Атмосфера и ее границы. Состав воздуха

Атмосфера (греч. аtтоs — пар и sрhаirа — 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 % во 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 суб­лимация¹, образуются облака и осадки. Вели­ка роль водяного пара (наряду с диоксидом

¹ Сублимация в метеорологии и гляциологии понима­ется как переход из газообразного состояния (водяной пар) в твердое с образованием кристаллов («ледяные» облака, иней), что сопровождается выделением тепла. Об­ратный процесс — возгонка. (В физике сублимация и возгонка обозначают одно и то же, т. е. процесс перехо­да вещества из кристаллического состояния непосредст­венно в газообразное, минуя жидкую фазу, что сопровож­дается поглощением тепла.)

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 5,27·10¹⁵т, 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.