Атмосфера і її склад

 

Атмосфера Землі (від грецького Atoms-пар і Sphere–шар, куля)-це газова оболонка, що оточує Землю. Атмосферою прийнято називати простір навколо землі , в якому газове середовище обертається разом із Землею як єдине ціле. Маса атмосфери складає біля 5,15 ◦ 1015 т.

 

 

Спостереження за багатьма явищами в атмосфері показують, що атмосфера має ясно виражену шарувату будову. Основні риси шаруватої структури атмосфери визначаються в першу чергу особливостями вертикального розподілу температури (див.мал.1).

У самій нижній частині-тропосфері, де спостерігається інтенсивне турбулентне перемішування, температура убуває з ростом висоти, причому на 6 градусів на кожний кілометр. Висота тропосфери складає 8 - 10 км у полярних широтах та 16 - 18 км на екваторі. В тропосфері укладено 80%  усієї маси повітря, так як щільність повітря експоненціально убуває з висотою за законом Больцмана (барометрична формула),

 

де:P і P0 -  тиск на висотах Z  та - Z0,

g= 9,8 м/сек2,

Т - середня температура прошарку повітря між цими рівнями, 

Над тропосферою розташовано перехідний прошарок - тропопауза з температурою 190-220 К , вище якої знаходиться стратосфера. Стратосфера простирається від тропопаузи до висоти біля 50 км, де температура досягає свого максимального значення - 270 К.

Прошарок атмосфери, що розташовано вище 55 - 80 км одержав назву мезосфери, де температура знову падає. Над нею простягається перехідний прошарок мезопауза, а далі термосфера, де температура, збільшуючись із висотою, досягає дуже великих значень (1000 К). Ще вище на висотах >1000 км. знаходиться екзосфера, вище якої атмосферні гази розсіюються у світовий простір за рахунок дисипації, де й відбувається поступовий перехід від атмосфери до міжпланетного простору.

Шарувата структура атмосфери має багато інших різноманітних проявів. Неоднорідний і склад атмосфери. Якщо на висоті до 90 км., де існує інтенсивне  

Мал.1  Шарувата структура атмосфери

перемішування, відносний склад атмосфери залишається  практично незмінним (уся ця товща одержала назву гомосфери), то вище 90 км. - у гетеросфері під впливом дисоціації молекул атмосферних газів, під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця відбувається сильна зміна хімічного складу атмосфери з висотою. Типові риси цієї області атмосфери - прошарки озону і власне світіння атмосфери. 

 

 

Склад повітря у земної поверхні істотно змінюється в залежності від широти і кліматичних умов. При цьому в ньому є як постійні, так і перемінні компоненти. Хімічний склад основних постійних складових повітря і період виведення їх з атмосфери (Твив.) подані в табл.1. Під періодом виведення (Твив.) припускається середній час, протягом якого речовина знаходиться в атмосфері до повного знешкодження або в результаті адсорбції земною поверхнею, або в результаті взаємодії в атмосфері.

Однієї з найбільш важливих перемінних складових частин атмосфери за кількістю є водяна пара. Утримання парів води швидко зменшується з висотою до тропопаузи. У стратосфері вміст її надзвичайно малий ( 2·10-6%) і слабко залежить від висоти. Настільки ж великий і широтний градієнт концентрації водяної пари у поверхні Землі: якщо в тропічних районах кількість її досягає 3% , то в Антарктиді падає до 2·10-5% . Водяна пара є одним з основних поглиначів сонячної енергії і теплового випромінювання земної поверхні (Тиндалл, 1863 р.). Тому зменшення її концентрації з висотою призводить до зниження температури.

Вирішальний вплив на тепловий режим стратосфери виявляє вміст в ній другої перемінної компоненти - озону. Нагрівання повітря стратосфери відбувається завдяки екзотермічному розкладанню озону (див. нижче), найбільша кількість якого знаходиться в прошарку на висоті від 20 до 30 км. У мезосфері концентрація О3 і Н2О незначна і температура повітря падає (див. мал.1). Ріст температури в термосфері пов'язаний із поглинанням жорсткої компоненти сонячної радіації молекулами й атомами кисню й азоту. В цій області спостерігаються найбільш значні зміни складу повітря з висотою: при віддаленні від поверхні Землі внаслідок гравітаційної сепарації атмосфера збагачується більш легкими газами. Так, якщо в прошарку від 100 до 200 км. основними компонентами залишаються N2 і О2 , то вище 600 км. - Не і Н2 .

 

 

Підсумовуючи наявний у нашому розпорядженні матеріал, відзначимо, що хімічний склад атмосфери від часу її існування знаходився в стані необоротної еволюції, причому зміни відбувалися в геологічних масштабах часу. Цілком інша ситуація складається на сучасному етапі. З початку промислової революції відбувається швидкий ріст суспільного виробництва, що загрожує серйозними змінами багатьох життєво важливих параметрів навколишнього середовища в несприятливому для людства напрямку. До факторів особливо важливих для еволюції хімічного складу атмосфери відносяться: збільшення масштабів використання природних ресурсів, поява нових сполук, що порушують добре збалансовані устояні механізми самоочищення атмосфери. Нижче зупинимося на двох найбільш яскравих прикладах.