повітря прямо пропорційна тиску і обернено пропорційна температурі. В результаті сумісної дії зміни тиску і температури густина з висотою зменшується, але не так швидко як тиск. В середньому для Європи густина повітря біля поверхні 1,250 кг /м³ на висоті 5 км становить 0,74 кг /м³, на висоті 10 км – 0,41 кг /м³, на 20 км – 0,09 кг/м³, на 300 км – 10^-11 кг/м³, на 500 км – 10^-12 кг/м³, на 750 км – менше 10^-13 кг /м³. Це дуже мала густина, але все ж таки на висоті 20 тис км густина повітря залишається значно більшою, ніж у міжпланетному просторі.

У зв’язку з оберненопропорційною залежністю від температури в окремих тонких шарах атмосфери, де температура знижується на 3,4⁰/100 м густина повітря з висотою не змінюється, а якщо температура знижується більше ніж на 3,4⁰/100 м то густина повітря в цьому шарі збільшується з висотою.

Якби густина повітря з висотою не змінювалась і атмосферний тиск залишався 1013 гПа, то висота атмосфери дорівнювала б 8000 м. Ця висота називається висотою однорідної атмосфери.