Глава 5 Состав и строение атмосферы Атмосфера и ее границы. Состав воздуха

Атмосфера (греч. atmos – пар и sphaira – шар) – воздушная оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести и принимающая участие во вращении планеты. Нижней границей атмосферы является земная поверхность, а верхняя граница размыта, так как с увеличением высоты воздух становится все разреженнее. Косвенными доказательствами существования атмосферы на больших высотах служат серебристые облака на уровне 70 – 80 км, метеоры, сгорающие из-за трения о воздух на высоте 100–300 км, полярные сияния на высотах до 1000 км. С помощью искусственных спутников и ракет установлено, что атмосфера простирается вплоть до 20 000 км, но близ верхней границы она весьма разрежена и постепенно переходит в межпланетное пространство. Условно за верхнюю границу атмосферы принимают высоту 1000 – 2000 км над поверхностью Земли, а более высокие слои считают земной короной.

Атмосферный воздух – смесь газов. В нем во взвешенном состоянии находятся жидкие и твердые частицы. По химическому составу в атмосфере различают два слоя: нижний – гомосферу (однородный слой) – примерно до 100 км и верхний – гетеросферу (неоднородный слой) – выше 100 км. В сухом (т. е. полностью обезвоженном) чистом воздухе у земной поверхности содержится по объему 78% азота, 21% кислорода, 0,93% аргона, а также есть диоксид углерода, озон и другие газы. Средняя молекулярная масса сухого воздуха равна 28,96.

Процентное соотношение основных газов в гомосфере почти не меняется при перемешивании воздуха как по горизонтали, так и по вертикали. В гетеросфере содержание легких газов возрастает, а тяжелых уменьшается: нет аргона, озона, диоксида углерода. К тому же сначала молекулы кислорода, а потом азота разлагаются на атомы. Выше 1000 км основными газами становятся атомарный водород и гелий.

Каждый газ воздуха выполняет в географической оболочке определенные функции.

Свободный кислород, который химически очень активен, играет огромную роль в жизни, без него невозможно дыхание, горение, окисление. Кислород атмосферы в основном биогенного происхождения, так как образовался в процессе фотосинтеза растений и других автотрофных организмов.

Азот химически весьма инертен и играет в атмосфере роль разбавителя кислорода, регулируя темп окисления. Азот тоже в основном имеет биогенное происхождение. Значение азота для живых организмов определяется тем, что он входит в состав белков и нуклеиновых кислот, его соединения обеспечивают минеральное питание растений.

Диоксида углерода (углекислого газа) в атмосфере немного (0,03%). Его содержание в приземных слоях воздуха подвержено естественным колебаниям в течение года и суток. Диоксид углерода – своеобразный утеплитель Земли, поскольку в основном пропускает коротковолновую солнечную радиацию, но задерживает тепловое излучение земной поверхности, обусловливая так называемый парниковый эффект. По оценкам ученых, с середины прошлого века глобальное содержание диоксида углерода возросло на 12–15% за счет сжигания ископаемого органического топлива. Его увеличение способствовало повышению температуры воздуха на Земле. Диоксид углерода служит основным строительным материалом для создания органического вещества в процессе фотосинтеза.

Весьма важна роль озона (О₃), хотя его в атмосфере немного. Толщина слоя озона при нормальном давлении и температуре 0°С составила бы всего 3 мм. Количество его по абсолютному значению и в процентном отношении возрастает с высотой и достигает максимума на высотах 15–20 км в полярных широтах, 20 – 25 км в умеренных, 25–30 км в тропических и сходит на нет на высоте 70 км. Слой повышенной концентрации озона на высотах в среднем 25 – 30 км называют нередко озоновым экраном. Озон является своеобразным фильтром атмосферы, ибо он поглощает значительную долю (97%) ультрафиолетовой радиации (с длинами волн 0,15–0,29), которая губительно действует на живые организмы. Поглощая солнечную радиацию, озон повышает температуру воздуха в стратосфере.

Исследования показывают, что толщина слоя озона испытывает пространственные и временные колебания. Наибольшее колебание содержания озона в воздухе в течение года отмечается в полярных широтах. Здесь его меньше зимой, в условиях полярной ночи, из-за отсутствия солнечной радиации, под влиянием которой он образуется в результате фотодиссоциации молекул кислорода, больше – в период полярного дня. К тому же озон легче уничтожается при низких температурах. Эти колебания значительнее над Антарктидой, где количество озона зимой резко сокращается (так называемая озоновая дыра над Антарктидой). Метеорологическая гипотеза связывает это явление со спецификой динамического режима стратосферы в Антарктиде: образованием там зимой устойчивого высотного циклонического вихря и выносом вверх озона из антарктической стратосферы. В последние годы замечено глобальное сокращение озона, что некоторые исследователи связывают с выбросом в атмосферу фреонов и окислов азота. Уменьшение толщины озонового слоя вредно для всего живого. Поэтому нужна коллективная мудрость человечества для его сохранения.

Важной составной частью воздуха является невидимый газ – водяной пар. Это весьма переменный компонент атмосферы: его содержание в воздухе над земной поверхностью колеблется от 0,2% в ледяных пустынях до 3 – 4% вб влажных экваториальных лесах (по объему). Поскольку водяной пар поступает в воздух за счет испарения с водной поверхности, почвы и транспирации растений, его количество зависит от температуры: чем она выше, тем его больше. С высотой количество водяного пара уменьшается, около 90% его заключено в нижнем пятикилометровом слое воздуха. Значение водяного пара исключительно велико. Он представляет собой важное звено влагооборота, так как при определенных условиях происходит его конденсация или сублимация, образуются облака и осадки. Велика роль водяного пара (наряду с диоксидом углерода) и в создании парникового эффекта, так как именно он задерживает основную часть теплового излучения земной поверхности. В свою очередь, водяной пар сам излучает инфракрасную радиацию, большая часть которой идет к земной поверхности, являясь для нее дополнительным источником тепла. В то же время облака, возникающие в результате конденсации и сублимации водяного пара, отражают и поглощают солнечную энергию на ее пути к земной поверхности. Надо учитывать и фазовые превращения водяного пара и воды, сопровождающиеся поглощением тепла (при испарении и таянии снега и льда) или выделением тепла (при конденсации и сублимации), что отражается на температуре окружающего воздуха. Такова роль водяного пара в тепло- и влагообороте на Земле. Он выполняет определенные функции и в жизнедеятельности организмов, влияя, например, на скорость транспирации, которая возрастает при понижении влажности воздуха.

В воздухе много твердых частиц, причем большинство их не видимо простым глазом. Мельчайшие твердые и жидкие частицы естественного и антропогенного происхождения, находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии, называют аэрозолями. Это космическая, вулканическая и минеральная пыль, дым, пыльца растений, микроорганизмы, частицы морской соли и т. д. Особо опасны среди аэрозолей продукты искусственного радиоактивного распада. Твердые частицы выполняют в атмосфере роль ядер конденсации и сублимации, их обилие ускоряет образование туманов и облаков. Аэрозоли уменьшают прозрачность атмосферы, ослабляя солнечную радиацию и ухудшая видимость. Аэрозоли обычно не задерживаются долго в тропосфере, где выпадают осадки. В стратосфере, куда иногда попадает вулканическая пыль, она остается там годами. Недаром после извержений вулканов, особенно таких интенсивных, как Кракатау в 1883 г. или Катмая в 1912 г., на протяжении нескольких лет отмечалось помутнение атмосферы и уменьшение солнечного тепла, особенно ощутимое летом. Самым катастрофическим взрывным извержением за последние 500 лет было извержение вулкана Тамбора (остров Сумбава в Зондском архипелаге) 10–11 апреля 1815 г. Выбросы вулканического материала при взрыве вулкана, в результате чего его высота уменьшилась с 4000 м до 2820 м, создали завесу в воздухе, ставшую экраном для солнечного излучения. Это привело к охлаждению атмосферы в течение нескольких последующих лет. В северном полушарии в тот и следующий годы сезонный снег лежал до середины июня, а в августе в Западной Европе были отмечены заморозки.

Газы, входящие в состав атмосферы, обладают определенной плотностью, а воздух – массой. Общая масса атмосферы достигает 5,27 x 10¹⁵ т, что составляет одну миллионную часть массы земного шара. При этом половина всей массы атмосферы находится в нижних 5 км, 75% – в нижних 10 км, 95% – в нижних 20 км.