Газы вокруг земли. Состав атмосферы и её строение

Состав Земли. Воздух

Воздух - это механическая смесь из различных газов, составляющих атмосферу Земли. Воздух необходим для дыхания живых организмов, находит широкое применение в промышленности.

То, что воздух представляет собой именно смесь, а не однородную субстанцию, было доказано в ходе экспериментов шотландского учёного Джозефа Блэка. В ходе одного из них учёный обнаружил, что при нагревании белой магнезии (углекислый магний) выделяется «связанный воздух», то есть углекислый газ, и образуется жжёная магнезия (окись магния). При обжиге известняка, напротив, происходит удаление «связанного воздуха». На основе этих экспериментов учёный сделал вывод, что различие между углекислыми и едкими щелочами заключается в том, что в состав первых входит углекислый газ, являющийся одной из составных частей воздуха. Сегодня же мы знаем, что кроме углекислого, в состав земного воздуха входят:

Указанное в таблице соотношение газов в земной атмосфере характерно для её нижних слоёв, до высоты 120 км. В этих областях лежит хорошо перемешанная, однородная по составу область, называемая гомосферой. Выше гомосферы лежит гетеросфера, для которой характерно разложение молекул газов на атомы и ионы. Области отделены друг от друга турбопаузой.

Химическая реакция, при которой под воздействием солнечного и космического излучения происходит разложение молекул на атомы, называется фотодиссоциацией. При распаде молекулярного кислорода образуется атомарный кислород, являющийся основным газом атмосферы на высотах свыше 200 км. На высотах от 1200 км начинают преобладать водород и гелий, являющиеся наиболее лёгкими из газов.

Поскольку основная масса воздуха сосредоточена в 3 нижних атмосферных слоях, изменения состава воздуха на высотах более 100 км не оказывают заметного влияния на общий состав атмосферы.

Азот - самый распространенный газ, на долю которого приходится более трёх четвертей объёма земного воздуха. Современный азот образовался при окислении ранней аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом, который образуется в процессе фотосинтеза. В настоящее время небольшое количество азота в атмосферу поступает в результате денитрификации - процесса восстановления нитратов до нитритов, с последующим образованием газообразных оксидов и молекулярного азота, который производится анаэробными прокариотами. Часть азота в атмосферу поступает при вулканических извержениях.

В верхних слоях атмосферы при воздействии электрических разрядов при участии озона молекулярный азот окисляется до монооксида азота:

N 2 + O 2 → 2NO

В обычных условиях монооксид тотчас же вступает в реакцию с кислородом с образованием закиси азота:

2NO + O 2 → 2N 2 O

Азот является важнейшим химическим элементом земной атмосферы. Азот входит в состав белков, обеспечивает минеральное питание растений. Он определяет скорость биохимических реакций, играет роль разбавителя кислорода.

Вторым по распространённости газом атмосферы Земли является кислород. Образование этого газа связывают с фотосинтезирующей деятельностью растений и бактерий. И чем более разнообразными и многочисленными становились фотосинтезирующие организмы, тем более значительным становился процесс содержания кислорода в атмосфере. Небольшое количество тяжёлого кислорода выделяется при дегазации мантии.

В верхних слоях тропосферы и стратосферы под воздействием ультрафиолетового солнечного излучения (обозначим его как hν) образуется озон:

O 2 + hν → 2O

В результате действия того же ультрафиолетового излучения происходит и распад озона:

О 3 + hν → О 2 + О

О 3 + O → 2О 2

В результате первой реакции образуется атомарный кислород, в результате второй - молекулярный кислород. Все 4 реакции носят название «механизм Чепмена», по имени британского учёного Сидни Чепмена открывшего их в 1930 году.

Кислород служит для дыхания живых организмов. С его помощью происходят процессы окисления и горения.

Озон служит для защиты живых организмов от ультрафиолетового излучения, которое вызывает необратимые мутации. Наибольшая концентрация озона наблюдается в нижней стратосфере в пределах т.н. озонового слоя или озонового экрана, лежащего на высотах 22-25 км. Содержание озона невелико: при нормальном давлении весь озон земной атмосферы занимал бы слой толщиной всего 2,91 мм.

Образование третьего по распространенности в атмосфере газа аргона, а также неона, гелия, криптона и ксенона связывают с вулканическими извержениями и распадом радиоактивных элементов.

В частности гелий является продуктом радиоактивного распада урана, тория и радия: 238 U → 234 Th + α, 230 Th → 226 Ra + 4 He, 226 Ra → 222 Rn + α (в этих реакция α-частица является ядром гелия, которая в процессе потери энергии захватывает электроны и становится 4 He).

Аргон образуется в процессе распада радиоактивного изотопа калия: 40 K → 40 Ar + γ.

Неон улетучивается из изверженных пород.

Криптон образуется как конечный продукт распада урана (235 U и 238 U) и тория Th.

Основная масса атмосферного криптона образовалась ещё на ранних стадиях эволюции Земли как результат распада трансурановых элементов с феноменально малым периодом полураспада или поступила из космоса, содержание криптона в котором в десять миллионов раз выше чем на Земле.

Ксенон является результатом деления урана, но основная масса этого газа осталась с ранних стадий образования Земли, от первичной атмосферы.

Углекислый газ поступает в атмосферу в результате вулканических извержений и в процессе разложения органического вещества. Его содержание в атмосфере средних широт Земли сильно различается в зависимости от сезонов года: зимой количество CO 2 возрастает, а летом - снижается. Связано данное колебание с деятельностью растений, которые используют углекислый газ в процессе фотосинтеза.

Водород образуется в результате разложения воды солнечным излучением. Но, будучи самым лёгким из газов, входящих в состав атмосферы, постоянно улетучивается в космическое пространство, и потому содержание его в атмосфере очень невелико.

Водяной пар является результатом испарения воды с поверхности озёр, рек, морей и суши.

Концентрация основных газов в нижних слоях атмосферы, за исключением водяных паров и углекислого газа, постоянна. В небольших количествах в атмосфере содержатся оксид серы SO 2 , аммиак NH 3 , монооксид углерода СО, озон O 3 , хлороводород HCl, фтороводород HF, монооксид азота NO, углеводороды, пары ртути Hg, йода I 2 и многие другие. В нижнем атмосферном слое тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц.

Источниками твёрдых частиц в атмосфере Земли являются вулканические извержения, пыльца растений, микроорганизмы, а в последнее время и деятельность человека, например, сжигание ископаемого топлива в процессе производства. Мельчайшие частицы пыли, которые являющиеся ядрами конденсации, служат причинами образования туманов и облаков. Без твёрдых частиц, постоянно присутствующих в атмосфере, на Землю не выпадали бы осадки.

В сегодняшнем химическом составе атмосферы преобладает азот и кислород. Представительство таких элементов как углекислый газ, аргон и других инертных газов очень мало, в общей сложности около 1%, но минимальное изменение их содержания может оказать серьёзное влияние на жизнь нашей планеты.

Доминирующие газы . Рассмотрим свойства химических элементов доминирующих в составе земной атмосферы.

Кислород. Кислород является одним из основных газов атмосферы (почти 21%), наиболее важен для жизни на планете. «Атмосфера содержит порядка 10 15 тонн свободного кислорода, тогда как в земной коре его наверняка больше 10 19 тонн»(1). Самый распространенный элемент на Земле.

Именно благодаря нему возможно дыхание живых организмов. Кислород химически активен, легко вступает в реакции со многими химическими элементами и соединениями. Известны три изотопа кислорода – 16 O, 17 O, 18 O. В обычных условиях их содержание в атмосфере составляет соответственно (%) 99,74, 0,04 и 0,20. «Сильнейшим окислителем является трехатомное соединение кислорода – озон (О 3). Он составляет в атмосфере незначительную примесь»(4). На высоте примерно 22 – 25 км озон достигает максимальной концентрации – озоновый экран, который поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца (0,29 микрона), губительное для всего живого.

Азот . «Азот – одна из основных компонент органической материи, и ввиду того, что он химически гораздо менее активен, чем кислород, необходимы особые условия для образования соединений азота и для усвоения его живыми организмами. Эти условия еще пока недостаточно изучены»(4). Азот – самый распространенный газ в атмосфере, около 78%. «Азот атмосферы играет огромную роль в геохимических процессах, активно участвуя в дифференциации минерального вещества, с одной стороны, в синтезе органических веществ – с другой. Последнее обеспечивается биохимическими реакциями. Известно, что азот участвует в фотосинтезе, синтезе белков и нуклеиновых кислот. Следовательно, без азота жизнь в том виде, в котором мы её знаем, невозможна»(1).

Углерод . Углерод в земной атмосфере в основном представлен углекислым газом (CO 2). Углекислый газ необходим растениям, так как используется ими для дыхания. Содержание CO 2 в атмосфере так же влияет на тепловой баланс Земли. Деятельность человека (сжигание угля и нефти) ведет к повышению его концентрации.

Водяной пар . Водяной пар играет главную роль в образовании парникового эффекта. Водяной пар пропускает коротковолновую солнечную радиацию, и поглощает длинноволновое излучение Земли. С ним связано образование облачных систем.

В горизонтальном направлении перемешивание осуществляется благодаря вращению Земли. Вертикальное перемешивание в основном является результатом нагревания поверхности Земли приходящим солнечным излучением. Скорость перемешивания в океанах значительно ниже, но даже этого достаточно, чтобы обеспечить сравнительно постоянный общий состав примерно таким же путем, как в атмосфере. Однако некоторые части атмосферы не так однородны, и в них обнаруживаются достаточно глубокие изменения в общем составе.
Атмосфера делится на слои, различающиеся температурой, степенью ионизации молекул, давлением и др.: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Плотность воздуха постепенно убывает, и атмосфера без резких границ переходит в межпланетное пространство.

Нижняя часть атмосферы, называемая тропосферой, хорошо перемешана из-за конвекции. Из движущих сил конвекции наиболее наглядные явления - грозы. В тропосфере температура падает с высотой; солнечная энергия нагревает поверхность Земли, которая в свою очередь нагревает непосредственно прилегающий к ней воздух, вызывая конвекционное перемешивание. Это происходит потому, что теплый воздух, находящийся в контакте с поверхностью Земли, легче и имеет тенденцию подниматься. Однако на высоте около 15-25 км атмосфера нагревается путем поглощения ультрафиолетового излучения кислородом (О2) и озоном (Оз). Следствием повышения температуры с высотой является большая устойчивость верхней части атмосферы к вертикальному перемешиванию, поскольку тяжелый холодный воздух в ее основании не склонен подниматься. Эта область атмосферы имеет два отдельных слоя воздуха и называется поэтому стратосферой. Хорошо известный слой Оз образуется на этих высотах. Несмотря на такую устойчивость, стратосфера достаточно хорошо перемешана по сравнению с более высокой частью атмосферы. Выше 120 км турбулентное перемешивание так слабо, что отдельные молекулы газов могут разделяться под действием гравитации. Так, относительные концентрации атомарного кислорода (О) и азота (N) здесь наибольшие внизу, тогда как более легкие водород (Н) и гелий (Не) доминируют выше.

Разные спои атмосферы. Та часть, где действует гравитация, обычно называется гетеросферой из-за переменного состава. Более хорошо перемешанная часть атмосферы, расположенная ниже, называется гомосферой. Термин «турбопауза» дан границе, которая разделяет эти две части. Гетеросфера находится столь высоко (сотни километров), что давление здесь крайне низкое, это подчеркнуто логарифмическим масштабом на рисунке.
В такой смеси газов, как в атмосфере, выполняется закон парциального давления Дальтона. Из него следует, что давление отдельных газов в атмосфере будет падать с той же скоростью, что и общее давление.

Давление атмосферы на уровне моря – 1 атм = 760 мм рт. ст.

Как уже было сказано выше, атмосфера Земли состоит из ряда слоев – тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы, экзосферы:

		Температура	Характеристика
Тропосфера		Падает на 6° на каждый км	Тропосфера нагревается инфракрасным излучением земной поверхности.
Стратосфера
		Немного растет, на высоте 50 км около 0° С	Температура растет за счет реакции разложения озона, которая сопровождается выделением теплоты.
Мезосфера			Озон поглощает ультрафиолетовое излучение в области (200–300 нм), защищая жизнь на поверхности Земли.
Термосфера		Температура увеличивается с высотой. Днем на высоте 400 км около 1500° С	Ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца ионизует молекулы воздуха. Поэтому термосферу называют ионосферой. От ионосферы отражаются радиоволны. Становятся преобладающими водород и гелий.
Экзосфера	Свыше 800 км		Молекулы движутся с огромными скоростями, иногда улетая в межпланетное пространство

Роль атмосферы

Если содержание азота кислорода находится в природном равновесии благодаря растениям Земли, то содержание углекислого и других вредных газов в атмосфере меняется в результате хозяйственной деятельности человека. Существует опасная тенденция увеличения содержания углекислого газа, которая приведет к ухудшению здоровья людей, к потеплению климата, к мировым катастрофам.

Медицина установила, что преждевременное старение начинается в значительной мере из-за недостатка кислорода в организме. А между тем, воздух многих городов мира содержит большое количество вредных газов; некоторые поступают в атмосферу из заводских труб. Очень сильно отравляют воздух неотработанные газы автомобилей. В некоторых городах на каждый квадратный километр осаждаются за год сотни тонн газа и пыли. В Лондоне количество газа и пыли на каждый квадратный километр достигает за год 365 тонн. В этом городе часты туманы. Они вместе с сажей и копотью образуют единый, разъедающий лёгкий смог. В 1951 году четырёхдневный туман-

«убийца» послужил прямой или косвенной причиной гибели почти 4 тыс. человек. Одни из них оказались жертвами столкновения транспорта в густом тумане, другие задохнулись в смоге.

Бгатов В.И. История кислорода земной атмосферы. – М.: Недра, 1985.



Вывоз, переработка и утилизация отходов с 1 по 5 класс опасности

Работаем со всеми регионами России. Действующая лицензия. Полный комплект закрывающих документов. Индивидуальный подход к клиенту и гибкая ценовая политика.

С помощью данной формы вы можете оставить заявку на оказание услуг, запросить коммерческое предложение или получить бесплатную консультацию наших специалистов.

Отправить

Атмосфера – это воздушная среда, которая окружает земной шар и одна из важнейших причин появления жизни на земле. Именно атмосферный воздух, его уникальный состав дал живым существам возможность окислять органические вещества кислородом и получать энергию для существования. Без него будет невозможно существование человека, а также всех представителей царства животных, большинства растений, грибов и бактерий.

Значение для человека

Воздушная среда – это не только источник кислорода. Она позволяет человеку видеть, воспринимать пространственные сигналы, пользоваться органами чувств. Слух, зрение, обоняние – все они зависят от состояния воздушной среды.

Второй важный момент – защита от солнечной радиации. Атмосфера окутывает планету оболочкой, которая задерживает часть спектра солнечных лучей. В результате до земли доходит около 30% солнечной радиации.

Воздушная среда – это оболочка, в которой образуются осадки и поднимаются испарения. Именно она отвечает за половину цикла влагообмена. Осадки, образованные в атмосфере, влияют на работу Мирового океана, способствуют накоплению влаги на континентах, определяют разрушение открытых горных пород. Она принимает участие в образовании климата. Циркуляция воздушных масс – это важнейший фактор формирования конкретных климатических поясов и природных зон. Ветра, возникающие над Землей, определяют температуру, влажность, уровень осадков, давление, стабильность погоды в регионе.

В настоящее время из воздуха добывают химические вещества: кислород, гелий, аргон, азот. Технология еще находится на этапе тестирования, но в будущем это можно считать перспективным направлением химической промышленности.

Перечисленное выше – очевидные вещи. Но воздушная среда важна также для промышленности и хозяйственной деятельности человека:

• Она является важнейшим химическим агентом для протекания реакций горения, окисления.
• Переносит тепло.

Таким образом, атмосферный воздух – это уникальная воздушная среда, которая позволяет живому существовать, а человеку – развивать промышленность. Между человеческим организмом и воздушной средой налажено тесное взаимодействие. Если нарушить его – серьезные последствия не заставят себя ждать.

Загрязнение атмосферы – серьезная экологическая проблема нынешнего века. Токсичные химические соединения, органические вещества, патогенные микроорганизмы – любые крупные выбросы в атмосферу меняют ее состав. Она, как и любая другая часть географической оболочки Земли, способна к самоочищению и саморегуляции. Вопрос в том, когда ресурсы самоочищения истощатся полностью.

Газовый состав

Какие газы входят в состав атмосферы? Химический состав атмосферного воздуха относительно постоянен, это важнейший показатель, который отражает состояние окружающей среды.

В состав атмосферного воздуха входят следующие газы:

• Азот – 78%.
• 21% кислорода.
• Водяной пар – около 1,5%, показатель сильно зависит от климатического пояса и температуры воздуха.
• Чуть менее 1% аргона.
• 0,04% углекислого газа
• Озон.

А также другие газы, которые являются неотъемлемой и постоянной составляющей атмосферного воздуха. Газовый состав атмосферного воздуха сохраняется за счет природного круговорота веществ. Для жизнедеятельности человека чрезвычайно важен кислород, который образуется с помощью растений. Так, ученым удалось рассчитать, что потеря всего 3% кислорода может привести к полной остановке всех биологических процессов на Земле. Озон требуется для разбавления кислорода, а также он концентрируется в верхних слоях стратосферы, создавая озоновый слой, который защищает Землю от солнечной радиации.

Атмосферный воздух содержит также углекислый газ (диоксид углерода), который образуется разными путями – при разложении органических веществ, если нагревается или горит топливо, в процессе дыхания животных и растений. Поглощают его в основном растения – поэтому поддержка достаточного растительного покрова чрезвычайно важна для стабильной работы атмосферы.

Постоянство состава

Воздушная среда способна к саморегуляции, то есть к поддержанию постоянства состава. Если бы ее химический состав менялся – на Земле остались только бактерии. Но, к счастью для человека, она способна устранять локальные загрязнения.

Саморегуляция происходит за счет:

• Осадков, которые выпадая в виде дождевой воды, вносят загрязнители в почву.
• Химических реакций, которые протекают непосредственно в воздухе с участием кислорода и озона. Эти реакции носят окислительный характер.
• Растений, который насыщают воздух кислородом и поглощают углекислый газ.

Однако никакая саморегуляция не может устранить вред, который наносит промышленность. Поэтому в последнее время особую важность приобретает санитарная охрана атмосферного воздуха.

Гигиеническая характеристика воздуха

Загрязнение – это процесс попадания в атмосферный воздух примесей, которых в норме быть не должно. Загрязнение бывает естественное и искусственное. Примеси, которые попадают из естественных источников, нейтрализуются в планетарном круговороте вещества. С искусственным загрязнением дело обстоит сложнее.

К естественным загрязнениям относятся:

• Космическая пыль.
• Примеси, образовавшиеся при извержении вулканов, выветривании, пожарах.

Искусственное загрязнение носит антропогенный характер. Выделяют глобальное загрязнение и локальное. Глобальное – это все выбросы, которые могут повлиять на состав или структуру атмосферы. Локальное – это изменение показателей на конкретной территории или в используемом для проживания, работы или общественных мероприятий помещении.

Гигиена атмосферного воздуха – это важный раздел гигиены, который занимается оценкой и контролем показателей воздуха в помещениях. Этот раздел появился в связи с необходимостью санитарной охраны. Гигиеническое значение атмосферного воздуха сложно переоценить – вместе с дыханием в организм человека попадают все примеси и частицы, содержащиеся в воздухе.

Гигиеническая оценка включает в себя такие показатели:

1. Физические свойства атмосферного воздуха. Сюда относятся и температура (самое частое нарушение СанПина на рабочих местах состоит в том, что воздух слишком сильно нагревается), давление, скорость ветра (на открытых участках), радиоактивность, влажность и другие показатели.
2. Наличие примесей и отклонение от стандартного химического состава. Характеризуют атмосферный воздух по пригодности для дыхания.
3. Наличие твердых примесей – пыль, другие микрочастицы.
4. Наличие бактериального загрязнения – патогенных и условно патогенных микроорганизмов.

Для составления гигиенической характеристики сравнивают полученные по четырем пунктам показания с установленными нормами.

Экологическая охрана

В последнее время состояние атмосферного воздуха вызывает озабоченность у экологов. Вместе с развитием промышленности растут и экологические риски. Заводы и промзоны не только разрушают озоновый слой, нагревая атмосферу и насыщая ее углеродными примесями, но и снижают гигиеническое качество воздуха. Поэтому в развитых странах принято проводить комплексные мероприятия по охране воздушной среды.

Основные направления охраны:

• Законодательное регулирование.
• Разработка рекомендаций по размещение промышленных зон с учетом климатических и географических факторов.
• Проведение мероприятий по снижению количества выбросов.
• Санитарно-гигиенический контроль на предприятиях.
• Регулярный мониторинг состава.

К мероприятиям по охране также относится высадка зеленых насаждений, создание искусственных водоемов, создание барьерных зон между промышленными и жилыми кварталами. Рекомендации по проведению охранных мероприятий разработаны в таких организациях как ВОЗ и ЮНЕСКО. Государственные и региональные рекомендации разработаны на основе международных.

В настоящее время проблеме гигиены воздушной среды уделяется все больше внимания. К сожалению, на данный момент принятых мер недостаточно, чтобы полностью минимизировать антропогенный вред. Но можно надеяться, что в будущем, вместе с разработкой более экологичных производств, удастся снизить нагрузку на атмосферу.

Атмосфера - газовая оболочка нашей планеты, которая вращается вместе с Землей. Газ, находящийся в атмосфере, называют воздухом. Атмосфера соприкасается с гидросферой и частично покрывает литосферу. А вот верхние границы определить трудно. Условно принято считать, что атмосфера простирается вверх приблизительно на три тысячи километров. Там она плавно перетекает в безвоздушное пространство.

Химический состав атмосферы Земли

Формирование химического состава атмосферы началось около четырех миллиардов лет назад. Изначально атмосфера состояла лишь из легких газов - гелия и водорода. По мнению ученых исходными предпосылками создания газовой оболочки вокруг Земли стали извержения вулканов, которые вместе с лавой выбрасывали огромное количество газов. В дальнейшем начался газообмен с водными пространствами, с живыми организмами, с продуктами их деятельности. Состав воздуха постепенно менялся и в современном виде зафиксировался несколько миллионов лет назад.

Главные же составляющие атмосферы это азот (около 79%) и кислород (20%). Оставшийся процент (1%) приходится на следующие газы: аргон, неон, гелий, метан, углекислый газ, водород, криптон, ксенон, озон, аммиак, двуокиси серы и азота, закись азота и окись углерода, входящих в этот один процент.

Кроме того, в воздухе содержится водяной пар и твердые частицы (пыльца растений, пыль, кристаллики соли, примеси аэрозолей).

В последнее время ученые отмечают не качественное, а количественное изменение некоторых ингредиентов воздуха. И причина тому - человек и его деятельность. Только за последние 100 лет содержание углекислого газа значительно возросло! Это чревато многими проблемами, самая глобальная из которых - изменение климата.

Формирование погоды и климата

Атмосфера играет важнейшую роль в формировании климата и погоды на Земле. Очень многое зависит от количества солнечных лучей, от характера подстилающей поверхности и атмосферной циркуляции.

Рассмотрим факторы по порядку.

1. Атмосфера пропускает тепло солнечных лучей и поглощает вредную радиацию. О том, что лучи Солнца падают на разные участки Земли под разными углами, знали еще древние греки. Само слово "климат" в переводе с древнегреческого означает "наклон". Так, на экваторе солнечные лучи падают практически отвесно, потому здесь очень жарко. Чем ближе к полюсам, тем больше угол наклона. И температура понижается.

2. Из-за неравномерного нагревания Земли в атмосфере формируются воздушные течения. Они классифицируются по своим размерам. Самые маленькие (десятки и сотни метров) - это местные ветра. Далее следуют муссоны и пассаты, циклоны и антициклоны, планетарные фронтальные зоны.

Все эти воздушные массы постоянно перемещаются. Некоторые из них довольно статичны. Например, пассаты, которые дуют от субтропиков по направлению к экватору. Движение других во многом зависит от атмосферного давления.

3. Атмосферное давление - еще один фактор, влияющий на формирование климата. Это давление воздуха на поверхность земли. Как известно, воздушные массы перемещаются с области с повышенным атмосферным давлением в сторону области, где это давление ниже.

Всего выделено 7 зон. Экватор - зона низкого давления. Далее, по обе стороны от экватора вплоть до тридцатых широт - область высокого давления. От 30° до 60° - опять низкое давление. А от 60° до полюсов - зона высокого давления. Между этими зонами и циркулируют воздушные массы. Те, что идут с моря на сушу, несут дожди и ненастье, а те, что дуют с континентов - ясную и сухую погоду. В местах, где воздушные течения сталкиваются, образуются зоны атмосферного фронта, которые характеризуются осадками и ненастной, ветреной погодой.

Ученые доказали, что от атмосферного давления зависит даже самочувствие человека. По международным стандартам нормальное атмосферное давление - 760 мм рт. столба при температуре 0°C. Этот показатель рассчитан на те участки суши, которые находятся практически вровень с уровнем моря. С высотой давление понижается. Поэтому, например, для Санкт-Петербурга 760 мм рт.ст. - это норма. А вот для Москвы, которая расположена выше, нормальное давление - 748 мм рт.ст.

Давление меняется не только по вертикали, но и по горизонтали. Особенно это чувствуется при прохождении циклонов.

Строение атмосферы

Атмосфера напоминает слоеный пирог. И каждый слой имеет свои особенности.

. Тропосфера - самый близкий к Земле слой. "Толщина" этого слоя изменяется по мере удаления от экватора. Над экватором слой простирается ввысь на 16-18 км, в умеренных зонах - на 10-12км, на полюсах - на 8-10 км.

Именно здесь содержится 80% всей массы воздуха и 90% водяного пара. Здесь образуются облака, возникают циклоны и антициклоны. Температура воздуха зависит от высоты местности. В среднем она понижается на 0,65° C на каждые 100 метров.

. Тропопауза - переходный слой атмосферы. Его высота - от нескольких сотен метров до 1-2 км. Температура воздуха летом выше, чем зимой. Так, например, над полюсами зимой -65° C. А над экватором в любое время года держится -70° C.

. Стратосфера - это слой, верхняя граница которого проходит на высоте 50-55 километров. Турбулентность здесь низкая, содержание водяного пара в воздухе - ничтожное. Зато очень много озона. Максимальная его концентрация - на высоте 20-25 км. В стратосфере температура воздуха начинает повышаться и достигает отметки +0,8° C. Это обусловлено тем, что озоновый слой взаимодействует с ультрафиолетовым излучением.

. Стратопауза - невысокий промежуточный слой между стратосферой и следующей за ней мезосферой.

. Мезосфера - верхняя граница этого слоя - 80-85 километров. Здесь происходят сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов. Именно они обеспечивают то нежное голубое сияние нашей планеты, которое видится из космоса.

В мезосфере сгорает большинство комет и метеоритов.

. Мезопауза - следующий промежуточный слой, температура воздуха в котором минимум -90°.

. Термосфера - нижняя граница начинается на высоте 80 - 90 км, а верхняя граница слоя проходит приблизительно по отметке 800 км. Температура воздуха возрастает. Она может варьироваться от +500° C до +1000° C. В течение суток температурные колебания составляют сотни градусов! Но воздух здесь настолько разрежен, что понимание термина "температура" как мы его представляем, здесь не уместно.

. Ионосфера - объединяет мезосферу, мезопаузу и термосферу. Воздух здесь состоит в основном из молекул кислорода и азота, а также из квазинейтральной плазмы. Солнечные лучи, попадая в ионосферу сильно ионизируют молекулы воздуха. В нижнем слое (до 90 км) степень ионизация низкая. Чем выше, тем больше ионизация. Так, на высоте 100-110 км электроны концентрируются. Это способствует отражению коротких и средних радиоволн.

Самый важный слой ионосферы - верхний, который находится на высоте 150-400 км. Его особенность в том, что он отражает радиоволны, а это способствует передаче радиосигналов на значительные расстояния.

Именно в ионосфере происходят такое явление, как полярное сияние.

. Экзосфера - состоит из атомов кислорода, гелия и водорода. Газ в этом слое очень разрежен и нередко атомы водорода ускользают в космическое пространство. Поэтому этот слой и называют "зоной рассеивания".

Первым ученым, который предположил, что наша атмосфера имеет вес, был итальянец Э. Торричелли. Остап Бендер, например, в романе "Золотой теленок" сокрушался, что на каждого человека давит воздушный столб весом в 14 кг! Но великий комбинатор немного ошибался. Взрослый человек испытывает на себя давление в 13-15 тонн! Но мы не чувствуем этой тяжести, потому что атмосферное давление уравновешивается внутренним давлением человека. Вес нашей атмосферы составляет 5 300 000 000 000 000 тонн. Цифра колоссальная, хотя это всего лишь миллионная часть веса нашей планеты.

Атмосфера (от греч. atmos — пар и spharia — шар) — воздушная оболочка Земли, вращающаяся вместе с ней. Развитие атмосферы было тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, протекающими на нашей планете, а также с деятельностью живых организмов.

Нижняя граница атмосферы совпадает с поверхностью Земли, так как воздух проникает в мельчайшие поры в почве и растворен даже в воде.

Верхняя граница на высоте 2000-3000 км постепенно переходит в космическое пространство.

Благодаря атмосфере, в которой содержится кислород, возможна жизнь на Земле. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания человека, животными, растениями.

Если бы не было атмосферы, на Земле была бы такая же тишина, как на Луне. Ведь звук — это колебание частиц воздуха. Голубой цвет неба объясняется тем, что солнечные лучи, проходя сквозь атмосферу, как через линзу, разлагаются на составляющие цвета. При этом рассеиваются больше всего лучи голубого и синего цветов.

Атмосфера задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на живые организмы. Также она удерживает у поверхности Земли тепло, не давая нашей планете охлаждаться.

Строение атмосферы

В атмосфере можно выделить несколько слоев, различающихся по и плотности (рис. 1).

Тропосфера

Тропосфера — самый нижний слой атмосферы, толщина которого над полюсами составляет 8-10 км, в умеренных широтах — 10-12 км, а над экватором — 16-18 км.

Рис. 1. Строение атмосферы Земли

Воздух в тропосфере нагревается от земной поверхности, т. е. от суши и воды. Поэтому температура воздуха в этом слое с высотой понижается в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м. У верхней границы тропосферы она достигает -55 °С. При этом в районе экватора на верхней границе тропосферы температура воздуха составляет -70 °С, а в районе Северного полюса -65 °С.

В тропосфере сосредоточено около 80 % массы атмосферы, находится почти весь водяной пар, возникают грозы, бури, облака и осадки, а также происходит вертикальное (конвекция) и горизонтальное (ветер) перемещение воздуха.

Можно сказать, что погода в основном формируется в тропосфере.

Стратосфера

Стратосфера — слой атмосферы, расположенный над тропосферой на высоте от 8 до 50 км. Цвет неба в этом слое кажется фиолетовым, что объясняется разреженностью воздуха, из-за которой солнечные лучи почти не рассеиваются.

В стратосфере сосредоточено 20 % массы атмосферы. Воздух в этом слое разрежен, практически нет водяного пара, а потому почти не образуются облака и осадки. Однако в стратосфере наблюдаются устойчивые воздушные течения, скорость которых достигает 300 км/ч.

В этом слое сосредоточен озон (озоновый экран, озоносфера), слой, который поглощает ультрафиолетовые лучи, не пропуская их к Земле и тем самым защищая живые организмы на нашей планете. Благодаря озону температура воздуха на верхней границе стратосферы находится в пределах от -50 до 4-55 °С.

Между мезосферой и стратосферой расположена переходная зона — стратопауза.

Мезосфера

Мезосфера — слой атмосферы, расположенный на высоте 50-80 км. Плотность воздуха здесь в 200 раз меньше, чем у поверхности Земли. Цвет неба в мезосфере кажется черным, в течение дня видны звезды. Температура воздуха снижается до -75 (-90)°С.

На высоте 80 км начинается термосфера. Температура воздуха в этом слое резко повышается до высоты 250 м, а потом становится постоянной: на высоте 150 км она достигает 220-240 °С; на высоте 500-600 км превышает 1500 °С.

В мезосфере и термосфере под действием космических лучей молекулы газов распадаются на заряженные (ионизированные) частицы атомов, поэтому эта часть атмосферы получила название ионосфера — слой очень разреженного воздуха, расположенный на высоте от 50 до 1000 км, состоящий в основном из ионизированных атомов кислорода, молекул окиси азота и свободных электронов. Для этого слоя характерна высокая наэлектризован- ность, и от него, как от зеркала, отражаются длинные и средние радиоволны.

В ионосфере возникают полярные сияния — свечение разреженных газов под влиянием электрически заряженных летящих от Солнца частиц — и наблюдаются резкие колебания магнитного поля.

Экзосфера

Экзосфера — внешний слой атмосферы, расположенный выше 1000 км. Этот слой еще называют сферой рассеивания, так как частицы газов движутся здесь с большой скоростью и могут рассеиваться в космическое пространство.

Состав атмосферы

Атмосфера — это смесь газов, состоящая из азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), углекислого газа (0,03 %), аргона (0,93 %), небольшого количества гелия, неона, ксенона, криптона (0,01 %), озона и других газов, но их содержание ничтожно (табл. 1). Современный состав воздуха Земли установился более сотни миллионов лет назад, однако резко возросшая производственная деятельность человека все же привела к его изменению. В настоящее время отмечается увеличение содержания СО 2 примерно на 10-12 %.

Входящие в состав атмосферы газы выполняют различные функциональные роли. Однако основное значение этих газов определяется прежде всего тем, что они очень сильно поглощают лучистую энергию и тем самым оказывают существенное влияние на температурный режим поверхности Земли и атмосферы.

Таблица 1. Химический состав сухого атмосферного воздуха у земной поверхности

	Объемная концентрация. %	Молекулярная масса, ед.
Кислород
Углекислый газ
Закись азота
	от 0 до 0,00001
Двуокись серы	от 0 до 0,000007 летом; от 0 до 0,000002 зимой
	От 0 ло 0,000002	46,0055/17,03061
Двуокись азога
Окись углерода

Азот, самый распространенный газ в атмосфере, химически мало активен.

Кислород , в отличие от азота, химически очень активный элемент. Специфическая функция кислорода — окисление органического вещества гетеротрофных организмов, горных пород и недоокисленных газов, выбрасываемых в атмосферу вулканами. Без кислорода не было бы разложения мертвого органического вещества.

Роль углекислого газа в атмосфере исключительно велика. Он поступает в атмосферу в результате процессов горения, дыхания живых организмов, гниения и представляет собой, прежде всего, основной строительный материал для создания органического вещества при фотосинтезе. Кроме этого, огромное значение имеет свойство углекислого газа пропускать коротковолновую солнечную радиацию и поглощать часть теплового длинноволнового излучения, что создаст так называемый парниковый эффект, о котором речь пойдет ниже.

Влияние на атмосферные процессы, особенно на тепловой режим стратосферы, оказывает и озон. Этот газ служит естественным поглотителем ультрафиолетового излучения Солнца, а поглощение солнечной радиации ведет к нагреванию воздуха. Средние месячные значения общего содержания озона в атмосфере изменяются в зависимости от широты местности и времени года в пределах 0,23-0,52 см (такова толщина слоя озона при наземных давлении и температуре). Наблюдается увеличение содержания озона от экватора к полюсам и годовой ход с минимумом осенью и максимумом весной.

Характерным свойством атмосферы можно назвать то, что содержание основных газов (азота, кислорода, аргона) с высотой изменяется незначительно: на высоте 65 км в атмосфере содержание азота — 86 %, кислорода — 19, аргона — 0,91, на высоте же 95 км — азота 77, кислорода — 21,3, аргона — 0,82 %. Постоянство состава атмосферного воздуха по вертикали и по горизонтали поддерживается его перемешиванием.

Кроме газов, в воздухе содержатся водяной пар и твердые частицы. Последние могут иметь как естественное, так и искусственное (антропогенное) происхождение. Это цветочная пыльца, крохотные кристаллики соли, дорожная пыль, аэрозольные примеси. Когда в окно проникают солнечные лучи, их можно увидеть невооруженным глазом.

Особенно много твердых частиц в воздухе городов и крупных промышленных центров, где к аэрозолям добавляются выбросы вредных газов, их примесей, образующихся при сжигании топлива.

Концентрация аэрозолей в атмосфере определяет прозрачность воздуха, что сказывается на солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Наиболее крупные аэрозоли — ядра конденсации (от лат.condensatio — уплотнение, сгущение) — способствуют превращению водяного пара в водяные капли.

Значение водяного пара определяется прежде всего тем, что он задерживает длинноволновое тепловое излучение земной поверхности; представляет основное звено больших и малых круговоротов влаги; повышает температуру воздуха при конденсации водяных наров.

Количество водяного пара в атмосфере изменяется во времени и пространстве. Так, концентрация водяного пара у земной поверхности колеблется от 3 % в тропиках до 2-10 (15) % в Антарктиде.

Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах составляет около 1,6-1,7 см (такую толщину будет иметь слой сконденсированного водяного пара). Сведения относительно водяного пара в различных слоях атмосферы противоречивы. Предполагалось, например, что в диапазоне высот от 20 до 30 км удельная влажность сильно увеличивается с высотой. Однако последующие измерения указывают на большую сухость стратосферы. По-видимому, удельная влажность в стратосфере мало зависит от высоты и составляет 2-4 мг/кг.

Изменчивость содержания водяного пара в тропосфере определяется взаимодействием процессов испарения, конденсации и горизонтального переноса. В результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают атмосферные осадки в виде дождя, града и снега.

Процессы фазовых переходов воды протекают преимущественно в тропосфере, именно поэтому облака в стратосфере (на высотах 20-30 км) и мезосфере (вблизи мезопаузы), получившие название перламутровых и серебристых, наблюдаются сравнительно редко, тогда как тропосферные облака нередко закрывают около 50 % всей земной поверхности.

Количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе, зависит от температуры воздуха.

В 1 м 3 воздуха при температуре -20 °С может содержаться не более 1 г воды; при 0 °С — не более 5 г; при +10 °С — не более 9 г; при +30 °С — не более 30 г воды.

Вывод: чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара может в нем содержаться.

Воздух может быть насыщенным и не насыщенным водяным паром. Так, если при температуре +30 °С в 1 м 3 воздуха содержится 15 г водяного пара, воздух не насыщен водяным паром; если же 30 г — насыщен.

Абсолютная влажность — это количество водяного пара, содержащегося в 1 м 3 воздуха. Оно выражается в граммах. Например, если говорят «абсолютная влажность равна 15», то это значит, что в 1 м Л содержится 15 г водяного пара.

Относительная влажность воздуха — это отношение (в процентах) фактического содержания водяного пара в 1 м 3 воздуха к тому количеству водяного пара, которое может содержаться в 1 м Л при данной температуре. Например, если по радио во время передачи сводки погоды сообщили, что относительная влажность равна 70 %, это значит, что воздух содержит 70 % того водяного пара, которое он может вместить при данной температуре.

Чем больше относительная влажность воздуха, т. с. чем ближе воздух к состоянию насыщения, тем вероятнее выпадение осадков.

Всегда высокая (до 90 %) относительная влажность воздуха наблюдается в экваториальной зоне, так как там в течение всего года держится высокая температура воздуха и происходит большое испарение с поверхности океанов. Такая же высокая относительная влажность и в полярных районах, но уже потому, что при низких температурах даже небольшое количество водяного пара делает воздух насыщенным или близким к насыщению. В умеренных широтах относительная влажность меняется по сезонам — зимой она выше, летом — ниже.

Особенно низкая относительная влажность воздуха в пустынях: 1 м 1 воздуха там содержит в два-три раза меньше возможного при данной температуре количество водяного пара.

Для измерения относительной влажности пользуются гигрометром (от греч. hygros — влажный и metreco — измеряю).

При охлаждении насыщенный воздух не может удержать в себе прежнего количества водяного пара, он сгущается (конденсируется), превращаясь в капельки тумана. Туман можно наблюдать летом в ясную прохладную ночь.

Облака — это тог же туман, только образуется он не у земной поверхности, а на некоторой высоте. Поднимаясь вверх, воздух охлаждается, и находящийся в нем водяной пар конденсируется. Образовавшиеся мельчайшие капельки воды и составляют облака.

В образовании облаков участвуют и твердые частицы , находящиеся в тропосфере во взвешенном состоянии.

Облака могут иметь различную форму, которая зависит от условий их образования (табл. 14).

Самые низкие и тяжелые облака — слоистые. Они располагаются на высоте 2 км от земной поверхности. На высоте от 2 до8 км можно наблюдать более живописные кучевые облака. Самые высокие и легкие — перистые облака. Они располагаются на высоте от 8 до 18 км над земной поверхностью.

Семейства	Роды облаков	Внешний облик
А. Облака верхнего яруса — выше 6 км	I. Перистые	Нитевидные, волокнистые, белые
	II. Перисто-кучевые	Слои и гряды из мелких хлопьев и завитков, белые
	III. Перисто-слоистые	Прозрачная белесая вуаль
Б. Облака среднего яруса — выше 2 км	IV. Высококучевые	Пласты и гряды белого и серою цвета
	V. Высокослоистые	Ровная пелена молочно-серого цвета
В. Облака нижнего яруса — до 2 км	VI. Слоисто-дождевые	Сплошной бесформенный серый слой
	VII. Слоисто-кучевые	Непросвечиваемые слои и гряды серого цвета
	VIII. Слоистые	Непросвечиваемая пелена серого цвета
Г. Облака вертикального развития — от нижнего до верхнего яруса	IX. Кучевые	Клубы и купола ярко-бе- лого цвета, при ветре с разорванными краями
	X. Кучево-дождевые	Мощные кучевообразные массы темно-свинцового цвета

Охрана атмосферы

Главным источником являются промышленные предприятия и автомобили. В больших городах проблема загазованности главных транспортных магистралей стоит очень остро. Именно поэтому во многих крупных городах мира, в том числе и в нашей стране, введен экологический контроль токсичности выхлопных газов автомобилей. Поданным специалистов, задымленность и запыленность воздуха может наполовину сократить поступление солнечной энергии к земной поверхности, что приведет к изменению природных условий.