Состав нижних слоев атмосферы

Атмосфера Земли - это газовая оболочка, что окружает Землю и вращается вместе с ней под действием силы притяжения и имеет четко выраженную нижнюю и неопределенную верхнюю границу 1000-1200 км.

Воздух представляет собой механическую смесь многих газов. Основными газами, которые составляют воздух, есть азот, кислород и небольшое количество аргона. В небольшом количестве в воздухе находится гелий, неон, криптон, ксенон, водород. В результате распада радиоактивных элементов, которые имеются в земной коре, в атмосферу проникают радиоактивные газы радон, торон, актинон. Кроме указанных газов, в воздухе в переменном количестве постоянно присутствуют водяной пар, углекислый газ, озон, аммиак, метан, оксиды азота, пыль и др.

Атмосферный воздух – это механическая смесь газов, в которой во взвешенном состоянии находятся твердые и жидкие частички (аэрозоли).

Твердые частицы в атмосфере могут быть разного рода:

§ космическая пыль, которая попадает в атмосферу с мирового пространства, в том числе пыль, которая образуется при сгорании метеоров в атмосфере. (За год на землю выпадает близко 1000 т космической пыли);

§ частицы почвы и горных пород, которые выветриваются, а также пыль, которая выбрасывается вулканами при извержениях;

§ частицы дыма, который образуется при лесных пожарах, в топках печей на промышленных предприятиях;

§ микроорганизмы, споры грибов, пыльца растений и разные частицы органических веществ.

Состав сухого воздуха, очищенного от взвешенных и других загрязняющих веществ, одинаковый на всему земному шару и остается постоянным до сравнительно большой высоты.

Химический состав нижних слоев воздуха: % об.:

§ Азот – 78,09;

§ Кислород – 20,94;

§ Аргон – 0,93;

§ Диоксид углерода – 0,033;

§ Неон – 1,8·10^-3;

§ Гелий – 5,2·10^-4;

§ Ксенон – 8·10^-6;

§ Оксид азота- 2,5·10^-4;

§ Водород – 5·10^-5;

§ Метан – 5·10^-4;

§ Диоксид азота – 1,5·10^-4;

§ Озон – 2·10^-6;

§ Диоксид серы – 2·10^-8;

§ Оксид углерода – 1·10^-5.

Атмосферный воздух возле земной поверхности, как правило, является влажным. Это значит, что в его состав, вместе с другими газами, входит водяной пар, то есть вода в газообразном состоянии. Содержание водяного пара в воздухе меняется в значительных пределах, в отличие от других составных частей воздуха. Это поясняется тем, что при существующих в атмосфере условиях водяной пар может переходить в жидкое или твердое состояние и, наоборот, может поступать в атмосферу снова вследствие испарения с земной поверхности. Воздух без водяного пара называют сухим воздухом.

 

Водяной пар

Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу путем испарения с водных поверхностей, с влажной почвы и путем транспирации растений, при этом в разных местах и в разное время он поступает в разных количествах. От земной поверхности он распространяется вверх, а воздушными массами переносится с одних мест Земли в другие. При снижении температуры часть водяного пара конденсируется, переходит в жидкое или твердое состояние. В воздухе возникают водяные капельки и ледяные кристаллики облаков и тумана. Облака могут снова испаряться; в других случаях капельки и кристаллики облаков, укрупняются и могут выпадать на земную поверхность в виде осадков. Вследствие всего этого содержание водяного пара в разных частях атмосферы непрерывно меняется.

С водяным паром в воздухе и с его переходами из газообразного состояния в жидкое и твердое связаны важнейшие процессы погоды и особенности климата. Наличие водяного пара в атмосфере существенным образом сказывается на тепловых условиях атмосферы и земной поверхности. А именно:

· водяной пар сильно поглощает длинноволновую инфракрасную радиацию, которую излучает земная поверхность. В свою очередь и сам он излучает инфракрасную радиацию, большая часть которой идет к земной поверхности. Это уменьшает ночное охлаждение земной поверхности и тем самым нижних слоев воздуха;

· на испарение воды с земной поверхности расходуется большое количество тепла, а при конденсации водяного пара в атмосфере это тепло отдается воздуху. Облака, которые возникают в результате конденсации, отражают и поглощают солнечную радиацию на ее пути к земной поверхности;

· осадки, которые выпадают из облаков, являются важнейшим элементом погоды и климата;

· наличие водяного пара в атмосфере имеет важное значение для физиологических процессов.

Процентное содержание водяного пара в воздухе меняется с высотой. Водяной пар постоянно поступает в атмосферу снизу, а распространяясь вверх, конденсируется и сгущается. На высоте 5 км содержание водяного пара в воздухе в десять раз меньше, чем у земной поверхности, а на высоте 8 км - в сто раз меньше. Таким образом, выше 10-15 км содержание водяного пара в воздухе ничтожно мало.

Концентрация водяного пара убывает по высоте по следующему закону:

, (2.1)

где е_z – упругость водяного пара на высоте z, гПа;

е₀ – упругость водяного пара на равные моря (В метеорологии за нулевую оценку принятый уровень моря);

β – эмпирический коэффициент (для нижних слоев атмосферы β = 5000).

 

Озон

Изменение с высотой содержания озона в воздухе особенно интересное. У земной поверхности озон имеется в незначительных количествах. С высотой содержимое его возрастает, причем не только в процентном отношении, но и по абсолютному значению. Максимальное содержание озона наблюдается на высотах 25-30 км; выше он убывает и на высотах около 60 км его практически нет. Процесс образования озона из кислорода происходит в слоях от 60 до 15 км при поглощении кислородом ультрафиолетовой солнечной радиации. Часть двухатомных молекул кислорода распадается на атомы, а атомы присоединяются к молекулам кислорода и образовывают трехатомные молекулы озона. Одновременно происходит обратный процесс превращения озона в кислород. В слои ниже 15 км озон заносится из выше лежащих слоев при перемешивании воздуха. Возрастание содержания озона с высотой практически не сказывается на судьбах азота и кислорода, так как в сравнении с ними озона и в верхних слоях очень имело. Если бы можно было сосредоточить весь атмосферный озон под нормальным давлением, он образовал бы слой около 3 мм толщиной. Но и в таком незначительном количестве озон важен потому, что, сильно поглощая солнечную радиацию, он повышает температуру тех слоев атмосферы, в которых он находится. Ультрафиолетовую радиацию Солнца с длиной волн от 0,15 до 0,29 мкм (один микрон - тысячная частица миллиметра) он поглощает целиком. Эта радиация оказывает физиологически вредное действие, и озон, поглощая ее, предохраняет от нее живые организмы на земной поверхности.

 

Диоксид углерода

Диоксид углерода хорошо поглощает и излучает длинноволновую лучистую энергию. CO₂ играет большое значение в жизни людей, растений. Поступает в атмосферу главным образом при вулканических извержениях, а также в результате гниения и разложение органических веществ, в процессе дыхания, при сжигании топлива и др.

Исследования содержания диоксида углерода (углекислого газа) в атмосфере показали увеличение его содержания за последние десятилетия. Известно, что этот газ пропускает солнечную радиацию и не пропускает назад инфракрасное (тепловое) излучения Земли. Тот самим создается так называемый парниковый эффект.

 

Радиоактивные загрязнения атмосферы создают отходы предприятий атомной промышленности, атмосферные и наземные ядерные и термоядерные взрывы. Радиоактивные вещества переносятся воздушными потоками и сохраняются в атмосфере на протяжении десятилетий. При чем еще не найденные способы искусственного удаления радиоактивных продуктов из атмосферы.