9. Метеорологічні та гідрологічні аспекти взаємодії суспільства і природи

9.1. Структура і властивості атмосфери

Наука, що вивчає атмосферу, її будову, властивості, процеси, які в ній відбуваються, а також розробляє методи передбачення атмосферних явищ і впливу на них, називається метеорологією (грец. “метеорологія” – міркування про небесні явища).

Метеорологічні величини – це температура, тиск, густина і вологість повітря; швидкість і напрямок вітру; кількість, висота і вертикальна протяжність (товщина) хмар; атмосферні явища – певні фізичні процеси з різкими (якісними) змінами стану атмосфери (хмари, опади, грози, шквали, смерчі, хуртовини, ожеледиці, пилові бурі тощо).

Атмосфера складається з декількох шарів: тропосфери, стратосфери, хімосфери, іоносфери, мезосфери і екзосфери, кожний з яких характеризується різкою зміною температури в залежності від висоти.

1. В тропосфері температура зменшується з висотою в середньому на 6,5 через кожний кілометр.

2. В стратосфері температура практично постійна.

3. В хімосфері теплий шар повітря лежить між двома холодними шарами: внизу +4 на один кілометр, а вверху - 4,5 на один кілометр.

4. В іоносфері температура підвищується з висотою в середньому на 10 через кожний кілометр.

5. В мезосфері температура зменшується в середньому на 3 через кожний кілометр.

Умовно висоту атмосфери приймають рівною 2500 км: на цій висоті густина повітря близька до густини космічного простору. Середня молекулярна маса повітря за нормальних умов 29.

Вміст водяної пари змінюється від 0,1 % (холодне сухе повітря) до 4 % (тепле вологе повітря). Маса атмосфери складає 5,1510¹⁵ т, це менше 10^-6 маси Землі. У шарі до 5,5 км знаходиться половина маси атмосфери, до 16 км – 90 %, до 40 км – 99 % всієї маси атмосфери.

Всі шари відділяються один від одного зонами товщиною 1-2 км, які називаються паузами. Температура в паузах практично не змінюється.

Без урахування водяної пари, аерозолів і різних місцевих особливостей атмосфери Землі за об’ємом містить азоту (N₂) – 78,08 %, кисню (О₂) – 20,95 %, аргону (Ar) – 0,93 %, вуглекислого газу (СО₂) – 0,033 %, решта газів (неон Ne, гелій He, метан СН₄, криптон Kr, водень Н₂, озон О₂ та деякі інші) разом складають менше 0,001 % об’єму. Проте значення того чи іншого газу для біосфери, формування клімату не визначається його кількістю в атмосфері. Наприклад, вуглекислий газ і озон, яких в атмосфері значно менше, ніж азоту, мають істотно більше значення для існування життя на планеті.

Атмосфера регулює клімат Землі і добові коливання температури, пропускає теплове випромінювання Сонця, зберігає тепло і виконує роль переносника вологи, є середовищем поширення світла і звуку. Вона є також джерелом кисню для живих організмів, сприймає газоподібні продукти обміну речовин.

Атмосферне повітря – один з найважливіших ресурсів природи, без якого життя на Землі було б абсолютно неможливим:

1) Це – середовище і ресурс для реакції фотосинтезу – основи функціонування біосфери.

2) Атмосферний кисень використовується для дихання людей, тварин, рослин і мікроорганізмів.

3) Атмосферна циркуляція і процеси утворення хмар – єдине джерело зволоження грунту (за рахунок випаровування води з океанів і морів).

4) Пара води та вуглекислого газу в атмосфері захищає зелену поверхню від радіаційного охолодження (без цих компонентів середня температура на планеті була б не +15С, а -23С).

5) Озоновий шар захищає все живе на плінті від шкідливого ультрафіолетового випромінювання.

6) Атмосфера захищає землю від згубних космічних променів.

Слід відмітити, що маса озону в атмосфері складає приблизно 3,710⁹ т, що значно менше маси щорічних антропогенних викидів. Це вказує на вразливість атмосфери, склад якої може в нинішніх умовах істотно змінюватися в результаті людської діяльності.

На атмосферу суттєво впливають викиди хімічних речовин (каталізатори, що порушують хімічну рівновагу атмосфери); вирубування лісів (найбільш потужне джерело постачання кисню в атмосферу); антропогенне покриття плівкою поверхнево-активних речовин (ПАР) поверхні океану (зменшується ефективність реакції фотосинтезу), антропогенні зміни шару аерозолів у стратосфері, що істотно впливає на радіаційний баланс і клімат Землі.

Оскільки людство не може відмовитися від подальшого зростання виробництва і не всі антропогенні зміни атмосфери безумовно шкідливі для людства і біосфери, необхідні глибокі знання атмосферних процесів і антропогенних впливів на них з метою запобігання небажаним змінам атмосфери Землі – локальним, регіональним і глобальним.