2. Структура природного середовища.

До складу географічної оболонки входять цілком гідросфера, велика частина атмосфери, частина літосфери, біосфера.

2.1. Атмосфера.

Атмосфера є зовнішньою газовою оболонкою Землі, що простирається від її поверхні в космічний простір приблизно на 3000 км. Вона оточує Землю й обертається разом з нею під дією сили ваги.

Розрізняють постійний газовий склад атмосфери, в якому існує стабільне співвідношення вмісту різних газів, і змінну складову частину повітря, вміст окремих ком­понентів якої може змінюватись у широких межах.

Постійними компонентами, що входять до складу атмосфери є:

азот (78 %); кисень (21 %); аргон (0,93 %); гелій (0,0005 %); криптон (0,0001 %) та ін.

До змінних складових атмосферного повітря належать:

водяна пара (0,1- 4 %); озон (0,00004 %); вуглекислий газ (0,033 %).

Таким чином, повітря на 99,96 % складається лише з трьох газів - азоту, кисню і аргону. Значно менше в повітрі оксиду вуглецю (IV) (0,33 %), а решти газів усіх разом менше 0,001 %. Однак значення того чи іншого газу для життя людини, біо­сфери, формування клімату не визначається його кількістю в атмосфері. Наприклад, оксид вуглецю (IV) і озон, яких в атмосфері значно менше, ніж азоту, мають істотно більше значення для існування життя на Землі. До­сить нагадати, що практично єдиним первинним механізмом утво­рення біомаси є реакція фотосинтезу, яка відбувається під дією со­нячного проміння в зелених рослинах з використанням атмосфер­ного оксиду вуглецю (IV) та води. Атмосферний кисень, необхід­ний для дихання людей, тварин, переважної більшості рослин і мік­роорганізмів. Атмосферна циркуляція і процеси утворення хмар та опадів у кінцевому підрахунку - єдине джерело зволоження ґрунту, головне за рахунок випаровування води з поверхні океанів і морів. Наявні в атмосфері водяна пара Н₂О і оксид вуглецю (IV) захищають земну поверхню від надмірного радіаційного охолод­ження, створюючи так званий „парниковий ефект": якби не було атмосфери, то середня температура поверхні земної кулі була б не +15, а -23 °С. (Цікаво, що парниковий ефект над­звичайно потужної атмосфери Венери, яка складається переважно з СО₂, піднімає середню температуру твердої поверхні планети і нижнього шару атмосфери більше як на 300 °С!) Атмосферний озон захищає життя на Землі від згубного впливу ультрафіоле­тового випромінювання Сонця з довжиною хвилі < 0,33 мкм. Атмосфера захищає життя на Землі і від згубних для нього косміч­них променів.

Маса атмосфери (5,3 ^. 10¹⁵ т) становить менше однієї мільйонної частини загальної маси Землі (6 ^. 10²¹ т).

Атмосферний тиск і щільність повітря змен­шуються зі збільшенням висоти. У шарі атмосфери нижче 5,5 км зосереджена половина усієї маси атмосфери. Нижче 16 км зосереджено 90 %, а нижче 30 км - 99 % атмос­фери. На висоті 95 км щільність атмосфери вже в мільйон разів мен­ша, ніж на рівні моря. Але все більш розріджена атмосфера про­стягається значно вище і лише на висотах у кілька десятків тисяч кілометрів концентрація атомів і молекул стає приблизно такою ж, як і в міжпланетарному просторі.

З висотою в атмосфері змінюються не лише атмосферний тиск і густина повітря, але також температура повітря, його склад й деякі інші характеристики.

За характером зміни різ­них параметрів атмосферу розділяють на кілька шарів. Найбільш поширене розділення атмосфери на такі шари відповідно до харак­теру зміни в них температури повітря з висотою: тропосфера, стратосфера, мезосфера і термосфера, що розділені тоншими про­шарками, в яких температура повітря майже не змінюється з ви­сотою: тропопауза, стратопауза і мезопауза.

У тропосфері, яка простягається від земної поверхні до висоти 9-18 км (залежно від географічної широти і пори року), температу­ра повітря з висотою зменшується, досягаючи першого мінімуму 200-230^оК (-43-73^оС). Над тропосферою - у тропопаузі 5-7 км завтовшки тем­пература мало змінюється з висотою.

В стра­тосфері температура зростає з висотою і досягає максимуму 260-290^о К (-13-(+17)^о С) у стратопаузі на висотах 50-55 км.

В мезосфері температура зменшується з висотою і досягає най­глибшого мінімуму 160-220 К (-53-113^оС) в мезопаузі на висотах 80-90 км.

В термосфері температура повітря зростає з висо­тою, досягаючи на висотах 200-300 км 1000-2000^о К (+700-1700 ^о С) (залежно від рівня сонячної активності), і далі мало змінюється з висотою.

Такі зміни температури з висотою зумовлені різними фізичними механізмами нагрівання повітря на різних висотах: тропосфера нагрівається в основному від земної поверхні, стратосфера і мезосфера - за рахунок поглинання ультрафіолетового сонячного випромінювання з довжиною хвилі 0,25-0,33 мкм озоном, а термосфера - за рахунок поглинання випромінювання Сонця з довжиною хвилі

< 0,25 мкм і „сонячного вітру" (потоком протонів і електронів від Сонця, які рухаються зі швидкостями 300-1000 км/с). Основні фізичні механізми охолодження атмосфери - теплове випроміню­вання повітря в інфрачервоному діапазоні 10-30 мкм, а також тур­булентний перенос тепла від тепліших до холодніших шарів атмос­фери.

За основним хімічним складом сухого чистого повітря атмос­феру розділяють на гомосферу і гетеросферу. В гомосфері (нижче 100 км) - основний склад повітря майже не залежить від висоти, а в гетеросфері (вище 100 км) він змінюється з висотою внаслідок дисоціації атмосферних молекул і гравітаційно-дифузійного розді­лення легших і важчих молекул і атомів. Нижче 100 км гравітаційно-ди­фузійному розділенню атмосферних газів заважає інтенсивне турбулентне перемішування атмосфери, роль якого стає менш істот­ною вище 100 км.

На висотах близько 100 км починається інтенсивна фотодисоціація молекул кисню 0₂. Оскільки атомна маса кисню (16) майже вдвоє менша за молекулярну масу азоту (28), то вище 100 км від­ношення концентрації атомарного кисню [О] до концентрації моле­кулярного азоту [N₂] з висотою збільшується, і вже на висоті близь­ко 200 км [О] > [N₂]. Дисоціація молекул азоту відбувається досить інтенсивно лише на висотах 200-400 км, де азоту вже менше, ніж кисню. Вище 1000 км домінуючими газами в атмосфері стає спо­чатку гелій, а далі атомарний водень.

Шар атмосфери приблизно від 500 до 2000 км називають екзо­сферою, або сферою розсіювання. Починаючи з висоти 500 км, атом, який рухається вертикально вгору зі швидкістю більше 11 км/с (тобто більше другої космічної швидкості для Землі), може назавжди вилетіти з атмосфери в космічний простір, не зазнаючи зіткнень з іншими атмосферними атомами і молекулами. Вище 2000 км з атмосфери в космічний простір можуть вилітати атоми зі швидкостями більше 11 км/с, навіть якщо вони рухаються під кутом 90° до вертикалі. Реально з атмосфери Землі вилітають у ве­ликій кількості лише атоми й Іони водню, в значно меншій кількос­ті - атоми й іони гелію. Решта атомів і молекул надто важкі, і тому навіть при температурах 1000-2000 К надзвичайно рідко мають теплову швидкість більше 11 км/с.

На висотах 2000-20000 км розташована так звана воднева геокорона, в якій домінують іони водню (тобто протони), які вже ви­літають з космічними швидкостями з атмосфери Землі. Вище 20000 км - у радіаційних поясах Землі домінують протони і елект­рони з високими енергіями, що рухаються від Сонця або навіть з між­зоряного простору і захоплюються магнітним полем Землі на тимчасові навколоземні орбіти. У напрямку від Сонця атмосфера (так званий газовий хвіст Землі) може простягатись більше як на 100 000 км.

За складом повітря виділяють також озоносферу, яка приблизно співпадає зі стратосферою і має максимум концентрації озону О₃ на висотах 20-25 км. Основна маса озону в атмосфері сконцент­рована на висотах 10-50 км, але озон присутній також у призем­ному шарі повітря (де він відіграє важливу роль у фотохімічних пе­ретвореннях продуктів антропогенних забруднень атмосфери) і на висотах 50-80 км, де відбуваються основні процеси природно­го утворення і руйнування озону. Хоча відносна концентрація озо­ну навіть у максимумі становить лише тисячні долі відсотка від концентрації азоту, озоносфера відіграє надзвичайно важливу роль в існуванні життя на Землі.

За ступенем іонізації повітря розрізняють нейтросферу (тобто нейтральну сферу), яка знаходиться нижче 60-70 км, та іоносферу - вище 60-70 км. За складом іонів, концентрацією електронів і її добовим ходом в іоносфері розрізняють різні області.

Крім газів в атмосфері завжди присутні також тверді або рідкі частинки, що плавають в повітрі - аерозолі. Без урахування хмар найбільша абсолютна і відносна концен­трація аерозолів спостерігається в нижній частині тропосфери - до висот 1-2 км. Значну частину цих аерозолів складають пилинки, які піднімаються вітром з поверхні ґрунту. Під час штормів з по­верхні морів і океанів в атмосферу піднімається величезна кількість дуже дрібних краплин солоної води. Після їхнього висихання в повітрі залишаються дуже дрібні кришталики солі, які відіграють роль ядер конденсації при утворенні хмар.

Оптичне зондування атмосфери виявляє кілька світлорозсіюючих аерозольних шарів:

1) шар Юнге в тропопаузі на висотах 15-20 км (складається в основному з дрібних краплин сірчаної кислоти Н₂S0₄, змішаної з водою, відіграє важливу роль у радіаційному балансі Землі, відбиваючи якусь кількість прямої сонячної радіа­ції в космічний простір; якби густина цього шару істотно збільши­лась, то клімат деяких регіонів земної кулі став би помітно холод­нішим);

2) постійно іс­нуючий слабко виражений шар в стратопаузі на висотах 50-55 км (питання природи цього аеро­зольного шару, що розсіює світло, в стратопаузі є дискусійним);

3) сріблясті хмари, які лише інколи з'являються в нижній частині мезопаузи на висотах 80-85 км (утворюються внаслідок конденсації водяної пари, коли температу­ра в мезопаузі опускається нижче 170 К);

4) хмара космічного пилу на висотах 100-20 000 км (дискусійним є питання про густину хмари космічного пилу навколо Землі, а також питання про фізичний меха­нізм її утворення і природу більшості пилинок в ній; пилова хмара навколо Землі створює певну небезпеку для космічних апаратів, що рухаються навколо Землі, а також поступово погіршує якість різних оптичних поверхонь на них і панелей електроживлення).

Атмосфера Землі підтримується в стані динамічної рівноваги внаслідок дії багатьох процесів притоку газів і аерозолів в атмо­сферу і їхньої втрати.

Джерелами притоку речовин в атмосферу є : 1) виділення газів і аерозолів з твердого тіла Землі і земної по­верхні внаслідок дії геологічних процесів; 2) випаровування і розбризкування води з поверхні морів, оке­анів і суходолу; 3) біогенні гази і аерозолі; 4) приток речовини з космосу; 5) техногенні гази і аерозолі.

Процесами втрати речовин атмосферою є: 1) поглинання атмосферних газів рослинами, тваринами і мік­роорганізмами; 2) поглинання атмосферних газів поверхнею океанів і суходолу; 3) конденсація водяної пари й інших газів в атмосфері, коагуля­ція атмосферних аерозолів і осідання на земну поверхню переваж­но з дощем і снігом; 4) дисипація водню в міжпланетний простір; 5) технічне використання атмосферних газів.