Переважна більшість атмосферного повітря міститься в. Які основні властивості атмосфери

склад атмосфери.Повітряна оболонка нашої планети атмосферазахищає земну поверхню від згубного на живі організми ультрафіолетового випромінювання Сонця. Захищає вона Землю і від космічних частинок - пилу та метеоритів.

Складається атмосфера з механічної суміші газів: 78% її обсягу становить азот, 21% - кисень і менше 1% - гелій, аргон, криптон та інші інертні гази. Кількість кисню та азоту у повітрі практично незмінна, тому що азот майже не вступає в сполуки з іншими речовинами, а кисень, який хоч і дуже активний і витрачається на дихання, окислення та горіння, весь час поповнюється рослинами.

До висоти приблизно 100 км відсоткове співвідношення цих газів залишається майже незмінним. Це пов'язано з тим, що повітря постійно перемішується.

Крім названих газів в атмосфері міститься близько 0,03% вуглекислого газу, який зазвичай концентрується поблизу земної поверхні та розміщується нерівномірно: у містах, промислових центрах та районах вулканічної активності його кількість зростає.

В атмосфері завжди знаходиться кілька домішок - водяної пари і пилу. Вміст водяної пари залежить від температури повітря: що вище температура, то більше вміщує повітря. Завдяки наявності у повітрі пароподібної води можливі такі атмосферні явища, як веселка, рефракція сонячних променів тощо.

Пил в атмосферу надходить під час вулканічних вивержень, піщаних та запорошених бур, при неповному згорянні палива на ТЕЦ тощо.

Будова атмосфери.Щільність атмосфери змінюється з висотою: біля Землі вона найвища, з підняттям вгору зменшується. Так, на висоті 5,5 км щільність атмосфери у 2 рази, а на висоті 11 км – у 4 рази менше, ніж у приземному шарі.

Залежно від щільності, складу та властивостей газів атмосферу поділяють на п'ять концентричних шарів (рис. 34).

Мал. 34.Вертикальний розріз атмосфери (стратифікація атмосфери)

1. Нижній шар називають тропосферою.Її верхня межа проходить на висоті 8-10 км на полюсах та 16-18 км - на екваторі. У тропосфері міститься до 80% всієї маси атмосфери і майже вся водяна пара.

Температура повітря в тропосфері з висотою знижується на 0,6 °C через кожні 100 м і біля її верхньої межі становить -45-55 °C.

Повітря у тропосфері постійно перемішується, переміщається у різних напрямках. Лише тут спостерігаються тумани, дощі, снігопади, грози, бурі та інші погодні явища.

2. Вище розташована стратосфера,яка простягається до висоти 50-55 км. Щільність повітря та тиск у стратосфері незначні. Розріджене повітря складається з тих самих газів, що і в тропосфері, але в ньому більше озону. p align="justify"> Найбільша концентрація озону спостерігається на висоті 15-30 км. Температура в стратосфері збільшується з висотою і на верхній межі її досягає 0 °C і вище. Це тим, що озон поглинає короткохвильову частину сонячної енергії, у результаті повітря нагрівається.

3. Над стратосферою лежить мезосфера,що простягається до висоти 80 км. У ній температура знову знижується та досягає -90 °C. Щільність повітря там у 200 разів менша, ніж у поверхні Землі.

4. Вище мезосфери розташовується термосфера(Від 80 до 800 км). Температура у цьому прошарку підвищується: на висоті 150 км до 220 °C; на висоті 600 км. до 1500 °C. Гази атмосфери (азот і кисень) перебувають у іонізованому стані. Під впливом короткохвильової сонячної радіації окремі електрони відриваються від оболонок атомів. В результаті в даному шарі - іоносферіз'являються шари заряджених частинок. Найбільш щільний їхній шар знаходиться на висоті 300-400 км. У зв'язку з невеликою щільністю сонячні промені там не розсіюються, тому небо чорне, на ньому яскраво світять зірки та планети.

В іоносфері виникають полярні сяйва,утворюються потужні електричні струми, які спричиняють порушення магнітного поляЗемлі.

5. Понад 800 км розташована зовнішня оболонка - екзосфера.Швидкість руху окремих частинок в екзосфері наближається до критичної – 11,2 мм/с, тому окремі частинки можуть подолати земне тяжіння та піти у світовий простір.

Значення атмосфери.Роль атмосфери у житті нашої планети винятково велика. Без неї Земля була б мертва. Атмосфера оберігає поверхню Землі від сильного нагрівання та охолодження. Її вплив можна уподібнити ролі скла у парниках: пропускати сонячні промені та перешкоджати віддачі тепла.

Атмосфера захищає живі організми від короткохвильової та корпускулярної радіації Сонця. Атмосфера – середовище, де відбуваються погодні явища, з якими пов'язана вся людська діяльність. Вивчення цієї оболонки провадиться на метеорологічних станціях. Вдень і вночі, за будь-якої погоди метеорологи ведуть спостереження за станом нижнього шару атмосфери. Чотири рази на добу, а на багатьох станціях щогодини вимірюють температуру, тиск, вологість повітря, відзначають хмарність, напрямок та швидкість вітру, кількість опадів, електричні та звукові явища в атмосфері. Метеорологічні станції розташовані всюди: в Антарктиді та у вологих тропічних лісах, на високих горахі на неосяжних просторах тундри. Ведуться спостереження і на океанах зі спеціально збудованих кораблів.

З 30-х років. XX ст. почалися спостереження у вільній атмосфері. Стали запускати радіозонди, які піднімаються на висоту 25-35 км, і за допомогою радіоапаратури передають на Землю відомості про температуру, тиск, вологість повітря та швидкість вітру. У наш час широко використовують також метеорологічні ракети та супутники. Останні мають телевізійні установки, що передають зображення земної поверхні та хмар.

| |
5. Повітряна оболонка землі§ 31. Нагрівання атмосфери

Іноді атмосферу, що товстим шаром оточує нашу планету, називають п'ятим океаном. Недарма друга назва літака – повітряне судно. Атмосфера є сумішшю різних газів, серед яких переважають азот і кисень. Саме завдяки останньому на планеті можливе життя у тій формі, до якої ми всі звикли. Крім них є ще 1% інших складових. Це інертні (не вступають у хімічні взаємодії) гази, оксид сірки, Також у п'ятому океані містяться механічні домішки: пил, попіл та ін. далі). Така вражаюча товщина утворює своєрідний щит, що не пробивається, що захищає планету від згубного космічного випромінювання і великих об'єктів.

Розрізняють такі шари атмосфери: тропосфера, за нею слідує стратосфера, далі мезосфера і, нарешті, термосфера. Наведений порядок починається біля планети. Щільні верстви атмосфери представлені першими двома. Саме вони відфільтровують значну частину згубного

Найнижчий шар атмосфери - тропосфера, що тягнеться всього на 12 км над рівнем моря (18 км у тропіках). Тут концентрується до 90% водяної пари, тому хмари формуються у ньому. Більшість повітря також зосереджена саме тут. Всі наступні шари атмосфери холодніші, оскільки близькість до поверхні дозволяє відбитим сонячним променям нагрівати повітря.

Стратосфера сягає майже 50 км від поверхні. Більшість метеозондів «плавають» у цьому шарі. Також тут можуть літати деякі види літаків. Однією з дивовижних особливостей є температурний режим: у проміжку від 25 до 40 км. починається зростання температури повітря. Від -60 вона піднімається майже до 1. Потім спостерігається невелике зниження до нуля, яке зберігається до висоти 55 км. Верхній кордон - це сумнозвісний

Далі майже до 90 км простягається мезосфера. Температура повітря різко падає. На кожних 100 метрів підйому спостерігається зниження на 0,3 градуса. Іноді її називають найхолоднішою ділянкою атмосфери. Щільність повітря низька, проте її цілком достатньо для створення опору метеорам, що падають.

Шари атмосфери у звичному розумінні закінчуються на висоті близько 118 км. Тут формуються відомі полярні сяйва. Вище починається область термосфери. Через рентгенівські і відбувається іонізація тих небагатьох молекул повітря, що містяться в цій галузі. Дані процеси створюють так звану іоносферу (вона часто входить у термосферу, тому окремо не розглядається).

Все, що знаходиться вище за 700 км, називається екзосферою. повітря вкрай незначна, тому вони вільно переміщаються, не зазнаючи опору через зіткнення. Це дозволяє окремим накопичувати енергію, що відповідає 160 градусам Цельсія, при тому, що навколишня температура низька. Молекули газів розподіляються за обсягом екзосфери відповідно до своєї маси, тому найважчі з них можуть бути виявлені тільки в нижній частині шару. Притягнення планети, що зменшується з висотою, вже не в змозі утримувати молекули, тому космічні високоенергетичні частинки і випромінювання повідомляють молекулам газів імпульс, достатній для того, щоб залишити атмосферу. Ця область є однією з найбільш тривалих: вважається, що атмосфера повністю переходить у космічний вакуум на висотах, більших за 2000 км (іноді навіть фігурує число 10000). Штучні обертаються орбітами ще в термосфері.

Усі зазначені числа є орієнтовними, оскільки межі атмосферних верств залежить від низки чинників, наприклад, від активності Сонця.

Її верхня межа знаходиться на висоті 8-10 км у полярних, 10-12 км у помірних та 16-18 км у тропічних широтах; взимку нижче, ніж улітку. Нижній основний шар атмосфери. Містить понад 80% всієї маси атмосферного повітря і близько 90% всього водяної пари, що є в атмосфері. У тропосфері сильно розвинені турбулентність та конвекція, виникають хмари, розвиваються циклони та антициклони. Температура зменшується зі зростанням висоти із середнім вертикальним градієнтом 0,65°/100 м

За «нормальні умови» біля Землі прийняті: щільність 1,2 кг/м3, барометричний тиск 101,35 кПа, температура плюс 20 °C і відносна вологість 50 %. Ці умовні показники мають суто інженерне значення.

Стратосфера

Шар атмосфери, що знаходиться на висоті від 11 до 50 км. Характерна незначна зміна температури у шарі 11-25 км (нижній шар стратосфери) та підвищення її у шарі 25-40 км від −56,5 до 0,8° (верхній шар стратосфери чи область інверсії). Досягши на висоті близько 40 км значення близько 273 К (майже 0 ° С), температура залишається постійною до висоти близько 55 км. Ця область постійної температури називається стратопаузою і є межею між стратосферою та мезосферою.

Стратопауза

Прикордонний шар атмосфери між стратосферою та мезосферою. У вертикальному розподілі температури є максимум (близько 0 °C).

Мезосфера

Мезопауза

Перехідний шар між мезосферою та термосферою. У вертикальному розподілі температури має місце мінімум (близько -90 ° С).

Лінія Карману

Висота над рівнем моря, яка умовно приймається як межа між атмосферою Землі та космосом.

Термосфера

Верхня межа – близько 800 км. Температура зростає до висот 200-300 км, де досягає значень близько 1500 К, після чого залишається майже постійною до висот. Під дією ультрафіолетової та рентгенівської сонячної радіації та космічного випромінювання відбувається іонізація повітря («полярні сяйва») – основні області іоносфери лежать усередині термосфери. На висотах понад 300 км. переважає атомарний кисень.

Екзосфера (сфера розсіювання)

До висоти 100 км атмосфера є гомогенною добре перемішаною сумішшю газів. У вищих шарах розподіл газів за висотою залежить від них молекулярних мас, Концентрація більш важких газів зменшується швидше в міру віддалення від поверхні Землі. Внаслідок зменшення щільності газів температура знижується від 0 °C у стратосфері до -110 °C у мезосфері. Однак кінетична енергія окремих частинок на висотах 200-250 км. відповідає температурі ~1500°С. Понад 200 км спостерігаються значні флуктуації температури та щільності газів у часі та просторі.

На висоті близько 2000-3000 км екзосфера поступово переходить у так званий ближньокосмічний вакуум, що заповнений сильно розрідженими частинками міжпланетного газу, головним чином атомами водню. Але цей газ є лише частиною міжпланетної речовини. Іншу частину складають пилоподібні частинки кометного та метеорного походження. Окрім надзвичайно розріджених пилоподібних частинок, у цей простір проникає електромагнітна та корпускулярна радіація сонячного та галактичного походження.

Перед тропосфери припадає близько 80 % маси атмосфери, частку стратосфери - близько 20 %; маса мезосфери - трохи більше 0,3 %, термосфери - менше 0,05 % від загальної маси атмосфери. На підставі електричних властивостей в атмосфері виділяють нейтросферу та іоносферу. В даний час вважають, що атмосфера тягнеться до висоти 2000-3000 км.

Залежно від складу газу в атмосфері виділяють гомосферуі гетеросферу. Гетеросфера- це область, де гравітація впливає поділ газів, оскільки їх перемішування такий висоті незначно. Звідси випливає змінний склад гетеросфери. Нижче лежить добре перемішана, однорідна за складом частина атмосфери, звана гомосфера . Кордон між цими шарами називається турбопаузою, вона лежить на висоті близько 120 км.

Фізичні властивості

Товщина атмосфери – приблизно 2000 – 3000 км від поверхні Землі. Сумарна маса повітря – (5,1-5,3)?10 18 кг. Молярна маса чистого сухого повітря становить 28966. Тиск при 0 ° C на рівні моря 101,325 кПа; критична температура -140,7 ° C; критичний тиск 3,7 МПа; C p 1,0048?10? Дж/(кг·К)(при 0 °C), C v 0,7159·10? Дж/(кгК) (при 0 °C). Розчинність повітря у воді при 0°С – 0,036 %, при 25°С – 0,22 %.

Фізіологічні та інші властивості атмосфери

Вже на висоті 5 км над рівнем моря у нетренованої людини з'являється кисневе голодування і без адаптації працездатність значно знижується. Тут кінчається фізіологічна зона атмосфери. Подих людини стає неможливим на висоті 15 км, хоча приблизно до 115 км атмосфера містить кисень.

Атмосфера забезпечує нас необхідним для дихання киснем. Однак унаслідок падіння загального тиску атмосфери у міру підйому на висоту відповідно знижується і парціальний тиск кисню.

У легені людини постійно міститься близько 3 л альвеолярного повітря. Парціальний тиск кисню в альвеолярному повітрі за нормального атмосферному тискускладає 110 мм рт. ст., тиск вуглекислого газу – 40 мм рт. ст., а пара води - 47 мм рт. ст. Зі збільшенням висоти тиск кисню падає, а сумарний тиск парів води та вуглекислоти в легенях залишається майже постійним - близько 87 мм рт. ст. Надходження кисню в легені повністю припиниться, коли тиск навколишнього повітря дорівнюватиме цій величині.

На висоті близько 19-20 км. тиск атмосфери знижується до 47 мм рт. ст. Тому на цій висоті починається кипіння води та міжтканинної рідини в організмі людини. Поза герметичною кабіною цих висотах смерть настає майже миттєво. Таким чином, з погляду фізіології людини, "космос" починається вже на висоті 15-19 км.

Щільні шари повітря - тропосфера і стратосфера - захищають нас від дії радіації. При достатньому розрідженні повітря, на висотах понад 36 км, інтенсивну дію на організм має іонізуюча радіація - первинні космічні промені; на висотах понад 40 км. діє небезпечна для людини ультрафіолетова частина сонячного спектру.

У міру підйому на все більшу висоту над поверхнею Землі поступово послаблюються, а потім і повністю зникають, такі звичні для нас явища, що спостерігаються в нижніх шарах атмосфери, як поширення звуку, виникнення аеродинамічної підйомної сили та опору, передача тепла конвекцією та ін.

У розріджених шарах повітря поширення звуку виявляється неможливим. До висот 60-90 км ще можливе використання опору та підйомної сили повітря для керованого аеродинамічного польоту. Але починаючи з висот 100-130 км знайомі кожному льотчику поняття числа М і звукового бар'єру втрачають свій сенс, там проходить умовна Лінія Кармана за якою починається сфера суто балістичного польоту, керувати яким можна лише використовуючи реактивні сили.

На висотах понад 100 км атмосфера позбавлена ​​й іншої чудової властивості - здатності поглинати, проводити та передавати теплову енергіюшляхом конвекції (тобто за допомогою перемішування повітря). Це означає, що різні елементи обладнання, апаратури орбітальної космічної станціїне зможуть охолоджуватися зовні так, як це робиться зазвичай літаком, - за допомогою повітряних струменів і повітряних радіаторів. На такій висоті, як і загалом у космосі, єдиним способом передачі тепла є теплове випромінювання.

Склад атмосфери

Атмосфера Землі складається в основному з газів та різних домішок (пил, краплі води, кристали льоду, морські солі, продукти горіння).

Концентрація газів, що становлять атмосферу, практично постійна, за винятком води (H 2 O) та вуглекислого газу (CO 2).

Склад сухого повітря
Газ Зміст
за обсягом, %		 Зміст
за масою, %
Азот 78,084 75,50
Кисень 20,946 23,10
Аргон 0,932 1,286
Вода 0,5-4 -
Вуглекислий газ 0,032 0,046
Неон 1,818×10 −3 1,3×10 −3
Гелій 4,6×10 −4 7,2×10 −5
Метан 1,7×10 −4 -
Криптон 1,14×10 −4 2,9×10 −4
Водень 5×10 −5 7,6×10 −5
Ксенон 8,7×10 −6 -
Закис азоту 5×10 −5 7,7×10 −5

Крім зазначених у таблиці газів, в атмосфері містяться SO 2 , NH 3 , СО, озон , вуглеводні , HCl , пари , I 2 , а також і багато інших газів у незначних кількостях. У тропосфері постійно знаходиться велика кількість завислих твердих і рідких частинок (аерозоль).

Історія освіти атмосфери

Згідно з найпоширенішою теорією, атмосфера Землі в часі перебувала в чотирьох різних складах. Спочатку вона складалася з легких газів (водню та гелію), захоплених із міжпланетного простору. Це так звана первинна атмосфера(близько чотирьох мільярдів років тому). На наступному етапі активна вулканічна діяльність призвела до насичення атмосфери та іншими газами, крім водню (вуглекислим газом, аміаком, водяною парою). Так утворилася вторинна атмосфера(Близько трьох мільярдів років до наших днів). Ця атмосфера була відновною. Далі процес утворення атмосфери визначався такими факторами:

  • витік легких газів (водню та гелію) у міжпланетний простір;
  • хімічні реакції, що відбуваються в атмосфері під впливом ультрафіолетового випромінювання, грозових розрядів та деяких інших факторів.

Поступово ці фактори призвели до утворення третинної атмосфери, що характеризується набагато меншим вмістом водню і набагато більшим - азоту та вуглекислого газу (утворені в результаті хімічних реакційз аміаку та вуглеводнів).

Азот

Утворення великої кількості N 2 обумовлено окисленням аміачно-водневої атмосфери молекулярним О 2 , який став надходити з поверхні планети в результаті фотосинтезу, починаючи з 3 млрд. років тому. Також N 2 виділяється в атмосферу в результаті денітрифікації нітратів та ін азотовмісних сполук. Азот окислюється озоном до NO у верхніх шарах атмосфери.

Азот N 2 вступає у реакції лише у специфічних умовах (наприклад, при розряді блискавки). Окислення молекулярного азоту озоном при електричних розрядах використовується у промисловому виготовленні азотних добрив. Окислювати його з малими енерговитратами та переводити в біологічно активну форму можуть ціанобактерії (синьо-зелені водорості) та бульбочкові бактерії, що формують різобіальний симбіоз з бобовими рослинами, т.з. сидератами.

Кисень

Склад атмосфери почав радикально змінюватися з появою на Землі живих організмів, внаслідок фотосинтезу, що супроводжується виділенням кисню та поглинанням вуглекислого газу. Спочатку кисень витрачався на окислення відновлених сполук - аміаку, вуглеводнів, закисної форми заліза, що містилася в океанах та ін. Після закінчення цього етапу вміст кисню в атмосфері почало зростати. Поступово утворилася сучасна атмосфера, що має окислювальні властивості. Оскільки це викликало серйозні та різкі зміни багатьох процесів, що протікають в атмосфері, літосфері та біосфері, ця подія отримала назву Киснева катастрофа.

Вуглекислий газ

Зміст в атмосфері СО 2 залежить від вулканічної діяльності та хімічних процесів у земних оболонках, але найбільше – від інтенсивності біосинтезу та розкладання органіки у біосфері Землі. Практично вся поточна біомаса планети (близько 2,4 10 12 тонн) утворюється за рахунок вуглекислоти, азоту і водяної пари, що містяться в атмосферному повітрі. Похована в океані, у болотах та в лісах органіка перетворюється на вугілля, нафту та природний газ. (Див. Геохімічний цикл вуглецю)

Шляхетні гази

Забруднення атмосфери

У останнім часомна еволюцію атмосфери стала впливати людина. Результатом його діяльності стало постійне значне зростання вмісту в атмосфері вуглекислого газу через спалювання вуглеводневого палива, накопиченого в попередніх геологічних епохах. Величезні кількості СО 2 споживаються при фотосинтезі та поглинаються світовим океаном. Цей газ надходить в атмосферу завдяки розкладанню карбонатних гірських порід та органічних речовин рослинного та тваринного походження, а також внаслідок вулканізму та виробничої діяльності людини. За останні 100 років вміст СО 2 в атмосфері зріс на 10%, причому основна частина (360 млрд тонн) надійшла від спалювання палива. Якщо темпи зростання спалювання палива збережуться, то найближчі 50 - 60 років кількість СО 2 в атмосфері подвоїться і може призвести до глобальних змін клімату.

Спалювання палива - основне джерело та забруднюючих газів (СО , , SO 2). Діоксид сірки окислюється киснем повітря до SO 3 у верхніх шарах атмосфери, який у свою чергу взаємодіє з парами води і аміаку, а сірчана кислота (Н 2 SO 4) і сульфат амонію ((NH 4) 2 SO 4), що утворюються при цьому, повертаються на поверхню Землі у вигляді т.з. кислотних дощів. Використання двигунів внутрішнього згоряння призводить до значного забруднення атмосфери оксидами азоту, вуглеводнями та сполуками свинцю (тетраетилсвинець Pb(CH 3 CH 2) 4)).

Аерозольне забруднення атмосфери обумовлено як природними причинами(виверження вулканів, пилові бурі, винесення крапель морської водиі пилку рослин та ін.), так і господарською діяльністюлюдини (видобуток руд та будівельних матеріалів, спалювання палива, виготовлення цементу тощо). Інтенсивний широкомасштабний винос твердих частинок в атмосферу – одна з можливих причинзмін клімату планети.

Література

  1. В. В. Парін, Ф. П. Космолінський, Б. А. Душков «Космічна біологія та медицина» (видання 2-ге, перероблене та доповнене), М.: «Освіта», 1975, 223 стор.
  2. Н. В. Гусакова "Хімія навколишнього середовища", Ростов-на-Дону: Фенікс, 2004, 192 з ISBN 5-222-05386-5
  3. Соколов В. А.. Геохімія природних газів, М., 1971;
  4. Маківен М., Філіпс Л.. Хімія атмосфери, М., 1978;
  5. Уорк K., Уорнер С., Забруднення повітря. Джерела та контроль, пров. з англ., М. 1980;
  6. Моніторинг фонового забруднення природного середовища. в. 1, Л., 1982.

також

Посилання

Атмосфера Землі

Атмосфера – це повітряна оболонка Землі. Що простягається вгору на 3000 км від земної поверхні. Її сліди простежуються до висоти до 10000 км. А. має нерівномірну щільність 50 5 її маси зосереджені до 5 км, 75% - до 10 км, 90% до 16 км.

Атмосфера складається з повітря – механічної суміші кількох газів.

Азот(78%) в атмосфері відіграє роль розріджувача кисню, регулюючи темп окислення, а отже швидкість і напруженість біологічних процесів. Азот – головний елемент земної атмосфери, який безперервно обмінюється із живою речовиною біосфери, причому складовими частинамиостаннього служать сполуки азоту (амінокислоти, пурини та інших.). Вилучення азоту з атмосфери відбувається неорганічним та біохімічним шляхами, хоча вони тісно взаємопов'язані. Неорганічне вилучення пов'язані з утворенням його сполук N 2 O, N 2 O 5 , NO 2 , NH 3 . Вони перебувають у атмосферних опадах і утворюються у атмосфері під впливом електричних розрядів під час гроз чи фотохімічних реакцій під впливом сонячної радіації.

Біологічне зв'язування азоту здійснюється деякими бактеріями у симбіозі з вищими рослинами у ґрунтах. Азот також фіксується деякими мікроорганізмами планктону та водоростями у морському середовищі. У кількісному відношенні біологічне зв'язування азоту перевищує його неорганічну фіксацію. Обмін всього азоту атмосфери відбувається приблизно 10 млн. років. Азот міститься в газах вулканічного походження та у вивержених гірських породах. При нагріванні різних зразків кристалічних порід та метеоритів азот звільняється у вигляді молекул N 2 та NH 3 . Однак головною формою присутності азоту як на Землі, так і на планетах земної групи є молекулярна. Аміак, потрапляючи до верхніх шарів атмосфери, швидко окислюється, вивільняючи азот. В осадових гірських породах він захоронюється разом з органічною речовиною і перебуває у підвищеній кількості бітумінозних відкладеннях. У процесі регіонального метаморфізму цих порід азот у різній формі виділяється в атмосферу Землі.

Геохімічний кругообіг азоту (

Кисень(21%) використовується живими організмами для дихання, входить до складу органічної речовини (білки, жири, вуглеводи). Озон О 3 . затримує згубну життя ультрафіолетову радіацію Сонця.

Кисень – другий за поширенням газ атмосфери, що грає винятково важливу роль у багатьох процесах біосфери. Панівною формою існування є Про 2 . У верхніх шарах атмосфери під впливом ультрафіолетової радіації відбувається дисоціація молекул кисню, а на висоті приблизно 200 км відношення атомарного кисню до молекулярного (О: Про 2) стає рівним 10. При взаємодії цих форм кисню в атмосфері (на висоті 20-30 км) озоновий пояс (озоновий екран). Озон (О 3) необхідний живим організмам, затримуючи згубну їм більшу частинуультрафіолетової радіації Сонця.

На ранніх етапах розвитку Землі вільний кисень виникав у дуже малих кількостях внаслідок фотодисоціації молекул вуглекислого газу та води у верхніх шарах атмосфери. Однак ці малі кількості швидко витрачалися на окислення інших газів. З появою в океані автотрофних фотосинтезуючих організмів становище суттєво змінилося. Кількість вільного кисню у атмосфері стало прогресивно зростати, активно окислюючи багато компонентів біосфери. Так, перші порції вільного кисню сприяли насамперед переходу закисних форм заліза в окисні, а сульфідів у сульфати.

Зрештою кількість вільного кисню в атмосфері Землі досягла певної маси і виявилася збалансованою таким чином, що кількість виробленого дорівнювала кількості поглинається. У атмосфері встановилося відносне сталість вмісту вільного кисню.

Геохімічний кругообіг кисню (В.А. Вронський, Г.В. Войткевич)

Вуглекислий газ, йде на освіту живої речовини, а разом із водяною парою створює так званий «оранжерейний (парниковий) ефект».

Вуглець (вуглекислота) - його більша частина в атмосфері знаходиться у вигляді 2 і значно менша у формі СН 4 . Значення геохімічної історії вуглецю в біосфері винятково велике, оскільки він входить до складу всіх живих організмів. У межах живих організмів переважають відновлені форми знаходження вуглецю, а в навколишньому середовищібіосфери – окислені. Таким чином, встановлюється хімічний обмін життєвого циклу: СО 2 ↔ жива речовина.

Джерелом первинної вуглекислоти в біосфері є вулканічна діяльність, пов'язана із віковою дегазацією мантії та нижніх горизонтів земної кори. Частина цієї вуглекислоти виникає при термічному розкладі стародавніх вапняків у різних зонах метаморфізму. Міграція 2 в біосфері протікає двома способами.

Перший спосіб виявляється у поглинанні СО 2 у процесі фотосинтезу з утворенням органічних речовин і в подальшому похованні у сприятливих відновлювальних умовах у літосфері у вигляді торфу, вугілля, нафти, горючих сланців. За другим способом міграція вуглецю призводить до створення карбонатної системи в гідросфері, де 2 переходить в Н 2 3 , НСО 3 -1 , 3 -2 . Потім за участю кальцію (рідше магнію та заліза) відбувається осадження карбонатів біогенним та абіогенним шляхом. Виникають потужні товщі вапняків та доломітів. За оцінкою А.Б. Ронова, співвідношення органічного вуглецю (С орг) до карбонатного вуглецю (С карб) в історії біосфери становило 1:4.

Поряд із глобальним кругообігом вуглецю існує ще ряд його малих кругообігів. Так, на суші зелені рослини поглинають СО 2 для процесу фотосинтезу денний час, а нічне – виділяють їх у атмосферу. З смертю живих організмів на земної поверхні відбувається окислення органічних речовин (з участю мікроорганізмів) із СО 2 в атмосферу. В останні десятиліття особливе місце у кругообігу вуглецю займає масове спалювання викопного палива та зростання його вмісту в сучасній атмосфері.

Кругообіг вуглецю в географічній оболонці(Ф. Рамаду, 1981)

Аргон- третій за розповсюдженням атмосферний газ, що різко відрізняє його від вкрай мізерно поширених інших інертних газів. Проте аргон у своїй геологічній історії поділяє долю цих газів, котрим характерні дві особливості:

  1. незворотність їхнього накопичення в атмосфері;
  2. тісний зв'язок із радіоактивним розпадом певних нестійких ізотопів.

Інертні гази знаходяться поза кругообігом більшості циклічних елементів у біосфері Землі.

Усі інертні гази можна поділити на первинні та радіогенні. До первинних відносяться ті, які були захоплені Землею під час її утворення. Вони поширені дуже рідко. Первинна частина аргону представлена ​​переважно ізотопами 36 Ar і 38 Ar, тоді як атмосферний аргон складається повністю з ізотопу 40 Ar (99,6%), який, безперечно, є радіогенним. У калійвмісних породах відбувалося і відбувається накопичення радіогенного аргону за рахунок розпаду калію-40 шляхом електронного захоплення: 40 К + е → 40 Аr.

Тому вміст аргону в гірських породах визначається їх віком та кількістю калію. Такою мірою концентрація гелію в породах служить функцією їхнього віку та вмісту торію та урану. Аргон і гелій виділяються в атмосферу із земних надр під час вулканічних вивержень, по тріщинах земної кориу вигляді газових струменів, а також при вивітрюванні гірських порід. Згідно з розрахунками, виконаними П. Даймоном і Дж. Калпом, гелій і аргон в сучасну епоху накопичуються в земній корі і порівняно малих кількостях надходять в атмосферу. Швидкість надходження цих радіогенних газів настільки мала, що не могла протягом геологічної історії Землі забезпечити спостережуваний вміст їх у сучасній атмосфері. Тому залишається припустити, що більша частина аргону атмосфери надійшла з надр Землі на ранніх етапах її розвитку і значно менша додалася згодом у процесі вулканізму і при вивітрюванні гірських порід, що містять калій.

Таким чином, протягом геологічного часу гелій і аргон мали різні процеси міграції. Гелія в атмосфері дуже мало (близько 5*10 -4 %), причому «гелієве дихання» Землі було полегшеним, оскільки він, як найлегший газ, випаровувався в космічний простір. А «аргонове дихання» – важким і аргон залишався в межах нашої планети. Більшість первинних інертних газів, як неон і ксенон, пов'язані з первинним неоном, захопленим Землею під час її утворення, і навіть із виділенням при дегазації мантії у повітря. Вся сукупність даних з геохімії шляхетних газів свідчить про те, що первинна атмосфера Землі виникла на самих ранніх стадіяхсвого розвитку.

В атмосфері міститься і водяна параі водау рідкому та твердому стані. Вода в атмосфері є важливим акумулятором тепла.

У нижніх шарах атмосфери міститься велика кількість мінерального та техногенного пилу та аерозолів, продуктів горіння, солей, спор та пилку рослин тощо.

До висоти 100-120 км, внаслідок повного перемішування повітря склад атмосфери однорідний. Співвідношення між азотом та киснем постійно. Вище переважають інертні гази, водень та ін. У нижніх шарах атмосфери знаходиться водяна пара. З віддаленням від землі утримання його падає. Вище співвідношення газів змінюється, наприклад, на висоті 200- 800 км, кисень переважає над азотом в 10-100 разів.

Атмосфера(Від грец. Atmos - пар і spharia - куля) - повітряна оболонка Землі, що обертається разом з нею. Розвиток атмосфери був із геологічними і геохімічними процесами, які протікають нашій планеті, і навіть із діяльністю живих організмів.

Нижня межа атмосфери збігається з поверхнею Землі, тому що повітря проникає в дрібні пори в грунті і розчинене навіть у воді.

Верхня межа на висоті 2000-3000 км поступово перетворюється на космічний простір.

Завдяки атмосфері, в якій міститься кисень, можливе життя на Землі. Атмосферний кисень використовують у процесі дихання людини, тваринами, рослинами.

Якби не було атмосфери, на Землі була б така сама тиша, як на Місяці. Адже звук – це коливання частинок повітря. Блакитний колір піднебіння пояснюється тим, що сонячні промені, проходячи крізь атмосферу, як через лінзу, розкладаються на складові кольору. При цьому розсіюються найбільше промені блакитного та синього кольорів.

Атмосфера затримує більшу частину ультрафіолетового випромінювання Сонця, яке згубно діє живі організми. Також вона утримує біля Землі тепло, не даючи нашій планеті охолоджуватися.

Будова атмосфери

В атмосфері можна виділити кілька шарів, що розрізняються по щільності (рис. 1).

Тропосфера

Тропосфера- Найнижчий шар атмосфери, товщина якого над полюсами становить 8-10 км, в помірних широтах - 10-12 км, а над екватором - 16-18 км.

Мал. 1. Будова атмосфери Землі

Повітря у тропосфері нагрівається від земної поверхні, тобто від суші та води. Тому температура повітря в цьому шарі з висотою знижується в середньому на 0,6 ° С на кожні 100 м. У верхній межі тропосфери вона сягає -55 °С. При цьому в районі екватора на верхньому кордоні тропосфери температура повітря становить -70 °С, а в районі Північного полюса-65 °С.

У тропосфері зосереджено близько 80 % маси атмосфери, знаходиться майже вся водяна пара, виникають грози, бурі, хмари та опади, а також відбувається вертикальне (конвекція) та горизонтальне (вітер) переміщення повітря.

Можна сміливо сказати, що погода переважно формується в тропосфері.

Стратосфера

Стратосфера- Шар атмосфери, розташований над тропосферою на висоті від 8 до 50 км. Колір піднебіння у цьому шарі здається фіолетовим, що пояснюється розрідженістю повітря, через яку сонячні промені майже не розсіюються.

У стратосфері зосереджено 20% маси атмосфери. Повітря в цьому шарі розріджене, практично немає водяної пари, а тому майже не утворюються хмари та опади. Однак у стратосфері спостерігаються стійкі повітряні течії, швидкість яких сягає 300 км/год.

У цьому шарі зосереджений озон(Озоновий екран, озоносфера), шар, який поглинає ультрафіолетові промені, не пропускаючи їх до Землі і тим самим захищаючи живі організми на нашій планеті. Завдяки озону, температура повітря на верхньому кордоні стратосфери знаходиться в межах від -50 до 4-55 °С.

Між мезосферою та стратосферою розташована перехідна зона – стратопауза.

Мезосфера

Мезосфера- Шар атмосфери, розташований на висоті 50-80 км. Щільність повітря тут у 200 разів менша, ніж у поверхні Землі. Колір піднебіння у мезосфері здається чорним, протягом дня видно зірки. Температура повітря знижується до -75(-90)°С.

На висоті 80 км. починається термосфери.Температура повітря у цьому шарі різко підвищується до висоти 250 м, а потім стає постійною: на висоті 150 км вона досягає 220-240 ° С; на висоті 500-600 км. перевищує 1500 °С.

У мезосфері та термосфері під дією космічних променів молекули газів розпадаються на заряджені (іонізовані) частинки атомів, тому ця частина атмосфери отримала назву іоносфера- Шар дуже розрідженого повітря, розташований на висоті від 50 до 1000 км, що складається в основному з іонізованих атомів кисню, молекул окису азоту і вільних електронів. Для цього шару характерна висока наелектризованість, і від нього, як від дзеркала, відбиваються довгі та середні радіохвилі.

В іоносфері виникають полярні сяйва - світіння розріджених газів під впливом електрично заряджених частинок, що летять від Сонця, і спостерігаються різкі коливання магнітного поля.

Екзосфера

Екзосфера- Зовнішній шар атмосфери, розташований вище 1000 км. Цей шар ще називають сферою розсіювання, тому що частинки газів рухаються тут з великою швидкістю і можуть розсіюватись у космічний простір.

Склад атмосфери

Атмосфера - це суміш газів, що складається з азоту (78,08%), кисню (20,95%), вуглекислого газу (0,03%), аргону (0,93%), невеликої кількості гелію, неону, ксенону, криптону (0,01%), озону та інших газів, але їх вміст мізерний (табл. 1). Сучасний склад повітря Землі встановився понад сотню мільйонів років тому, проте різко зросла виробнича діяльністьлюдини все ж таки призвела до її зміни. В даний час відзначається збільшення вмісту 2 приблизно на 10-12%.

Гази, що входять до складу атмосфери, виконують різні функціональні ролі. Однак основне значення цих газів визначається насамперед тим, що вони дуже поглинають променисту енергію і тим самим істотно впливають на температурний режим поверхні Землі та атмосфери.

Таблиця 1. Хімічний складсухого атмосферного повітря біля земної поверхні

Об'ємна концентрація. %

Молекулярна маса, од.

Кисень

Вуглекислий газ

Закис азоту

від 0 до 0,00001

Двоокис сірки

від 0 до 0,000007 влітку;

від 0 до 0,000002 взимку

Від 0 ло 0,000002

46,0055/17,03061

Двоокис азога

Окис вуглецю

Азот,найпоширеніший газ у атмосфері, хімічно мало активний.

Кисень, на відміну азоту, хімічно дуже активний елемент. Специфічна функція кисню – окислення органічної речовини гетеротрофних організмів, гірських порід та недоокислених газів, що викидаються в атмосферу вулканами. Без кисню не було б розкладання мертвої органічної речовини.

Роль вуглекислого газу атмосфері винятково велика. Він надходить в атмосферу в результаті процесів горіння, дихання живих організмів, гниття і є насамперед основним будівельним матеріалом для створення органічної речовини при фотосинтезі. Крім цього, величезне значення має властивість вуглекислого газу пропускати короткохвильову сонячну радіацію та поглинати частину теплового довгохвильового випромінювання, що створить так званий парниковий ефект, Про який мова піде нижче.

Вплив на атмосферні процеси, особливо на тепловий режим стратосфери, чинить і озон.Цей газ є природним поглиначем ультрафіолетового випромінювання Сонця, а поглинання сонячної радіації веде до нагрівання повітря. Середні місячні значення загального вмісту озону в атмосфері змінюються в залежності від широти місцевості та пори року в межах 0,23-0,52 см (така товщина шару озону при наземному тиску та температурі). Спостерігається збільшення вмісту озону від екватора до полюсів та річний хід з мінімумом восени та максимумом навесні.

Характерною властивістю атмосфери можна назвати те, що вміст основних газів (азоту, кисню, аргону) з висотою змінюється незначно: на висоті 65 км в атмосфері вміст азоту - 86%, кисню - 19, аргону - 0,91, на висоті 95 км - азоту 77, кисню - 21,3, аргону - 0,82%. Постійність складу атмосферного повітря по вертикалі та горизонталі підтримується його перемішуванням.

Крім газів, у повітрі містяться водяна параі Тверді частки.Останні можуть мати як природне, і штучне (антропогенне) походження. Це квітковий пилок, крихітні кристали солі, дорожній пил, аерозольні домішки. Коли у вікно проникають сонячні промені, їх можна побачити неозброєним оком.

Особливо багато твердих частинок повітря міст і великих промислових центрів, де до аерозолям додаються викиди шкідливих газів, їх домішок, що утворюються при спалюванні палива.

Концентрація аерозолів в атмосфері визначає прозорість повітря, що позначається на сонячній радіації, що досягає Землі. Найбільші аерозолі - ядра конденсації (від лат. condensatio- Ущільнення, згущення) - сприяють перетворенню водяної пари на водяні краплі.

Значення водяної пари визначається насамперед тим, що він затримує довгохвильове теплове випромінювання земної поверхні; представляє основну ланку великих і малих кругообігів вологи; підвищує температуру повітря під час конденсації водяних нарів.

Кількість водяної пари в атмосфері змінюється у часі та просторі. Так, концентрація водяної пари біля земної поверхні коливається від 3 % у тропіках до 2-10 (15) % в Антарктиді.

Середній вміст водяної пари у вертикальному стовпі атмосфери в помірних широтах становить близько 1,6-1,7 см (таку товщину матиме шар сконденсованої водяної пари). Відомості щодо водяної пари у різних шарах атмосфери суперечливі. Передбачалося, наприклад, що в діапазоні висот від 20 до 30 км. питома вологість сильно збільшується з висотою. Однак наступні виміри вказують на велику сухість стратосфери. Очевидно, питома вологість у стратосфері залежить від висоти і становить 2-4 мг/кг.

Мінливість вмісту водяної пари в тропосфері визначається взаємодією процесів випаровування, конденсації та горизонтального перенесення. В результаті конденсації водяної пари утворюються хмари та випадають атмосферні опадиу вигляді дощу, граду та снігу.

Процеси фазових переходів води протікають переважно в тропосфері, саме тому хмари в стратосфері (на висотах 20-30 км) і мезосфері (поблизу мезопаузи), що отримали назву перламутрових і сріблястих, спостерігаються порівняно рідко, тоді як тропосферні хмари нерідко закривають. поверхні.

Кількість водяної пари, яка може бути в повітрі, залежить від температури повітря.

В 1 м 3 повітря при температурі -20 ° С може бути не більше 1 г води; при 0 ° С - не більше 5 г; при +10 ° С - не більше 9 г; при +30 ° С - не більше 30 г води.

Висновок:Чим вище температура повітря, тим більше водяної пари може в ній утримуватися.

Повітря може бути насиченимі не насиченимводяною парою. Так, якщо при температурі +30 °С в 1 м 3 повітря міститься 15 г водяної пари, повітря не насичене водяною парою; якщо ж 30 г - насичений.

Абсолютна вологість- Це кількість водяної пари, що міститься в 1 м 3 повітря. Воно виявляється у грамах. Наприклад, якщо кажуть «абсолютна вологість дорівнює 15», це означає, що у 1 м Л міститься 15 р водяної пари.

Відносна вологість повітря— це відношення (у відсотках) фактичного вмісту водяної пари в 1 м 3 повітря до кількості водяної пари, яка може утримуватися в 1 м Л при даній температурі. Наприклад, якщо радіо під час передачі зведення погоди повідомили, що відносна вологість дорівнює 70 %, це означає, що повітря містить 70 % тієї водяної пари, яку він може вмістити при даній температурі.

Чим більша відносна вологість повітря, т. с. що ближче повітря до стану насичення, то ймовірніше випадання опадів.

Завжди висока (до 90%) відносна вологість повітря спостерігається в екваторіальній зоні, тому що там протягом усього року тримається висока температураповітря та відбувається велике випаровуванняз поверхні океанів. Така ж висока відносна вологість і в полярних районах, але вже тому, що при низьких температурах навіть невелика кількість водяної пари робить повітря насиченим або близьким до насичення. У помірних широтах відносна вологість змінюється за сезонами - взимку вона вище, влітку - нижче.

Особливо низька відносна вологість повітря в пустелях: 1 м 1 повітря там містить у два-три рази менше за можливу при даній температурі кількість водяної пари.

Для виміру відносної вологостікористуються гігрометром (від грец. Hygros - вологий і metroco - вимірюваю).

При охолодженні насичене повітря не може утримати в собі колишньої кількості водяної пари, воно згущується (конденсується), перетворюючись на крапельки туману. Туман можна спостерігати влітку у прохолодну ніч.

Хмари- це той самий туман, тільки утворюється він не біля земної поверхні, а на деякій висоті. Піднімаючись вгору, повітря охолоджується, і водяна пара, що знаходиться в ньому, конденсується. Дрібні крапельки води, що утворилися, і складають хмари.

В освіті хмар беруть участь і тверді частки, що перебувають у тропосфері у зваженому стані.

Хмари можуть мати різну форму, яка залежить від умов утворення (табл. 14).

Найнижчі та найважчі хмари — шаруваті. Вони знаходяться на висоті 2 км від земної поверхні. На висоті від 2 до 8 км можна спостерігати більш мальовничі купові хмари. Найвищі та найлегші — перисті хмари. Вони знаходяться на висоті від 8 до 18 км над земною поверхнею.

Сімейства

Пологи хмар

Зовнішній вигляд

А. Хмари верхнього ярусу - понад 6 км

I. Перисті

Ниткоподібні, волокнисті, білі

ІІ. Перисто-купчасті

Шари та гряди з дрібних пластівців та завитків, білі

ІІІ. Перисто-шаруваті

Прозора біла вуаль

Б. Хмари середнього ярусу - понад 2 км

IV. Високо-купчасті

Пласти та гряди білого та сірого кольору

V. Високошарові

Рівна пелена молочно-сірого кольору

В. Хмари нижнього ярусу – до 2 км

VI. Шарувато-дощові

Суцільний безформний сірий шар

VII. Шарува-купчасті

Непрозорі шари та гряди сірого кольору

VIII. Шаруваті

Непрозора пелена сірого кольору

Г. Хмари вертикального розвитку – від нижнього до верхнього ярусу

IX. Купчасті

Клуби та бані яскраво-білого кольору, при вітрі з розірваними краями

X. Купово-дощові

Потужні маси темно-свинцевого кольору.

Охорона атмосфери

Головним джерелом є промислові підприємства та автомобілі. У великих містах проблема загазованості головних транспортних магістралей дуже гостро стоїть. Саме тому у багатьох великих містахсвіту, у тому числі й у нашій країні, запроваджено екологічний контроль токсичності вихлопних газів автомобілів. За даними фахівців, задимленість і запиленість повітря може наполовину скоротити надходження сонячної енергії до земної поверхні, що призведе до зміни природних умов.



 

Можливо, буде корисно почитати: