1. Состав, изменение температуры атмосферы

Атмосфера — газообразная (газовая) оболочка планет. Атмо­сфера Земли состоит из смеси газов, водяных паров и мелких ча­стиц твердых веществ. Основа атмосферы — воздух, представля­ющий собой смесь газов, в первую очередь азота, кислорода, ар­гона и углекислого газа. С точки зрения химика воздух — раствор кислорода, диоксида углерода и других газов в азоте.

Атмосфера Земли уникальна по содержанию в ней разных га­зов, в том числе инертных. Молекулярный азот также относится к достаточно инертным газам. Кислород обладает значительной реакционной способностью, связанной с наличием в нем двух неспаренных электронов. Главными составными частями верх­них слоев атмосферы являются водород и гелий, а также их ионы. Атмосфера Земли имеет массу ~ 5,15 · 10¹⁵ т. Содержание основ­ных компонентов воздуха и малых добавок в нем приведено в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав атмосферного воздуха у поверхности Земли

Компонент	Содержание, %
	Массовая доля	Объемная доля
Азот	75,52	78,09
Кислород	23,15	20,94
Аргон	1,28	0,93
Диоксид углерода	0,046	0,033
Неон	1,2 · 10-3	1,8 · 10-3
Гелий	7,2 · 10-5	5,2 · 10-4
Криптон	3,3 · 10-4	1,0 · 10-4
Ксенон	3,9 · 10-5	8,0 · 10-6
Монооксид азота	2,5 · 10-3	2,5 · 10-4
Водород	3,5 · 10-6	5,0 · 10-5
Метан	0,8 · 10-4	1,5 · 10-4
Диоксид азота	8,0 · 10-5	1,5 · 10-4
Озон	10-5 - 10-6	2,0 · 10-6
Диоксид серы	—	2,0 · 10-8
Монооксид углерода	—	1,0 · 10-5
Аммиак	—	1,0 · 10-6

Рассмотрим изменение температуры атмосферы по высоте, мысленно проведя разрез атмосферы по вертикали. По характеру изменений температуры с ростом высоты различают несколько сфер, разделенных узкими переходными зонами, называемыми паузами (рис. 1).

Нижний, примыкающий к Земле слой, — тропосфера — ха­рактеризуется средним вертикальным градиентом температуры 6 °С/км. Высота верхней границы тропосферы изменяется от 8 км в полярных широтах до 16— 18 км над экватором. В следующем слое — стратосфере — температура остается примерно постоян­ной до высоты 25 км, затем постепенно возрастает почти до 0°С на нижней границе стратопаузы (около 55 км). Расположенная выше мезосфера характеризуется новым понижением температуры в сред­нем примерно до – 100 °С на высоте около 80 км. Выше находится термосфера, в которой кинетическая температура постепенно воз­растает с высотой. Слой атмосферы от ~ 60 до 500 км в ряде обла­стей знаний получил название ионосферы.

Рис.1 Изменение температуры в слоях атмосферы

Ионосфера играет важную роль при распространении радио­волн. Давление с увеличением высоты быстро падает и на высоте 50 км уменьшается до ~ 1 мм рт. ст.

Одним из наиболее важных и главных компонентов атмосферы является кислород. Обладая, как уже отмечалось, высокой хими­ческой активностью, он способен взаимодействовать практиче­ски со всеми компонентами, составляющими атмосферу (см. табл. 1) и другие оболочки планеты. Сейчас практически нет ни одного химического элемента, с атомами которого при опреде­ленных условиях кислород не мог бы образовывать соединения. Известны соединения кислорода даже с инертными газами, на­пример ХеО3.

В последние десятилетия кислород все больше расходуется че­ловеком: в энергетике, транспорте, разных производствах. Пока еще стабильная концентрация кислорода обеспечивается фото-синтезирующими природными системами, но опасные симпто­мы начинают появляться. Ряду промышленно развитых стран уже не хватает «собственного» кислорода, произведенного на их терри­тории. В целом сейчас на антропогенную деятельность в мире рас­ходуется столько кислорода, сколько хватило бы для дыхания 50 млрд человек.

Одной из переменных по концентрации составляющих атмос­феры является водяной пар. Содержание воды резко уменьшается с высотой, вплоть до тропопаузы. В стратосфере воды очень мало (~10^-6 об. %). Значителен широтный разброс концентрации водя­ного пара. В тропических районах концентрация воды достигает 3 об. %, а в Антарктиде — всего 2 · 10^-5 об. %. Пары воды сильно поглощают инфракрасное (ИК. Инфракрасная область спектра отвечает диапазону длин волн 700— 10⁶ нм, видимая область — 400 — 700 нм), излучение и играют важную роль в поддержании температуры в ночное время, когда Земля излуча­ет энергию в космическое пространство. Поэтому в пустыне, где концентрация воды в атмосфере мала, днем жарко, а ночью хо­лодно.

Верхняя граница атмосферы, где происходит рассеивание га­зов в межпланетное пространство, находится на высоте ~ 1 000 км над уровнем моря, а 99 % массы заключено в слое толщиной 40 км. В приземном слое толщиной 5,5 км сосредоточена половина всей воздушной массы. Характер изменения температуры в разных сло­ях атмосферы зависит от особенностей химического состава воз­духа. Уменьшение с высотой концентрации воды является одной из причин понижения температуры в тропосфере. На тепловой режим стратосферы оказывает влияние повышенное содержание в ней озона, который поглощает ультрафиолетовую (УФ. Ультрафиолетовая область — 100 — 400 нм) ради­ацию Солнца, способствуя повышению температуры.

В мезосфере по сравнению с тропосферой и стратосферой мень­ше концентрация озона и практически нет молекул воды. Поэто­му температура в мезосфере ниже, чем в тропосфере и стратосфе­ре. В термосфере из-за малой концентрации атомных и молекуляр­ных частиц можно говорить только о так называемой кинетиче­ской температуре, которая закономерно растет с высотой.

В атмосфере содержится также более 500 органических соеди­нений. Это алициклические, полиядерные ароматические углево­дороды и их производные: альдегиды, кетоны, спирты, органи­ческие кислоты, эфиры и т.д. В атмосфере нашей планеты содер­жится также большое количество радикалов как органического, так и неорганического происхождения. Ими могут быть отдельные атомы, молекулы, группы атомов. Для того чтобы обозначить, что атомная или молекулярная частица является радикалом, справа или сверху над формулой ставят точку. Примеры радикалов в атмосфере: НО·, НО₂·, R· (СН₃·, С₂Н₅·) и т.д.

Различные газовые составляющие атмосферы имеют разное время жизни. К долгоживущим (до 10 лет и более) относятся инертные газы, а также азот, до нескольких лет в атмосфере могут находить­ся СО₂, СН₄, до нескольких недель и суток — Н₂О, NO₂, H₂S. Разное время жизни имеют и твердые частицы, содержащиеся в атмосфере, оно зависит от их размеров и высоты. Так, для мелко­дисперсных частиц, находящихся на высоте около 20 км, время жизни в атмосфере достигает 1 — 2 лет, выше 50 км — от 4 до 20 лет.

Многие из органических и неорганических составляющих ат­мосферы входят в состав аэрозолей — взвесей твердых и жидких частиц в газообразной среде. Примерами аэрозолей могут служить пыль, дым, туман, облака. Наиболее сильно влияют на организм человека тонкодисперсные аэрозоли с размером частиц меньше 0,1 мкм. Например, негативная роль сажи (твердого углерода), радиус частиц которой в момент образования составляет 3 — 5 нм, определяется не только ее вредным воздействием на человека и животных, но и тем, что, поглощая солнечную и земную радиа­цию, сажа существенно влияет на термический режим климата планеты.

В состав атмосферных аэрозолей входят:

• соли (органические и неорганические);

• кислоты (серная, сернистая, азотная и др.);

• оксиды почти всех элементов Периодической таблицы (в ос­новном антропогенного происхождения);

• химические соединения внеземного происхождения (метео­ритная пыль);

• органические соединения;

• вещества биологической природы;

• радионуклиды — радиоактивные изотопы, образующиеся под воздействием космического излучения (²²Na, ⁷Be, ³²Р, ³³Р, ¹⁴С и др.), а также изотопы искусственного происхождения, являющи­еся продуктами ядерных взрывов и отходов атомной промышлен­ности (¹⁴С, ³Н, ¹³¹I, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁴Ce, ⁹⁵Zr и др.).

Аэрозоли, попадающие в верхние слои атмосферы, представ­ляют большую опасность по двум причинам.

Во-первых, токсичные органические соединения часто харак­теризуются весьма продолжительным временем жизни. Например, один из первых хлорорганических пестицидов, так называемый «дуст», сохраняется в верхних слоях атмосферы от двух до пяти лет.

Во-вторых, влияние некоторых аэрозолей не локально, а охва­тывает всю планету.

Велика роль сульфатов, образующих аэрозоли, так их частицы служат ядрами конденсации, определяющими условия и микро­структуру облаков и туманов. Вклад антропогенных выбросов в общий баланс аэрозолей со временем увеличивается. Общее число только основных загрязняющих атмосферу аэрозольных веществ исчисляется уже несколькими сотнями.