1. Атмосфера

Атмосфера - наиболее легкая оболочка нашей планеты, граничащая с космическим пространством. В зависимости от температуры можно выделить несколько зон, располагающихся на различных высотах от Земли.

Самый близкий к поверхности Земли слой называется тропосферой. Его высота в средних широтах составляет 10... 12 км над уровнем моря, над экватором - 16...18 км и на полюсах 7...10 км. В тропосфере температура воздуха изменяется с +40°С до -50°С, снижаясь на 0,6°С при подъеме на каждые 100 м. В тропосфере происходят глобальные вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс, во многом определяющие круговорот воды, теплообмен, трансграничный перенос пылевых частиц и загрязнений.

Выше тропосферы расположен слой толщиной около 40 км, который называется стратосферой. В стратосфере воздух более раз­режен и влажность его невысока. Температура в стратосфере до высоты 30 км остается постоянной (около -50°С), затем повышается до + 10°С (на отметке 50 км). В стратосфере сконцентрирована основная часть атмосферного озона, который поглощает ультрафиолетовые лучи Солнца, что и вызывает разогрев атмосферы.

За стратосферой, на высоте более 50 км, находится мезосфера. В мезосфере температура вновь понижается и на высоте около 80 км она равна 70°С.

За мезосферой расположена термосфера, не имеющая определенной верхней границы. Температура в термосфере увеличивается и на высоте 500...600 км достигает +1600°С.

Атмосферное давление с ростом высоты уменьшается. Под действием солнечного излучения в атмосфере протекает множество фи­зико-химических реакций. До высоты 400...600 км состав атмосферы характеризуется показателями, приведенными в табл. 2.1. На высо­те более 600 км начинает преобладать гелий, а выше 1600 км пре­обладает водород.

Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы: водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, которая определяет тепловой режим поверхности планеты, вызывает диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов. Обширная область разряженной верхней атмосферы состоит преимущественно из ионов. Эта область обозначается как ионосфера. Большая часть массы атмосферы имеет относительно однородный азотно-кислородный состав. В тропосфере во взвешенном состоянии присутствуют также твердые и жидкие частицы, которые обычно называют аэрозолями. Химический состав атмосферы (для сухого воздуха) представлен в табл. 5.

Таблица 5.

Неравномерность распределения по планете водных пространств и суши, а также различия в степени нагрева отдельных участков поверхности Земли приводят к изменению атмосферного давления в разных районах, в результате чего возникают воздушные течения, приводящие к общей циркуляции атмосферы.

По сравнению с другими компонентами биосферы атмосфера имеет ряд присущих только ей особенностей:

- высокая подвижность,

- изменчивость составляющих ее элементов;

- своеобразие молекуляр­ных реакций, в которых могут участвовать инертные газы.

Состояние атмосферы определяет тепловой режим поверхности Земли. Различные соотношения тепла и влаги в воздухе являются основными причинами существования различных географических зон на Земле, которые в свою очередь являются определяющими при формировании почвенно-растительного покрова, рельефа, стока рек и др.

Атмосфера является жизненной средой и выполняет функцию защиты жизни от воздействия открытого Космоса. Например, отсут­ствие атмосферы привело бы к тому, что каждые три, четыре дня на 1 км² поверхности Земли падал бы метеорит. Благодаря атмосфере этого не происходит, так как большинство их сгорает в ее плотных слоях. Кроме того, атмосфера дозирует поступление на поверхность Земли солнечной энергии. При отсутствии атмосферы поверхность Земли нагревалась бы до +100°С днем и охлаждалась до -100°С ночью.

Озоновый и ионный слои атмосферы снижают воздействие космических и рентгеновских излучений, ограничивают проникновение Ультрафиолетовых, инфракрасных лучей и др.

Защищая поверхность Земли от воздействия различных излучений, атмосфера в то же время пропускает достаточное количество солнечной энергии, необходимой для осуществления реакции фотосинтеза, освещения поверхности Земли, а также некоторое количе­ство ультрафиолетовых лучей, обеспечивающих санирующий эф­фект. Газовый состав атмосферы формировался в течение миллиар­дов лет. Параллельно с этим происходили эволюционные процессы живой материи. В результате все живое на нашей планете приспособилось к существованию в такой атмосфере. Атмосферный воздух необходим для поддержания жизненных процессов и формирования погодно-климатических условий на Земле.

Состояние среды обитания человека определяется физико-химическими свойствами воздуха, его газовым составом, влажностью и электрическими свойствами атмосферы. Среди физических свойств воздуха следует выделить температуру. Основным источником поступления тепла на поверхность Земли является солнечное излучение, часть которого непосредственно нагревает воздух, а часть про­ходит через него и облучает поверхность Земли. Эта энергия частично поглощается, а частично отражается от поверхности Земли и нагревает воздух.

Количество отраженных лучей зависит от фактуры, цвета, влажности поверхности Земли. Для качественной оценки этих свойств введено понятие “альбедо”, которое характеризует отношение отраженного излучения к падающему.

Количество энергии, поглощаемое атмосферой и поверхностью Земли, составляет 10¹³ кВт.

Средняя температура воздуха у поверхности Земли 14,2°С. Как отмечено выше, в тропосфере температура воздуха с увеличением высоты уменьшается. Однако в некоторых случаях наблюдаются процессы, при которых внизу расположен более холодный воздух, вверху — более теплый. Такое явление называется тепловой инверсией. Его можно наблюдать безоблачной ночью, когда Земля излучает тепло, нагревая прилегающий к ней воздух, который, как более легкий, поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.

Перемещение воздушных масс — ветер, возникающий в результате разности температур и давлений в разных регионах планеты влияет не только на физико-химические свойства самого воздуха но и на интенсивность теплообмена, изменение влажности, давления, химического состава воздуха, снижая или увеличивая при этом количество загрязнений.

Конденсация атмосферного пара из-за изменения температуры или наличия в нем пыли или других включений приводит к образо­ванию аэрозолей, которые под влиянием последующих изменений температуры, давления и движения воздуха могут скапливаться и выпадать в виде осадков.

Электрические свойства воздуха формируются под воздействи­ем различного рода излучений, в первую очередь — солнечного. Атомы газовых составляющих воздуха ионизируются, образуя по­ложительные и отрицательные ионы. Земля, обладающая отрица­тельным потенциалом, притягивает положительные ионы. В резуль­тате между Землей и атмосферой создается разность потенциалов (150 В на 1 м высоты). В зависимости от погоды она может возрас­тать до 50 000 В. Отрицательные ионы абсорбируются коллоидаль­ными частицами и, образуя аэрозоли, загрязняют воздух.