Состав атмосферы

В табл. 1а и 1б представлен средний газовый состав природной атмосферы вблизи земной поверхности.

Таблица 1а

Основные газовые компоненты сухого воздуха

Название	Химическая формула	Объемная доля, , % (об.)
Азот	N2	78,09
Кислород	O2	20,94
Аргон	Ar	0,928
		 99,9

Итак, на долю основных компонентов атмосферы приходится  99,9 % (об.). На долю прочих компонентов приходится менее 0,1 % (об.) или 1000 млн ^-1 (1000 ppm), однако их роль в общей динамике состояния атмосферы чрезвычайно велика.

Таблица 1б

Прочие газовые компоненты сухого воздуха

Название	Химическая формула	ppm	ppb
Неон	Ne	18,0	18000
Диоксид углерода	CO2	315	3,15105
Гелий	He	5,3	5300
Метан	CH4	1,0	1000
Криптон	Kr	1,0	1000
Оксид диазота	N2O	0,49	490
Водяной пар	H2O	0,0561	56,1
Оксид углерода	СО	0,100	100
Ксенон	Хе	0,0801	80,1
Озон	O3	0,020	20
Аммиак	NH3	0,008	8
Диоксид азота	NO2	0,001	1
Диоксид серы	SO2	0,0002	0,2

Примечание. Некоторые вещества могут присутствовать в природной атмосфере в концентрациях, отличающихся от приведенных в табл. 1б. Это связано с вулканической активностью, погодой и рядом других факторов.

Строение атмосферы

По вертикали атмосфера имеет слоистое строение. Наиболее распространенное деление атмосферы на слои основано на изменении температуры с высотой. По мере удаления от поверхности Зе­мли температура сначала снижается (тропосфера), затем практически не меняется (тропопауза), в дальнейшем начинает повышаться (стратосфера), на определенном участке опять остается практически неизменной (стратопауза), вновь начинает падать (мезосфера), проходит через слой с практически неизменными значениями (мезопауза) и далее увеличивается (термосфера). Представленные в табл. 2 сведения характеризуют температурные границы соответствующих слоев для так называемой «стандартной атмосферы», в которой не принимаются во внимание участки с неизменной по высоте температурой. Безусловно, в реальных условиях границы соответствующих слоев не являются строго фиксированными и меняются в достаточно больших пределах, однако профили температур в слоях остаются неизменными. Использование понятия «стандартной атмосферы» облегчает задачу определения параметров атмосферы на заданной высоте и позволяет провести необходимые оценки.

Таблица 2.

Характеристика изменения температуры в основных

слоях, выделяемых в атмосфере

Слой атмосферы	Температура, °С		Температурный градиент, °С/км	Высота верхней и нижней границ слоя над уровнем моря, км
	нижняя граница слоя	верхняя граница слоя
Тропосфера Стратосфера Мезосфера Термосфера	15 -56 -2 -92	-56 -2 -92 1200	-6,45 +1,38 -2,56 +3,11	0-11 11-50 50-85 85-500

Таким образом, температура на любой высоте может быть вычислена по формуле:

, (1)

где - температура на нижней границе соответствующего слоя, ⁰С; - температурный градиент, °С/км; z – расстояние вдоль оси аппликат от нижней границы соответствующего слоя до искомой точки, км.

Очень часто отдельные слои атмосферы объединяют в две группы. При этом тропосферу и стратосферу относят к «нижним слоям атмосферы», а мезосферу и термосферу объединяют понятием «верхние слои атмосферы». Ионизованная часть верхних слоев атмосферы называется ионосферой. Верхние слои атмосферы по составу образующих их компонентов в значительной степени отли­чаются от нижних слоев. Нижние слои более плотные, в них со­средоточена основная масса атмосферы; известно, что около 50% общей массы атмосферы приходится на нижний слой толщиной всего 5 км, а масса слоя в 30 км составляет примерно 90% всей массы атмосферы. Общая масса атмосферы 5,14  10¹⁵ т. Это примерно одна миллионная часть массы Земли.

При нормальных условиях газы, входящие в состав атмосферы, мало отличаются по своему поведению от идеального газа. Поэтому для реальной атмосферы справедлива формула, представляющая собой уравнение состояния идеального газа:

Р = nkТ, (2)

где Р — давление газа; n — концентрация частиц; k — постоянная Больцмана; Т — температура.

Распределение давления в атмосфере по высоте h описывается так называемой «барометрической формулой»:

Р_h = Р₀ ехр(-₀ gh/Р₀), (3)

где ₀ и Р₀ — плотность и давление при h= 0 (т. е. на уровне моря), причем Р₀ = 101,3 кПа; g — ускорение силы тяжести.

Подставим значения давлений, вычисленные по формуле (2) при соответствующих значениях концентраций в уравнение (3). Тогда распределение концентрации составляющих атмосферу компо­нентов по высоте имеет вид:

n_h = n₀ ехр[-mgh/(kТ)] = n₀ exp[-Mgh/(RT)], (4)

где m — масса молекулы компонента; n₀ — количество молекул в единице объема на высоте h = 0 (на уровне моря); k — постоянная Больцмана; М — молярная масса газа; R — универсальная газовая постоянная.