55

Тема 2. Геоэкологические особенности и функции атмосферы

2.1. Состав и строение атмосферы. Общие сведения

Атмосфера Земли (от греч. atmos – пар и sphaira – шар) – газовая оболочка, окружающая Землю, воздушная оболочка планеты. Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землей как единое целое. Масса атмосферы составляет около 5,15  10¹⁵ т, или всего миллионную долю от массы всей Земли. Тем не менее, представить жизнь на Земле, образование биосферы и, тем более ноосферы, без воздушной оболочки планеты практически невозможно.

Воздух нижней части атмосферы представляет механическую смесь газов (табл. 2.1), главным образом, азота (N₂ – 78,08% объёма) и кислорода (O₂ – 20,95% объёма); значительно меньше в атмосферном воздухе аргона (Ar – 0,93% объёма) и диоксида углерода (СО₂ – 0,03% объема), в сумме эти четыре газа составляют 99,99% объёма сухого воздуха. Содержание неона (Ne), гелия (He), криптона (Kr), водорода (Н₂), ксенона (Xe) и озона (O₃) незначительно. Это постоянные компоненты чистого сухого воздуха.

В природных условиях в нижней атмосфере всегда присутствует водяной пар, содержание которого изменяется почти от 0,5 до 4,0%, различные газообразные, жидкие и твердые примеси, а также биологические объекты.

Таблица 2.1.

Состав сухого атмосферного воздуха* (Матвеев, Сераев, 1996).

Элемент	Содержание, % по объему	Молярная масса, г/моль	Элемент	Содержание, % по объему	Молярная масса, г/моль
N2 O2 Ar CO2 Ne	78,08 20,95 0,93 0,03 1,8  10-3	28,02 32,00 39,94 44,01 20,18	He Kr Н2 Xe О3	5,2  10-4 1,1  10-4 5,0  10-5 8,7  10-6 1,0  10-6	4,00 83,70 2,02 131,30 48,00

*Средняя молярная масса сухого воздуха равна 28,966 г/моль

В пределах биосферы относительный состав постоянных компонентов чистого сухого воздуха мало изменяется в пространстве и определяется огромным количеством динамических процессов от механического перемешивания и диффузии газов до ядерных превращений с образованием инертных газов и диссипации атмосферы. Сторонники гипотезы биотической регуляции окружающей среды приводят убедительные доказательства того, что поддержание постоянства состава атмосферного воздуха – это одна из функций живого вещества, биоты Земли.

До высоты 100 – 120 км атмосфера постоянно перемешивается, в результате чего относительный состав компонентов чистого сухого воздуха остается здесь постоянным. Эта часть атмосферы называется гомосферой.

Выше 100 – 120 км происходит разделение газов в поле силы тяжести Земли в соответствии с их молярной массой. Здесь состав воздуха закономерно изменяется с высотой, а эта часть атмосферы называется гетеросферой. Наиболее легкие ионы водорода абсолютно преобладают в самой верхней части атмосферы, которая называется протоносферой или водородной геокороной. Несколько ниже (около 1500 км) преобладают атомы гелия. Водород и гелий подвержены диссипации.

Диссипация атмосфер планет (от лат. dissipatio – рассеяние, ускользание, улетучивание), рассеивание атмосферы планет вследствие улетучивания составляющих их газов в космическое пространство. Диссипация зависит от силы тяготения планеты, температуры ее экзосферы и массы частицы. Притяжение Земли не удерживает только самые легкие элементы – водород и гелий, которые постоянно ускользают в Космос.

На высотах 700 – 250 км в атмосфере преобладает атомарный кислород. В самой нижней части преобладающим остается молекулярный азот.

В отличие от состава, физические свойства атмосферы (плотность, температура, давление) закономерно изменяются в пространстве, что позволяет подразделить ее на целый ряд хорошо известных подсистем (слоев).

Тропосфера (от греч. tropos – поворот, изменение и сфера) – нижняя, преобладающая по массе (около 80%) часть земной атмосферы, в которой температура понижается с высотой (примерно на 0,65 ⁰С на каждые 100 м). На верхней границе тропосферы температура составляет минус 55 – 80 ⁰С. Тропосфера простирается в среднем до высот 8 – 10 км в полярных широтах, 10 – 12 км в умеренных и 16 – 18 км в тропических. Над тропосферой располагается стратосфера, от которой тропосфера отделена сравнительно тонким (1 – 2 км) переходным слоем – тропопаузой.

Стратосфера (от лат. stratum – слой, пласт и сфера) – слой атмосферы между тропосферой и мезосферой (от 11 до 50 км), для которого, в общем, характерно повышение температуры с высотой (от минус 55 – 80 ⁰С в нижней части до 0,0 и даже плюс 5 ⁰С – в верхней). Повышение температуры в стратосфере происходит в результате поглощения кислородом (О₂) и озоном (О₃) ультрафиолетового излучения. Над стратосферой располагается переходный слой – стратопауза (50 – 55 км), отделяющая стратосферу от мезосферы.

Для мезосферы, расположенной на высоте 55 – 85 км, характерно понижение температуры от 0,0 ⁰С до минус 70 – 80 ⁰С. На высоте 85 – 95 км расположен переходный слой – мезопауза, в котором еще продолжается понижение температуры с высотой. Выше располагается огромная по мощности (85 – 500 км) термосфера, для которой характерен быстрый рост температуры (до 2000 – 3000 ⁰С). Еще выше располагается экзосфера, для которой характерны максимальные температуры (до 10.000 – 15.000 ⁰С) и диссипация водорода и гелия в космическое пространство. Основные особенности внешнего слоя атмосферы (экзосферы) определяются взаимодействием вещества с солнечной радиацией.