Атмосфера: состав, строение, значение
Атмосфера — газовая оболочка, окружающая планету Земля и вращающаяся вместе с ней. Совокупность разделов физики и химии, изучающих атмосферу, принято называть физикой атмосферы. Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли, изучением погоды занимается метеорология, а длительными вариациями климата — климатология.
Толщина атмосферы 1500 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха, то есть смеси газов, составляющих атмосферу: около 5,3 * 1015 т. Молекулярная масса чистого сухого воздуха составляет 29. Давление при 0°С на уровне моря 101 325 Па, или 760 мм. рт. ст.; критическая температура 140,7 °С; критическое давление 3,7 МПа. Растворимость воздуха в воде при 0 °С — 0,036 %, при 25 °С — 0,22 %.
Атмосферное давление — давление атмосферного воздуха на находящиеся в нем предметы и земную поверхность. Нормальным атмосферным давлением является показатель в 760 мм рт. ст. (101 325 Па). При повышении высоты на каждый километр давление падает на 100 мм.
Строение атмосферы
Физическое состояние атмосферы определяется погодой и климатом. Основные параметры атмосферы: плотность воздуха, давление, температура и состав. С увеличением высоты плотность воздуха и атмосферное давление уменьшаются. Температура меняется также в зависимости от изменения высоты. Вертикальное строение атмосферы характеризуется различными температурными и электрическими свойствами, разным состоянием воздуха. В зависимости от температуры в атмосфере различают следующие основные слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу (сферу рассеяния). Переходные области атмосферы между соседними оболочками называют соответственно тропопауза, стратопауза и т.д.
Тропосфера — нижний, основной, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8—10 км, в умеренных широтах до 10—12 км, на экваторе — 16—18 км. В тропосфере сосредоточено примерно 80—90 % всей массы атмосферы и почти все водяные пары. При подъеме через каждые 100 м температура в тропосфере понижается в среднем на 0,65 °С и достигает —53 °С в верхней части. Этот верхний слой тропосферы называют тропопаузой. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны.
Стратосфера — слой атмосферы, располагающийся на высоте 11—50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение ее в слое 25—40 км от —56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения 273 К (0 °С), температура остается постоянной до высоты 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.
Именно в стратосфере располагается слой озоносферы («озоновый слой», на высоте от 15—20 до 55— 60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. Важный компонент стратосферы и мезосферы — озон, образующийся в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте равной 30 км. Общая масса озона составила бы при нормальном давлении слой толщиной 1,7—4 мм, но и этого достаточно для поглощения губительного для жизни ультрафиолетового излучения Солнца. Озон (О3) — аллотропия кислорода, образуется в результате следующей химической реакции, обычно после дождя, когда полученное соединение поднимается в верхние слои тропосферы; озон имеет специфический запах.
В стратосфере задерживается большая часть коротковолновой части ультрафиолетового излучения (180—200 нм) и происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц, и других свечений. В стратосфере почти нет водяного пара.
Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80—90 км. Температура воздуха до высоты 75—85 км понижается до 88 °С. Верхней границей мезосферы является мезопауза.
Термосфера (другое название — ионосфера) — слой атмосферы, следующий за мезосферой, — начинается на высоте 80—90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере быстро и неуклонно возрастает и достигает нескольких сотен и даже тысяч градусов.
Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 800 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идет утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).
Структура атмосферы
До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную (однофазную), хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжелых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °С в стратосфере до -110 °С в мезосфере.
На высоте около 2000—3000 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме этих чрезвычайно разреженных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.
На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы — около 20 %; масса мезосферы — не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000—3000 км.
В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера — это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, т.к. их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже ее лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы называемая гомосферой. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.
Состав атмосферы
Атмосфера Земли — воздушная оболочка Земли, состоящая в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения), количество которых непостоянно. Основным газами являются азот (78 %), кислород (21 %) и аргон (0,93 %). Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением углекислого газа CO2 (0,03 %).
Также в атмосфере содержатся SO2, СН4, N, СО, углеводороды, НСl, НF, пары Hg, I2, а также NO и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твердых и жидких частиц (аэрозоль).
Таблица «Атмосфера»
Разрушение озонового слоя Земли
Внимание к проблеме озонового слоя планеты ученые стали проявлять с середины 70-х гг. XX века.
Озон образуется из кислорода под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца с длиной волн до 185 нм: в результате фотохимической реакции молекулярный кислород 02 соединяется с атомарным кислородом О. Более длинные волны (200—300 нм), напротив, способствуют распаду молекул озона. Образование и распад озона в атмосфере находятся в динамическом равновесии.
Процесс образования озона под действием ультрафиолетового излучения называется фотолизом.
Под воздействием солнечных лучей ежесекундно в атмосфере образуется 5—6 т озона, но процесс его разрушения идет быстрее. Общая масса озона составляет всего 3 млрд. т, т.е. его содержание в атмосфере невелико. Около 90 % общего количества озона содержится на высотах от 10—17 до 50 км (в зависимости от широты и времени года). Этот слой атмосферы называют озоносферой. Наибольшая концентрация озона наблюдается на высоте 20—25 км. Таким образом, основная доля озона в атмосфере приходится на стратосферу, и лишь небольшое количество — на тропосферу.
Функции озонового слоя:
1. Защитная – защита Земли от коротковолновой ультрафиолетовой солнечной радиации.
2. Санитарный барьер - защиты земных организмов от космического влияния. Озон отличается высокой окислительной способностью и в сильном стерилизующем действии: в озоне гибнут не только бактерии, но и грибы, и вирусы.
3.Влияние на тепловой режим стратосферы. Озоновый слой поглощает часть инфракрасного излучения Земли, в результате чего стратосферный воздух нагревается, и в стратосфере поддерживается определенная равновесная температура. Уменьшение озонового слоя в настоящее время ведет к изменению теплового равновесия в атмосфере в целом. К тому же концентрация озона в слое стала крайне неравномерной, вследствие чего он прогревается неравномерно, а перепады температуры, даже очень небольшие, способствуют перемещению огромных масс воздуха с образованием атмосферных фронтов, циклонов и т.д.
Озоновый слой в атмосфере утончается, а его концентрация у Земли увеличивается. В стратосфере концентрация озона достигает 400—700 мкг/м3. Средний показатель содержания озона вблизи поверхности Земли составляет в настоящее время примерно 40—80 мкг/м3 воздуха. Среднесуточная предельно допустимая концентрация (ПДК) озона в воздухе равна 30 мкг/м3, а разовая предельно допустимая норма — 160 мкг/м3. По данным Всемирной организации здравоохранения, предельно допустимая концентрация озона не должна превышать 120—180 мкг/м3.
Основной причиной создающегося дисбаланса между содержанием озона в атмосфере и у поверхности Земли являются антропогенные выбросы определенных загрязняющих веществ в атмосферу — так называемых озон разрушающих веществ (ОРВ): хлорфторуглероды и фреоны.
Фреоны - полностью замещенные хлорфторпроизводные углеводородов.
Одна молекула ХФУ способна разрушить десять тысяч молекул озона. ОРВ используются в качестве хладагентов в холодильных установках, кондиционерах и распылителей в аэрозольных упаковках; для химической чистки, в огнетушителях, в качестве ядохимикатов. Они образуются при применении минеральных удобрений, работе двигателей транспортных средств, особенно при полетах сверхзвуковых самолетов, ядерных взрывах, в результате вулканических извержений.
Особую тревогу вызывают так называемые озоновые дыры, возникающие в отдельных регионах планеты, чаще над полюсами. Впервые в середине 1980-х гг. было обнаружено, что над Южным полюсом в определенные периоды года содержание озона в высоких слоях атмосферы резко снижается. Это явление, получившее название «озоновой дыры», вскоре было обнаружено и над Северным полюсом.
Дальнейшие наблюдения показали, что в некоторые периоды озоновая дыра распространяется не только на заполярные территории, но и в гораздо более низкие широты, вплоть до достаточно плотно населенных регионов.
Самая большая озоновая дыра находится над Антарктидой. В Северном полушарии ситуация изменчивая: возникают озоновые мини-дыры, распространяющиеся от Гренландии, где озоновый слой наиболее разрежен, по странам Европы. Основное прогнозируемое время появления озоновых дыр в атмосфере Земли — февраль — март.
К практическим мерам, принимаемым в настоящее время, следует, прежде всего, отнести отказ от применения химических веществ, разрушающих озон, и в частности, фреона, используемого в холодильных установках и пенообразующих эмульсиях.