Газовый состав атмосферы
Атмосфера – газовая оболочка Земли. В настоящее время атмосфера состоит из следующих компонентов:
Азот – 78, 08 %,
Кислород – 20, 94 %,
Аргон - 0, 93 %,
Углекислый газ – 0, 03 %,
Прочие газы – 0, 02 %.
___________________
Всего: 100 %
В начале геологической истории Земля создала вторичную углекислую атмосферу. Углекислый газ (CO2) выделялся из недр Земли при интенсивном тогда вулканизме и орогенезе. В древней атмосфере и зародилась жизнь.
С прогрессивным развитием фотосинтезирующих зеленых растений сформировалась современная кислородная атмосфера.
Атмосфера содержит около 1015 т кислорода. Газ в атмосфере представлен также озоном, который образуется при расщеплении молекулы кислорода О2 ультрафиолетовыми лучами и электрическими зарядами:
О2 = О + О, О2 + О = О3
Озон-неустойчивый газ и сильный окислитель. У земной поверхности его количество ничтожно. Однако оно увеличивается после грозы. Главная же масса озона сосредоточена на высотах от 10 до 60 км с максимальной концентрацией в пределах 22-25 км, где он создает озоновый экран. Его слой всего в 2,5-5,2 мм (в зависимости от географической широты и времени года). Роль же озона в географической оболочке чрезвычайно велика. Поглощая крайнюю ультрафиолетовую радиацию, он предохраняет живые организмы от ее губительного воздействия.
Азот (N) – один из самых распространенных элементов в земной атмосфере. Причем, в отличие от кислорода, главная его масса находится в свободном состоянии - 4 x 1015 т.
Азот принадлежит к числу важнейших биогенных элементов. Он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Круговорот азота в географической оболочке осуществляется главным образом микроорганизмами – азотфиксирующими, нитрофицирующими и денитрофицирующими бактериями.
Азот в атмосфере играет также роль разбавителя кислорода, регулируя темп окисления и, следовательно, скорость и напряженность биологических процессов.
Углекислый газ (СО2) поступает в атмосферу из вулканов, в результате горения, а также как продукт дыхания животных и разложения органических соединений.
Углекислый газ играет в географической оболочке очень важную роль. Он идет на образование живого вещества. Углекислота атмосферы палеозоя законсервирована в каменноугольных отложениях карбона. Вместе с водяным паром СО2 создает так называемый «оранжерейный эффект».
Нижние, более всего загрязненные, слои воздуха содержат минеральную пыль, продукты горения, вулканическую пыль, семена, споры и пыльцу растений, а также мельчайшие частицы морской соли, попадающие в воздух при разбрызгивании морской воды прибоем, атмосферные аэрозоли. Соль и некоторые другие взвешенные частицы, например продукты горения, играют роль ядер конденсации водяного пара в воздухе.
В верхнюю атмосферу проникает космическая пыль, в т. ч. и образующаяся при сгорании метеоритов. Подсчитано, что за год на Землю падает около 1 000 т космической пыли.
Постоянный газовый состав удерживается в атмосфере до высоты 90-100 км. Эта часть атмосферы называется гомосферой (от греч. гомо – одинаковый). Выше 90-100 км происходит диссоциация (расщепление) молекул газа на атомы ультрафиолетовой и корпускулярной радиацией Солнца. Слой атмосферы, расположенный выше 100 км, называется гетеросферой (от греч. гетеро – разный).
Атмосфера состоит из следующих концентрических слоев: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. В географическую оболочку входят только тропосфера и нижняя часть стратосферы (рис.1).
Рис.1 Строение атмосферы
Нижней границей атмосферы условно считается поверхность суши и океанов, хотя и почвенный и растворенный в воде воздух взаимодействует с атмосферой.
Так как газ сжимаем, то в направлении вверх плотность воздуха постепенно уменьшается, и верхняя весьма разреженная атмосфера без четкой границы переходит в межпланетное пространство.
Тропосфера. Высота тропосферы определяется интенсивностью вертикальной конвекции – восходящих и нисходящих токов воздуха (отсюда и название тропосферы – от греч. тропос – поворот), вызванных нагреванием Земли. В экваториальных широтах конвекционные токи поднимаются до высоты 17 км, в умеренных – до 11 км, а в полярных – до 8 км. На этих высотах находится верхняя граница тропосферы. Средняя мощность тропосферы составляет примерно 11 км.
Мощность тропосферы изменяется не только с широтой, но и в зависимости от температуры воздуха при смене погод, с чем, собственно, связана интенсивность конвекции.
В тропосфере сконцентрировано примерно 80% всей массы воздуха, причем половина его сосредоточена в нижнем 5-километровом слое. Если у земной поверхности давление воздуха 1 013 мб, то близ верхней границы тропосферы оно составляет около 280 мб, т. е. уменьшается в четыре раза. Такую малую плотность воздуха могут переносить только микроорганизмы.
Влияние земной поверхности простирается до 20 км, а далее нагревание воздуха происходит непосредственно Солнцем и действует особая термодинамическая система, независимая от земной поверхности. Таким образом, принадлежность 20-километрового слоя к географической оболочке определяется как распространением живых организмов, так и тепловым воздействием земной поверхности. На этой высоте исчезают широтные различия в температуре воздуха и, следовательно, географическая зональность размывается.
Над тропосферой располагается тропопауза, представляющая собой тонкий переходный слой мощность около одного километра. Над тропопаузой находится стратосфера (от греч. стратос – слой).
Стратосфера начинается на тех высотах (8 км над полюсами и 16-18 км над экватором), за которые не распространяются конвекционные токи, хотя обмен воздухом между тропосферой и стратосферой происходит. В стратосфере содержится менее 20 % воздуха атмосферы.
Падение температур в стратосфере прекращается. В нижней стратосфере (примерно до 20 км) температура остается постоянной (около - 600 -700С). Выше, до 55 км, температура повышается до нескольких градусов выше нуля. Воздух на этой высоте нагревается непосредственно солнечными лучами. Озон поглощает солнечную радиацию, причем на ультрафиолетовом, наиболее энергичном участке спектра.
В пределах стратосферы, как ранее упоминалось, находится озоновый слой. Озоновый экран, который устанавливает предел распространению живых организмов и тепловому влиянию земной поверхности, является верхней границей биосферы и географической оболочки в целом. Стратосферу иногда справедливо называют озоносферой. В стратосфере происходит интенсивная вертикальная и горизонтальная циркуляция воздуха, вызванная неоднородным распределением в ней тепла.
Над нагретым слоем верхней атмосферы, после стратопаузы, т. е. выше 55 км, лежит мезосфера, простирающаяся до высоты 80 км. В ней температура вновь падает до – 90 0С.
На высотах от 80 до 90 км находится мезопауза с постоянной температурой – около 1800 С.
Над мезопаузой расположена термосфера, простирающаяся до 800 - 1 000 км. Температура в термосфере устойчиво повышается: на высоте 150 км до 2200 С, а на уровне 600 км до 1 5000 С.
В термосфере под действием интенсивной ультрафиолетовой радиации постоянно нарушается строение молекул и атомов газов. От электронных оболочек отрываются некоторые электроны. Поэтому термосферу называют еще и ионосферой. Максимум ионизации приурочен к высотам 300-400 км.