Строение, функции и газовый состав атмосферы

 

Наша планета окружена воздушной газовой оболочкой – атмосферой (по гречески «атмос» – пар, дыхание, а «сфера» – шар). Первый научный труд, в котором обобщаются представления об атмосфере, принадлежит Аристотелю. В русскую науку это слово ввел М. В. Ломоносов. Атмосфера является предметом изучения метеорологии – науки о строении, свойствах атмосферы и происходящих в ней явлениях и процессах.

Атмосфера состоит из следующих слоев: нижнего приземного слоя – тропосферы, стратосферы, мезосферы, ионо- и экзосферы (рисунок 17.1). Масса атмосферы равна 5,2 1015 тонн, и почти 50% этой массы сосредоточено в 5 – километровом, а 95% – в нижнем 20-километровом слое. Выше 3 тысяч километров плотность атмосферы мало отличается от плотности межпланетного пространства.

Атмосфера играет важную роль на нашей планете, ее функции разнообразны. Газовая оболочка Земли участвует в формировании климата, регуляции влажности, погоды. Солнечная радиация поставляет на земную поверхность 99,98% всего тепла, и важнейшим свойством атмосферы является его аккумуляция. Без атмосферы невозможна жизнь на земле. Она нивелирует перепад суточных температур, который мог бы составить 200о, что неприемлемо для выживания живых существ. На верхнюю границу атмосферы ежесекундно обрушивается лавина жесткого космического излучения широкого диапазона волн и энергии – инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения, видимого света. Но атмосфера поглощает большую часть космического излучения, отмеряя дозу, безопасную и необходимую для жизни. Атмосфера является средой, в которой распространяются звуки.

Жизнедеятельность организмов требует наличия воздуха и его чистоты. Весь воздушный океан проходит через живые организмы примерно за десять лет. Человек, вдыхая каждую минуту 6–16 л воздуха, в сутки потребляет его 9–23 тыс. л, а это значительно превосходит среднесуточную потребность в пище и воде.

Рисунок – Схема строения атмосферы

 

(по Н. И. Николайкину, 2004)

 

Древняя и современная атмосфера резко отличаются по составу. В прошлом атмосфера формировалась, в основном, из вулканических газов и состояла из образующихся в земных недрах летучих веществ: Н2, паров Н2О, СО2, СН4. Свободный азот как продукт вулканической деятельности, соединяясь с водородом, который был в избытке, превращался в аммиак. С появлением фотосинтезирующих организмов состав атмосферы стал меняться, и произошел переход от бескислородной в кислородную атмосферу, с чем связаны основные этапы биологической эволюции. Главными составляющими атмосферу газами становятся азот, кислород, аргон, углекислый газ. В атмосферном воздухе содержится: азота – 78,08%, кислорода – 20,95%, аргона – 0,93%, углекислого газа – 0,03%. Остальные химические элементы и соединения – неон, гелий, водород, метан, криптон, сероводород, фтористый и хлористый водород, угарный газ, оксиды азота, йод, сернистый газ, ксенон, др. составляют менее 0,1%. Важнейшими компонентами атмосферы являются азот и углекислый газ. Необходим для дыхания, жизнедеятельности всех организмов кислород, обязательный компонент различных окислительных реакций. Большая роль из газов атмосферы принадлежит озону.

Озон – трехатомный кислород (О3) присутствует в атмосфере от поверхности Земли до высоты 70 км. В приземных слоях воздуха он образуется под влиянием случайных факторов (грозовые разряды). Озон чрезвычайно ядовит, ПДК его в воздухе равна 0,00001%. Однако благодаря ему стало возможным существование жизни на Земле. В более высоких слоях атмосферы (стратосфере) озон образуется в результате воздействия ультрафиолетовой радиации Солнца на молекулы кислорода. Основная масса озона сосредоточена в стратосфере, и поэтому ее часто называют озоносферой. Слой максимальной концентрации озона – озоновый экран находится на высоте 20–25 км. Этот газ поглощает солнечную радиацию, при этом наиболее интенсивно – в ультрафиолетовой части, которая губительна для животных и растений. Благодаря озоновому экрану наиболее активная в биологическом отношении часть солнечной радиации не может губительно воздействовать на живые организмы. Всего озоновый слой поглощает около 13% солнечной энергии. Уменьшение озона в стратосфере, разрушение озонового слоя, которое наблюдается в последнее время, связано с антропическими факторами. Наиболее существенную роль в этом играют химические соединения хлор-фтор-углероды (ХФУ), которые широко используются с разными целями: как хладагенты в холодильниках и кондиционерах, пенообразующие агенты в огнетушителях, очистители электронных приборов, при химической чистке одежды, производстве пенопластиков, в аэрозольных смесях. Ранее хлор–фтор–углероды рассматривались как идеальные для практического применения химические вещества, поскольку они стабильны и не активны, не токсичны. Но сейчас известно, что они опасны для атмосферного озона. Когда ХФУ поднимаются до высоты 25 км, где концентрация озона максимальная, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетового излучения. Оно разрушает молекулы ХФУ, которые распадаются на компоненты, обладающие высокой реакционной способностью. Таким является, в частности, атомарный хлор – один атом хлора может разрушить до ста тысяч молекул озона. Сейчас выброс ХФУ в атмосферу исчисляется миллионами тонн, и действие только этих ХФУ будет продолжаться довольно длительное время. Опасность проблемы, вызванной поступлением в атмосферу хлор–фтор–углеродов, быть может, научит человека с большим вниманием относиться к новым веществам, поступающим в среду.