2. 2. Физика и химия атмосферы и ее загрязнителей

2.1 Общие сведения об атмосфере

Атмосфера — газообразная оболочка планеты, состоящая из смеси различных газов, водных паров и пыли. 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. Нижний, наиболее плотный слой воздуха — тропосфера. В зависимости от широты Земли ее высота 10—15 км. Здесь содержится 80 % массы атмосферы и до 80% водяного пара, развиваются физические процессы, формирующие погоду и влияющие на климат различных районов нашей планеты. Над тропосферой до высоты 40 км расположена стратосфера. В ней находится озоновый слой, поглощающий большую часть ультрафиолетовой радиации и предохраняющий жизнь на Земле. Выше находится ионосфера, которая обладает повышенной ионизацией молекул газа. Этот слой высотой до 1300 км также оберегает все живое от вредного воздействия космической радиации, влияет на отражение и поглощение радиоволн. Далее до 10 000 км простирается экзосфера, где плотность воздуха с увеличением высоты убывает, приближаясь к разреженности вещества в максимальном пространстве.

Нижний, наиболее плотный слой воздуха — тропосфера. В зависимости от широты Земли ее высота 10—15 км. Здесь содержится 80 % массы атмосферы и до 80% водяного пара, развиваются физические процессы, формирующие погоду и влияющие на климат различных районов нашей планеты. Над тропосферой до высоты 40 км расположена стратосфера. В ней находится озоновый слой, поглощающий большую часть ультрафиолетовой радиации и предохраняющий жизнь на Земле. Выше находится ионосфера, которая обладает повышенной ионизацией молекул газа. Этот слой высотой до 1300 км также оберегает все живое от вредного воздействия космической радиации, влияет на отражение и поглощение радиоволн. Далее до 10 000 км простирается экзосфера, где плотность воздуха с увеличением высоты убывает, приближаясь к разреженности вещества в максимальном пространстве.

Физические процессы, происходящие в атмосфере, необычайно сложны, и многое в ее поведении остается тайной. Одной из причин того, что мы недостаточно знаем свойства атмосферы, являются ее размеры. Если химики и физики имеют дело с материалами, которые можно изучать в лабораторных условиях, то метеоролог вынужден исследовать всю атмосферу в целом — обширный газовый океан

Другая трудность состоит в необычайной изменчивости поведения атмосферы: не бывает двух дней, месяцев, лет или веков, в которых погодные условия были бы одинаковыми.

Процессы в атмосфере необычайно сложны, но ее химический состав сравнительно прост. Это смесь двух типов газов: постоянные, среди которых азот и кислород составляют 99%, а другие газы 1%, и переменных, из которых одни образуются естественным путем, а другие являются результатом особых местных условий. Наиболее важными из переменных газов являются озон и водяной пар. До высоты примерно 65 километров, относительное содержание других переменных газов в воздухе остается более или менее постоянным. Распределение же озона и водяного пара зависит от времени года, географической широты, высоты и многих других условий.

Атмосфера имеет четко выраженное слоистое строение (см. рис.4 ).

Рисунок 4 - Схема строения атмосферы:

1 — уровень моря; 2 — высшая точка Земли — г. Джомолунгма (Эверест), 8848 м ; 3 — кучевые облака хорошей погоды; 4 — мощно-кучевые облака; 5 — ливневые (грозовые) облака; 6 — слоисто-дождевые облака; 7 — перистые облака; 8 — самолёт; 9 — слой максимальной концентрации озона; 10 — перламутровые облака; 11 — стратостат; 12 — радиозонд; 1З — метеоры; 14 — серебристые облака; 15 — полярные сияния; 16 — американский самолёт-ракета Х-15; 17, 18, 19 — радиоволны, отражающиеся от ионизованных слоев и возвращающиеся на Землю; 20 — звуковая волна, отражающаяся от тёплого слоя и возвращающаяся на Землю; 21 — первый советский искусственный спутник Земли; 22 — межконтинентальная баллистическая ракета; 23 — геофизические исследовательские ракеты; 24 — метеорологические спутники; 25 — космические корабли «Союз-4» и «Союз-5»; 26 — космические ракеты, уходящие за пределы атмосферы, а также радиоволна, пронизывающая ионизованные слои и уходящая из атмосферы; 27, 28 — диссипация (ускальзывание) атомов Ни Не; 29 — траектория солнечных протонов Р; 30 — проникновение ультрафиолетовых лучей (длина волны λ > 2000 Å и λ < 900 Å ).

Газы в атмосфере. Состав атмосферы находится в состоянии динамического равновесия, поддерживаемого такими климатическими факторами, как перемещение воздушных масс и атмосферные осадки, жизнедеятельность животного и растительного мира, особенно лесов и планктона Мирового океана, а также в результате космических процессов, геохимических явлений и хозяйственной деятельности человека.

Атмосфера выполняет следующие функции:

- содержит кислород, необходимый для дыхания живых организмов;

- является источником углекислого газа для фотосинтеза растений;

- защищает живые организмы от космических излучений;

- сохраняет тело Земли и регулирует климат;

- трансформирует газообразные продукты обмена веществ;

- переносит водяные пары по планете;

- является средой обитания летающих форм организмов;

- служит источником химического сырья и энергии.

Состав атмосферного воздуха представлен в таблице 2.

Таблица 2 – Состав атмосферного воздуха в тропосфере