Глава 6. Атмосфера.

6.1. Склад повітря

Атмосфера — це легка газова оболонка, що оточує Землю. Незважаючи на свою невелику масу (5 · 1015 т), атмосфера займає найбільший об'єм у географічній оболонці і відіграє в ній надзвичайно велику роль. В атмосфері формується погода і клімат, вона є необхідною для розвитку різних форм життя на Землі і виконує інші важливі функції.

Атмосфера є сумішшю газів і завислих у повітрі твердих і рідких частинок. Хімічний склад сухого чистого повітря такий: азот — 78,10 %, кисень — 20,93 %, аргон — 0,93 %, вуглекислий газ — 0,03 %, водень, гелій, неон, криптон, ксенон та ін. — 0,01 %. Це співвідношення залишається незмінним на десятки кілометрів у висоту.

Важливою складовою атмосфери є водяна пара, хоча її загальний вміст не перевищує 3 %. Більша частина пари знаходиться в повітрі до висоти 3000 м. Кількість пари змінюється залежно від температури. У холодному повітрі можуть міститися долі відсотка водяної пари, а в повітрі жарких тропічних областей її кількість може досягти 4 %.

Завислі частинки в атмосфері — це леткі органічні речовини, промисловий дим і сажа, вихлопні гази машин, краплі води і кристали льоду, земний і космічний пил, вулканічний попіл тощо. Ці частинки мають в основному мікроскопічні і ультрамікроскопічні розміри, вони розсіяні в атмосфері над планетою. Всі частинки, але особливо кристалики льоду в хмарах, сприяють поглинанню, відбиттю і розсіюванню деякої частини сонячних променів. Вони виконують функції ядер (центрів), навколо яких конденсується водяна пара.

Атмосфера розвивалася разом із Землею. За сучасними уявленнями, первинна атмосфера складалася з водню і гелію — найпоширеніших елементів у космосі. Вони у великій кількості входили до складу пилово-газової хмари, з якої утворилася Земля.

На другій стадії атмосфера стала вуглекислою. Цей газ надходив, як і зараз, з надр Землі при вулканічних виверженнях, які колись були дуже інтенсивними на земній кулі. Водень і гелій були майже повністю втрачені внаслідок їх дисипації (розсіювання) під впливом розігрівання надр Землі. Вуглекисла стадія закінчилася в кам'яновугільному періоді, коли зелені рослини в процесі фотосинтезу, поглинаючи вуглець, почали виділяти в повітря вільний кисень. З кінця палеозою атмосфера набула сучасного складу.

Кисень є одним з найпоширеніших і найважливіших елементів на Землі. Він необхідний при диханні людей, тварин, численних мікроорганізмів, входить до складу білків, жирів і вуглеводів, бере активну участь у біологічному кругообігу речовини. Кисень входить до складу багатьох гірських порід і мінералів.

Азот — найпоширеніший газ в атмосфері. Крім того, він є обов'язковою складовою частиною різноманітних органічних сполук. У кругообігу азоту велику роль відіграють специфічні так звані азотфіксуючі групи мікроорганізмів. Азот — один з найважливіших елементів живлення рослин, який в значній мірі зумовлює їх продуктивність.

Якщо вміст кисню і азоту в повітрі практично незмінний протягом мільйонів років, то кількість вуглекислого газу досить непостійна. Нині його загальний вміст в повітрі збільшується внаслідок зростаючих викидів шкідливих речовин промисловими підприємствами, зменшення площ лісових масивів. У шарі повітря, що безпосередньо прилягає до поверхні Землі, кількість вуглекислого газу зазнає добових змін. Вночі його дещо більше, ніж вдень. Пояснюється це тим, що вуглекислий газ поглинається рослинами тільки в денний час. Вся рослинність земної кулі протягом року поглинає з атмосфери близько 550 млрд. т вуглекислого газу і повертає їй близько 400 млрд. т кисню.

Особливий інтерес для наукових досліджень останніми роками становить озон. Цей газ, на відміну від інших складових повітря, має специфічний приємний запах, який ми відчуваємо, наприклад, при диханні після сильної літньої зливи з численними розрядами блискавок. Озон утворюється з атмосферного кисню в основному на висотах від 15 до 50 км (з максимумом накопичення його на висотах близько 23—27 км) під дією ультрафіолетових променів Сонця. У молекулах кисню міститься по два атоми, а в молекулах озону — три. Під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця частина молекул кисню (О2) розпадається на атоми (О) і потім окремі з них приєднуються до молекул, утворюючи трьохатомні молекули озону (О3). При грозових розрядах теж відбувається розпад і відновлення молекул кисню, а тому в незначних кількостях утворюється і озон.

Загальна кількість озону в атмосфері незначна. Коли б можна було зібрати його в один шар при нормальному атмосферному тискові і температурі 0 °С, то товщина цього шару становила б лише 2 —3 мм. Але незважаючи на таку мізерну кількість, озон відіграє дуже важливу роль — поглинає більшу частину ультрафіолетових променів і захищає все живе на Землі від надмірного опромінювання.

Проте в останні роки встановлено, що товщина озонового шару зменшується, а над Антарктидою утворилася навіть велика озонова діра. Гадають, що це пов'язано з широким застосуванням в промисловості фреонів, виробництвом хлорної продукції, дією ракетного палива. Нині розроблена і здійснюється в багатьох країнах світу комплексна програма з охорони і відновлення як озонового шару, так і повітряної оболонки в цілому.

6.2. Будова атмосфери.

Атмосферу за рядом особливостей прийнято умовно поділяти на ряд концентричних шарів різної товщини, кожному з яких притаманні деякі спільні риси. Шари відрізняються один від другого температурою, вологістю, циркуляцією повітря та іншими елементами. У 1962 р. Всесвітньою метеорологічною організацією прийнято такі назви шарів атмосфери: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, екзосфера (рис. 17).

Тропосфера — нижній і найщільніший шар атмосфери. У цьому шарі, який безпосередньо прилягає до Землі, зосереджено близько 80 % усієї маси повітря. Над полюсами його товщина дорівнює 8 км, над екватором —16 км, в середньому — 11 км. Такий неоднаковий розподіл товщини зумовлений термічними особливостями різних широт та обертанням Землі навколо вісі. Температура від земної поверхні знижується з висотою в середньому на 0,6° кожні 100 м. При середній для всієї Землі річній температурі повітря +14 °С на верхній межі тропосфери вона опускається до -56 °С. Для тропосфери характерне горизонтальне й вертикальне переміщення повітряних мас, що зумовлює сталість її хімічного складу. Постійний рух повітря в тропосфері часто супроводжується утворенням хмар і опадами.

Пил і водяна пара зосереджені переважно в нижній частині атмосфери. Кількість водяної пари з висотою зменшується, бо знижується температура. Тому більша частина хмар утворюється в нижніх шарах тропосфери. Висота звичайних зливових хмар коливається від 3 до 8 км, а в тропічних областях вони можуть перебувати значно вище.

Стратосфера знаходиться безпосередньо над тропосферою і має висоту від 11 до 50—55 км. Нижня стратосфера ізотермічна: її температура постійна і становить -56 °С. Але починаючи з висоти 25 км температура в стратосфері швидко зростає, досягаючи на висоті 50 км позитивних значень — від +1 до +5 °С. В стратосфері мають місце сильні горизонтальні рухи типу струминних течій. Вони характеризуються постійністю і дуже високими швидкостями. Вертикальні переміщення повітря в стратосфері слабо розвинені, але вони сприяють перемішуванню повітря. Склад повітря такий, як і в тропосфері.

Будова атмосфери

Рис. 17. Будова атмосфери: 1 – сріблясті хмари; 2 — полярні сяйва в нижньому шарі термосфери; 3 – полярні сяйва у верхньому іонізованому шарі термосфери; 4 - температурна крива; 5 – шар поширення озону; в-шар найбільшої концентрації озону

У стратосфері дуже мало завислих частинок. Інколи на висоті 20—30 км утворюються перламутрові хмари, що складаються з кристаликів льоду. Крізь стратосферу безперервно проходить метеоритний пил, а час від часу сюди потрапляє вулканічний попіл. Дуже дрібні частинки вулканічного пилу, що надзвичайно повільно осідають, поступово розносяться вітрами над усією планетою, забарвлюючи в яскраві кольори сходи і заходи Сонця протягом кількох місяців після виверження. Наявність великої маси вулканічного попелу в атмосфері знижує кількість сонячної радіації, що досягає поверхні Землі. Вважають, що надлишок вулканічного попелу в повітрі може бути причиною похолодання клімату і навіть сприяти утворенню льодовиків.

Важливою специфічною ознакою стратосфери є наявність в ній шару озону. Найбільша концентрація цього газу виявлена на висотах 23—27 км. Озон поглинає ультрафіолетові промені: на межі атмосфери вони становлять близько 7 % загального потоку сонячної радіації, а до земної поверхні доходять лише соті долі відсотка.

Мезосфера знаходиться на висоті від 50—55 км до 80— 85 км. Для неї характерне дуже швидке зниження температури з висотою. За допомогою метеорологічних супутників і ракет в мезосфері зареєстровано абсолютний мінімум для атмосфери -143 °С. Поблизу верхньої межі температура знижується до -70—90 °С. Внаслідок швидкого падіння температури з висотою тут дуже розвинена турбулентність. Вітер у мезосфері відзначається частою змінністю. Взимку переважають західні вітри з максимальними швидкостями близько 100 м/с, а влітку – східні.

На висотах, які близькі до верхньої межі (82—85 км) мезосфери, утворюються видимі з Землі в присмерки продовгуваті, блискучі, тонкі сріблясті хмари, природу яких ще не вивчено; можливо, вони складаються з дуже дрібних і розсіяних льодових кристаликів.

Термосфера (іоносфера) — величезна за об'ємом, хоч і мізерна за масою (0,5 %) та складна за будовою частина атмосфери.

Вона охоплює простір у межах від 80—85 до 800—1000 км. Складається переважно з азоту і кисню, які знаходяться в іонізованому стані. Під впливом ультрафіолетового і рентгенівського випромінювань Сонця порушується будова їх молекул та атомів. З електронних оболонок атомів відриваються деякі електрони. При втраті одного з електронів атом набуває позитивного заряду. Самі ж електрони є носіями від'ємних зарядів. Так в іоносфері утворюються шари заряджених частинок. Найщільніший з них знаходиться на висотах від 300 до 400 км. З висотою відбувається істотна зміна в процентному співвідношенні азоту і кисню на користь останнього. Так, на висоті 200 км вміст азоту близько 45 %, кисню — 55 %. Вище за 600 км термосфера складається переважно з атомарного кисню.

В термосфері на висоті 80—90 км є холодний (-107°С) ізотермічний шар. Далі до 250 км температура зростає" а ще вище залишається практично незмінною.

Іонізоване повітря термосфери відіграє значну роль у природі та має велике практичне значення. Іоносфера поглинає рентгенівське проміння Сонця, що згубно впливає на все живе на Землі. Вона відбиває радіохвилі, чим забезпечується навколоземний радіозв'язок. У термосфері виникають полярні сяйва і близькі до них за природою світіння нічного неба — постійна люмінесценція атмосферного повітря, а також різкі коливання магнітного поля — іоносферні магнітні бурі.

Над термосферою розташована екзосфера — зовнішня частина земної атмосфери. Цю оболонку ще називають шаром розсіювання газів, бо окремі легкі елементи, які його складають — водень і гелій, долаючи сили земного тяжіння і магнітного поля, назавжди відлітають у космос. Температура в екзосфері з висотою зростає, мабуть, до 2000 °С. Гази тут настільки розріджені, що частинки їх рухаються з величезними швидкостями, пролітають сотні кілометрів без зіткнень. Екзосфера поступово і непомітно переходить у міжпланетний простір.

Між кожними двома сусідніми оболонками виділяють перехідні зони або паузи. Так, тропосфера відокремлена від стратосфери тропопаузою, стратосфера від мезосфери — стратопаузою, а мезосфера від термосфери — мезопаузою. Це дуже тонкі перехідні шари з ознаками властивостей суміжних газових оболонок.

Не так давно вважалося, що атмосфера закінчується на висотах порядку 2000—3000 км. Але нові дані досліджень, одержані за допомогою супутників та ракет, дають підстави твердити, що навколо Землі існує ще так звана земна корона, яка складається з водню. Вона простягається більше ніж на 20 000 км.

Отже, атмосфера має шарувату будову. Нижні шари — головні для живих організмів. Але для біосфери Землі важливе значення мають і ті процеси, що відбуваються на верхніх "поверхах" повітряної оболонки.