Состав атмосферы

Общий состав атмосферы почти одинаков по всей Земле в результате высокой степени перемешивания в пределах атмосферы. В горизонтальном направлении перемешивание осуществляется благодаря вращению Земли. Вертикальное перемешивание в основном является результатом нагревания поверхности Земли приходящим солнечным излучением. Скорость перемешивания в океанах значительно ниже, но даже этого достаточно, чтобы обеспечить сравнительно постоянный общий состав примерно таким же путем, как в атмосфере. Однако некоторые части атмосферы не так однородны, и в них обнаруживаются достаточно глубокие изменения в общем составе.

Атмосфера делится на слои, различающиеся температурой, степенью ионизации молекул, давлением и др.: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Плотность воздуха постепенно убывает, и атмосфера без резких границ переходит в межпланетное пространство.

Нижняя часть атмосферы, называемая тропосферой, хорошо мешана из-за конвекции. Из движущих сил конвекции наиболее наглядные явления — грозы. В тропосфере температура падает с высотой; солнечная энергия нагревает поверхность Земли, которая в свою очередь нагревает непосредственно прилегающий к ней воздух, вызывая конвекционное перемешивание. Это происходит потому, что теплый воздух, находящийся в контакте с поверхностью Земли, легче и имеет тенденцию подниматься. Однако на высоте около 15—25 км атмосфера нагревается путем поглощения ультрафиолетового излучения кислородом (0₂) и озоном (Оз). Следствием повышения температуры с высотой является большая устойчивость верхней части атмосферы к вертикальному перемешиванию, поскольку тяжелый холодный воздух в ее основании не склонен подниматься. Эта область атмосферы имеет два отдельных слоя воздуха и называется поэтому стратосферой. Хорошо известный слой Оз образуется на этих высотах. Несмотря на такую устойчивость, стратосфера достаточно хорошо перемешана по сравнению с более высокой частью атмосферы. Выше 120 км турбулентное перемешивание так слабо, что отдельные молекулы газов могут разделяться под действием гравитации. Так, относительные концентрации атомарного кислорода (О) и азота (N) здесь наибольшие внизу, тогда как более легкие водород (Н) и гелий (Не) доминируют выше.

Давление, Па

100 200 300 400 500 600 700

Температура, К

Рис. 7. Вертикальное строение атмосферы и изменения температуры и давления

На рис. 7 показаны разные слои атмосферы. Та часть, где действует гравитация, обычно называется гетеросферой из-за переменного состава. Более хорошо, перемешанная часть атмосферы, расположенная ниже, называется гомосферой. Термин «турбопауза» дан границе, которая разделяет эти две части. Гетеросфера находится столь высоко (сотни километров), что давление здесь крайне низкое, это подчеркнуто логарифмическим масштабом на рисунке.

В такой смеси газов, как в атмосфере, выполняется закон парциального давления Дальтона. Из него следует, что давление отдельных газов в атмосфере будет падать с той же скоростью, что и общее давление. Это можно представить в виде барометрического уравнения:

p_z=p_oexp(-z/H), (1.1)

где р_z— давление на высоте г, ро — давление на поверхности земли, Н—высота (около 8,4 км в нижней тропосфере, а также мера скорости, с которой давление падает с высотой).

Из уравнения (1.1) видно, что давление в нижней части атмосферы уменьшается так быстро, что на высоте 5,8 км достигает 50% от своего значения на земной поверхности. В пределах тропосферы уравнению (1.1) отвечает около 90 % всех атмосферных газов. Остальные находятся в основном в стратосфере, а небольшая масса верхней части атмосферы говорит о том, что она будет чувствительна к загрязнителям. В стратосфере так мало газов, что относительно небольшие

количества следовых загрязнителей могут оказывать существенноевлияние. Кроме того, благодаря ограниченному вертикальному перемешиванию, мешающему их диспергированию и растворению, загрязнители будут содержаться в относительно хорошо обозначенных слоях. Известно, что атмосфера состоит, прежде всего, из азота (N₂) и кислорода (О₂) и небольшого процента аргона (Аг). Концентрации основных газов перечислены в табл.1. Вода (Н₂О) также является важным газом, но ее содержание сильно варьирует. В атмосфере в целом концентрация воды зависит от температуры. Диоксид углерода (СО₂) имеет гораздо меньшую концентрацию, чем множество других сравнительно инертных (т. е. не реагирующих) микрокомпонентных газов. В отличие от воды и, в меньшей степени, СО₂ концентрация большинства газов в атмосфере остается практически постоянной.

Таблица 1 Валовый состав незагрязненного воздуха

Газ	Концентрация
Азот Кислород Аргон Вода Углекислый газ Неон Гелий Метая Криптон Водород Ксенон	78,084% 20,946 % 0,934 % 0,5-4 % 360 ppm 18,18ррm 5,24 ppm 1,7ррm 1,14ppm 0,5ррm 0,087 ррm
Микро (10^-6) — микрокомпонент, содержащийся в концентрации 10^-6) -, т. е. ppm (partes pro million). Аналогично процент 10^-2 (pro centum, иначе %) и промилле, например, для солености, 10^-3 (pro millе иначе %о).

Средняя молекулярная масса сухого воздуха, вытекающая из состава, равна 28.966. Мощность тропосферы оценивается величиной 8 - 10 км в полярных областях и 16 - 18 км у экватора. Эта часть атмосферы непосредственно граничит с поверхностью океана и суши, обусловливая тем самым определенный обмен веществ. Температура здесь поднимается с высотой до 6°С на каждый километр. Верхняя граница тропосферы представлена слоем, обычно называемым «тропопаузой», температура в котором составляет 220 К.

Стратосфера, расположенная над тропосферой, также подразделяется на две зоны: нижнюю, с температурой, характерной для тропопаузы, и достигающую высоты 25 км, и верхнюю, тропопаузы, и достигающую высоты 25 км, и верхнюю, npoстирающуюся до высоты 50 км и называемую областью инверсии. В этой области температура начинает возрастать и, достигая 273 К, остается неизменной вплоть до высоты 55 км. Эта узкая область постоянной температуры, называемая стратопаузой, является по существу верхней границей стратосферы. Очень важно отметить, что в стратосфере расположен озоновый защитный слой, определяющий верхний предел жизни в биосфере. В стратосфере в значительной мере задерживаются ультрафиолетовые коротко-волновые излучения (180-200 нм); происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц, различных свечении.

Выше стратопаузы располагается мезосфера, достигающая высоты 80 км от уровня моря, характеризующаяся мощностью 25 км. В мезосфере происходит понижение температуры с высотой. Верхней границей мезосферы является мезопауза, в зоне которой температура достигает 190 К.

После мезопаузы температура в атмосфере вновь возрастает. Эта область мощностью 90 км называется термосферой. В верхней части термосферы температура достигает 1000 К. Термосферу часто называют еще ионосферой.

Внешней оболочкой атмосферы является экзосфера, которая начинается с высоты 1000 км и простирается на огромные расстояния, постепенно переходя в межпланетное пространство. Экзосфера является областью диссипации атмосферных газов. Диссипация- это процесс преодоления атомами и ионами поля притяжения Земли. В результате диссипации не только Земля, но и другие планеты (Меркурий, Марс) должны были потерять то или иное количество атмосферных газов. Явление диссипации связано с возрастанием разреженности атмосферы при увеличении высоты. Вследствие этого столкновения атомов становятся все реже, a величина свободного пробега значительно возрастает.

Таким образом, атмосфера - это система газов, находящих под переменным излучением солнца, проникающим на различные высоты и производящим различные действия над этими газами. Другими словами,атмосфера - это смесь молекулярных, диссоциированных и ионизированных газов, находящихся на различных высотах, между которыми происходят постоянные реакции, обусловливающие возникновение как более легких, так и тяжелых частиц. Все это приводит к «перемешиванию» атмосферы и соответственно к постоянству ее основного состава.