1.1. Атмосфера

Атмосфера (от греч. atmos - пар и sphaira - шар) - это газовая оболочка, окружающая Землю и состоящая из смеси различных га­зов, водяных паров и пыли. Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землёй как единое целое.

Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с Кос­мосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный матери­ал, теряет самые легкие газы: водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, определяющей тепловой режим поверхности планеты, вызывающей диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов.

Масса атмосферы составляет около 5,15 ∙10¹⁵ т или 9 ∙10⁵ % от массы Земли. Около 90 % массы всей атмосферы сосредоточено в слое до 16 км, выше 100 км находится одна миллионная часть всей массы атмосферы. Воздушная оболочка, защищающая жизнь на на­шей планете от влияния космоса, имеет толщину в 1,5 тыс. км, или около 1/4 радиуса Земли.

Атмосфера обеспечивает возможность жизни на Земле и ока­зывает большое влияние на разные стороны жизни человечества. Атмосфера задерживает большую часть уль­трафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на многие организмы. Атмосферный кислород используется в процес­се дыхания животными и растениями, атмосферная углекислота - в процессе питания растений. Формирование современной кислород­ной атмосферы почти целиком связано с процессами фотосинтеза континентальных, океанических и морских растений.

Климатические факторы, в особенности температура и влажность, влияют на состояние здоровья и на деятельность человека. Особенно сильно зависит от климатических условий сельское хозяйство. В свою очередь, деятельность человека оказывает всё возрастающее влияние на состав атмосферы и на климатический режим.

Структурные параметры атмосферы (температура, давление, плотность) обладают значительной пространственно-временной измен­чивостью. Многочисленные наблюдения показывают, что атмосфера име­ет четко выраженное слоистое строение. Самый близкий к поверх­ности Земли слой называется тропосферой. Высота тропосферы изменяется от 8-10 км в полярных широтах до 16-18 км у экватора. В тропосфере температура убывает с увеличением высоты в среднем на 0,6°С каждые 100 м по вертикали.

Выше тропосферы расположен слой толщиной около 40 км, который называется стратосферой. За стратосферой, на высоте бо­лее 50 км, находится мезосфера, выше которой располагается тер­мосфера, не имеющая определенной верхней границы.

Обычно все слои атмосферы, находящиеся выше тропосфе­ры, называются верхними, хотя иногда к нижним слоям атмосферы относят также стратосферу или её нижнюю часть.

Химический состав тропосферы и стратосферы определяет среднюю температуру на поверхности Земли и, следовательно, тип климата конкретной местности. В регуляции температуры в тропо­сфере ключевую роль играют диоксид углерода, водяной пар, а так­же содержащиеся в незначительных количествах озон, метан, окси­ды азота и хлорфторуглероды. Это так называемые парниковые газы. Они пропускают видимую часть спектра солнечного излучения, но препятствуют возвращению определенной части инфракрасного теп­лового излучения в космическое пространство. В результате накоп­ления тепла происходит повышение температуры воздуха в тропосфе­ре, что обусловливает парниковый эффект и влияет на климат Земли.

Химический состав атмосферы неоднороден по высоте. На высотах до 90 км, где существует интенсивное перемешивание ат­мосферы, относительный состав постоянных компонентов атмосфе­ры остаётся практически неизменным. Поэтому вся эта толща ат­мосферы получила название гомосферы. Выше 90 км под влиянием диссоциации молекул атмосферных газов ультрафиолетовым излу­чением Солнца происходит сильное изменение химического соста­ва атмосферы с высотой.

Современная земная атмосфера состоит преимущественно из азота и кислорода (табл.1). Около 3-3,5 млрд. лет назад атмосфера Земли содержала азот, аммиак, водород, метан и водяной пар, а сво­бодный кислород в ней отсутствовал. С течением времени за счет абиотических процессов в атмосфере планеты стал накапливаться кислород, началось формирование озонового слоя.

Таблица 1 Ориентировочный газовый состав атмосферы Земли

Газ	Содержание, об. %	Газ	Содержание, об. %
Азот	78,084	Криптон	1,14 ∙10-4
Кислород	20,95	Метан	1,4 ∙10-5
Аргон	0,934	Водород	5,0 ∙10-6
Диоксид углерода	0,034	Ксенон	8,0 ∙10-5
Неон	0,0018	Оксиды азота	5,0 ∙10-5
Гелий	5,24 ∙10 -4
Пары воды	от 0,2 до 2,6	Озон	1,0∙10-6

Качественный и количественный состав атмосферы оказыва­ет значительное влияние на биоту. Например, азот участвует в обра­зовании белковых структур организмов, а концентрации кислорода и углекислого газа являются лимитирующими для многих высших растений. У многих растений эффективность фотосинтеза повыша­ется при увеличении концентрации углекислого газа и снижении кон­центрации кислорода.

В результате техногенной деятельности человека, нерациональ­ной вырубки лесов Сибири и Южной Америки, загрязнения Миро­вого океана, наблюдается изменение атмосферы. За последние 100 лет количество кислорода уменьшилось на 0,01-0,02%. Его ис­пользовано столько же, сколько за последний миллион лет. Ежегод­но количество кислорода уменьшается на 10 млрд. тонн.

Атмосфера постоянно пополняется газами биохимического происхождения, образующимися при разложении микроорганизма­ми продуктов растительного и животного происхождения: метан и другие углеводороды, углекислый газ, азот, сероводород, водород, кислород. Под воздействием на горные породы высоких температур и давлений в атмосферу поступают газы химического происхожде­ния. В их составе могут быть хлороводород, фтороводород, аммиак, сернистый ангидрид, а также продукты вулканического происхож­дения и, наконец, газообразные продукты радиоактивного распада (гелий, аргон, криптон, ксенон, радон).

Наиболее важная переменная составная часть атмосферы - во­дяной пар. Основная масса водяного пара сосредоточена в тропосфере, поскольку его концентрация быстро убывает с высотой. В результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают атмосфер­ные осадки в виде дождя, града и снега. Процессы фазовых переходов воды протекают преимущественно в тропосфере. Тропосферные обла­ка обычно закрывают около 50% всей земной поверхности.

Влияние на атмосферные процессы, особенно на тепловой режим стратосферы, оказывает озон. Он в основном сосредоточен в стратосфере, где обеспечивает поглощение солнечной ультрафиоле­товой радиации, являющейся главным фактором нагревания возду­ха в стратосфере на высоте более 30 км. Озон поглощает также до 20% инфракрасного излучения и вносит свой вклад в создание пар­никового эффекта на планете.

Практически единственным источником озона в атмосфере является фотодиссоциация молекулярного кислорода на атомы с по­следующим быстрым присоединением атома к молекуле кислорода с образованием атомов кислорода и молекулы озона.

О₂ + hv О∙ + Оλ < 242 нм;

О∙ + О₂ О₃

Молекулы озона очень неустойчивы, хотя постоянно образу­ются под действием солнечного излучения в диапазонах 135-176 нм и 240-260 нм. Разрушение озона связано с реакциями, которые под­держивают динамическое равновесие образования и распада озона в естественных условиях:

О₃ + О∙ О₂ + О₂ или О₃ О₂ + О∙

Средняя толщина озонового слоя колеблется в зависимости от широты и времени года в пределах 0,23-0,52 см. Наблюдается увели­чение содержания озона от экватора к полюсу и годовой ход с мини­мумом осенью и максимумом весной.

Верхняя часть тропосферы состоит главным образом из ато­марного кислорода и азота. На высоте 500 км молекулярный кисло­род практически отсутствует, но молекулярный азот, относительная концентрация которого сильно уменьшается, всё ещё доминирует над атомарным. Выше 600 км преобладающим компонентом становится гелий, а ещё выше, на высотах от 2 до 20 тыс. км, простирается водородная корона Земли. На этих высотах Земля окружена оболочкой из заряженных частиц, температура которых достигает нескольких десятков тысяч градусов.

Для верхних слоев атмосферы характерно существование сильных ветров, скорость которых достигает 100-200 м/сек. Скорость и направление ветра в пределах тропосферы и мезосферы термосфе­ры обладают большой пространственно-временной изменчивостью.

Практически единственным источником энергии для всех физических процессов, развивающихся в атмосфере, является солнеч­ная радиация. Главная особенность радиационного режима атмосферы - так называемый парниковый эффект: атмосфера слабо поглощает солнечную коротковолновую радиацию (большая её часть достигает земной поверхности), но задерживает длинноволновое (целиком инфракрасное) тепловое излучение земной поверхности, что значительно уменьшает теплоотдачу Земли в космическое пространство и повышает её температуру. Атмосфера дозирует поступ­ление на поверхность Земли солнечной энергии. При отсутствии атмосферы поверхность Земли нагревалась бы до +100°С днем и охлаждалась до -100°С ночью. Неравномерность нагревания атмосферы способствует развитию системы воздушных крупномасштабных течений (общей циркуляции атмосферы), в результате чего различия в нагревании ат­мосферного воздуха в отдельных районах заметно сглаживаются. Наряду с этим общая циркуляция осуществляет влагооборот в ат­мосфере, в ходе которого водяной пар переносится с океанов на сушу и происходит увлажнение континентов. Перемещение воздушных масс влияет не только на физико-химические свойства самого возду­ха, но и на интенсивность теплообмена, изменение влажности, дав­ления, химического состава воздуха, снижая или увеличивая при этом количество загрязнений.