Хімічний склад сухого повітря нижніх шарів атмосфери

Сучасна атмосфера – це результат її тривалої еволюції. Вважають, що первинна атмосфера була гелієво-воднева. Далі внаслідок виверження вулканів вона збагатилась іншими газами і стала азотно-вуглецевою. Кисень появився пізніше внаслідок взаємодії ультрафіолетового випромінювання Сонця з водою. Однак можливо, що кисень став продуктом фотосинтезу. В результаті аналізу бульбашок повітря, украплених у товщу льодовиків, яким нараховується кілька сотень мільйонів років, виявлено, що частки азоту, кисню та аргону майже не змінились, а кількість метану збільшилась. Отже газовий склад атмосфери залишався постійним, поки людина не почала добувати і спалювати органічні рештки минулих геологічних епох.

Основними газами сухого чистого повітря є азот, кисень та аргон, що становлять 99, 96 % (табл.. 2.1.), на решту великої кількості газів (до 50) залишається 0, 04 %. До складу реальної атмосфери входять також водяна пара та аерозолі або тверді і рідкі частинки різного походження і перебувають в атмосфері у завислому стані. Життєво важливе значення основних газів загальновідоме. Для атмосферних процесів найбільше значення мають малі складові атмосфери. Це водяна пара, вуглекислий газ, озон та аерозолі.

Таблиця 2.1. Хімічний склад сухого повітря до висоти 90-95 км.

Газ	Молекула	Об’ємний вміст, %	Відносна молекулярна маса (за вуглецевою шкалою)	Густина у відношенні до повітря
Азот	N2	78, 084	28, 0134	0, 967
Кисень	O2	20, 946	31, 9988	1, 105
Аргон	A2	0, 934	39, 948	1, 379
Вуглекислий Газ	CO2	0, 0314	44, 00995	1, 529
Неон	Ne	1, 818·10-3	20, 183	0, 695
Гелій	He	5, 234·10-4	4, 0026	0, 138
Метан	CH4	1, 6·10-4	16, 0	0, 552
Кріптон	K2	1, 14·10-4	83, 800	2, 868
Водень	H2	5·10-5	2, 01594	0, 070
Ксенон	Xе	8, 7·10-6	131, 300	4, 524
Озон	O3	10-6 – 10-5	47, 9982	1, 624
Сухе повітря			28, 9645	1·000

 

Водяна пара – це основний парниковий газ. Водяна пара та продукти її конденсації і сублімації засвоюють довгохвильове випромінювання Землі і випромінюють довгохвильову радіацію у напрямку до Землі, завдяки чому Земля має сприятливий режим температури для рослин, тварин і людей. Вміст водяної пари в атмосфері змінюється залежно від температури і становить від 0, 1 % до 4 % за об’ємом. Водяна пара зосереджена в основному в нижніх шарах тропосфери, при піднятті догори її вміст різко зменшується. Завдяки наявності водяної пари в атмосфері утворюються хмари та атмосферні опади.

Вуглекислий газ СО₂ надходить до атмосфери при виверженні вулканів, внаслідок розкладання органічних речовин, у процесі горіння та дихання тварин, а витрачається у процесі фотосинтезу рослин. Він також засвоює і випромінює довгохвильову радіацію і, як і водяна пара, бере участь у створенні парникового ефекту. За рахунок господарської діяльності людини за останні 90 років ХХ ст.. вміст вуглекислого газу в атмосфері збільшився на 25 % - від 0, 029 до 0, 033 % за об’ємом. Кількість вуглекислого газу в повітрі залежить від багатьох факторів. У північних широтах його менше, ніж у помірних, над океаном менше ніж над суходолом, вдень менше, ніж уночі. Максимум концентрації вуглекислого газу спостерігається взимку, мінімум - влітку. У промислових центрах його вміст у повітрі досягає 0, 07 %. Під впливом діяльності людини збільшується вміст інших газових домішок, у тому числі і шкідливих (табл.. 2.2)

Таблиця 2.2 Середні дані про газові домішки в повітрі

Газ	Молекули	Об’ємний вміст, %
Моноксид вуглецю	СО	від 0 до слідів
Сірчистий газ	SO2	від 0 до 10-4
Закис азоту	NO2	5·10-5
Діоксид азоту	N2о3	від 0 до 2·10-6
Радон	Rn	6·10-18
Йод	I2	від 0 до 10-6

 

Озон (О₃) – це алотропічна видозміна кисню або трьохатомний кисень. Його в атмосфері дуже мало – від 2·10^-6 % взимку до 7·10^-6 % влітку. Але його значення для життя на Землі дуже велике. Він захищає живі організми від згубної дії ультрафіолетової радіації, яка розкладає хроматин клітинного ядра і це перешкоджає поділу клітин. Цей ефект дуже сильний при довжині хвиль 0, 255-0, 265 мкм і суттєво зменшується при довжині хвиль більше 0, 290мкм. В організмі людини ця ультрафіолетова радіація пошкоджує молекули ДНК і їх розмноження стає неможливим. Ось озон і поглинає небезпечні для життя ультрафіолетові промені з довжиною хвилі менше 0, 290 мкм. В той же час озон дуже отруйний газ, знищує усі бактерії. Озону поблизу поверхні землі всього 0, 07· 10^-6, а в деяких районах під час смогу досягає 0, 5·10^-6. Уже така концентрація озону за півгодини призводить до загибелі деяких видів рослин. Дихальні шляхи людини озон подразнює при об’ємній концентрації 0, 1·10^-6. Концентрація 5·10^-6 уже небезпечна для життя, а на висотах 16-50 км об’ємна концентрація озону досягає 8·10^-6.

Озон утворюється в основному у високих шарах атмосфери. Під дією ультрафіолетової радіації з довжиною хвилі менше 0, 170 мкм молекули кисню збуджуються і розкладаються на два атоми, які легко приєднуються до молекул кисню. У свою чергу під дією ультрафіолетової радіації більшої довжини хвиль, особливо 0, 255 мкм, молекула озону руйнується. Отже у високих шарах атмосфери озон постійно утворюється і розкладається. Це фотохімічна теорія озону Чепмена. У нижніх шарах атмосфери озон утворюється при грозових розрядах, а в лабораторіях при розкладі води під дією електричного струму.

Озон розповсюджений нерівномірно. Найменше його над екватором, найбільше над субполярними широтами (70-80⁰ пн. ш. і 60-70⁰ пд. ш.) і далі до полюсів знову різко зменшується. Навколополярний мінімум в Антарктиді виражений краще і охоплює більшу площу, ніж в Арктиці. Цей мінімум має назву Антарктичної дірки. Найбільша мінливість вмісту озону спостерігається в субполярних широтах. Основна маса озону зосереджена в озоносфері – на висоті від 10 км до 50 км, хоч у меншій кількості він є нижче 10 км, а у гору до 70 км. Максимум концентрації озону спостерігається на висоті 20-25 км. Загальний вміст озону у вертикальному стовпі повітря малий. Якщо привести весь озон до рівня моря при атмосферному тиску 1013 гПа та температурі 0⁰ С, то одержимо шар озону товщиною 3 мм при коливанні у різних місцях від 1 до 6 мм. Останніми роками спостерігається деяке зменшення загального вмісту озону в атмосфері, особливо у стратосфері. Натомість у приземному шарі є тенденція до його збільшення, особливо у місцях концентрованого забруднення атмосфери.

Основною причиною зменшення вмісту озону в атмосфері є створені людиною фреони. Вони накопичуються в стратосфері і, розкладаючись, вивільняють хлор, який вступає в реакцію з озоном. За міжнародними угодами провідні країни світу уже обмежують виробництво фреонів.

Аерозолів в атмосфері дуже багато. В 1 см³ повітря в промислових центрах їх є десятки тисяч, у сільській місцевості тисячі, у повітрі над океанами сотні, а в атмосфері на висоті 5-10 км – кілька десятків.

Вклад безпосередньої людської діяльності в аерозольне забруднення становить 16 %. Аерозолі плавають в атмосфері тривалий час, найдрібніші опускаються на землю роками і переносяться повітряними течіями на десятки тисяч кілометрів. Забруднення атмосфери твердими і газоподібними домішками завдають великої шкоди врожайності сільськогосподарських культур, лісовому господарству, продуктивності тварин, будівлям та здоров’ю людей. Атмосферні аерозолі зменшують надходження сонячної енергії до поверхні Землі, оскільки вони збільшують планетарне альбедо Землі.

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.