5.1. Физико-химические свойства атмосферы

Атмосфера (от. др.-греч. ἀτμός-пар и σφαῖρα-шар) – внешняя геологическая газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя ее поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя – граничит с околоземной частью космического пространства. Атмосфера Земли возникла в результате выделения газов при вулканических извержениях. С появлением океанов и биосферы она формировалась и за счет газообмена с водой, растениями, животными, продуктами их разложения в почвах и болотах.

Основные свойства атмосферы – теплообмен, увлажнение и защита поверхности планеты. Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли. В ней различают 5 основных слоев, а ¾ всех газов сосредоточены в первых 16 км от Земли, то есть нижних слоях атмосферы. Совокупность разделов физики и химии, изучающих атмосферу, принято называть физикой атмосферы, изучением погоды занимается метеорология, а вариациями климата – климатология.

Толщина атмосферы – примерно 2000-3000 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха в атмосфере – (5,1-5,3)·10¹⁸ кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27·10¹⁶ кг.

На долю тропосферы приходится около 80% массы атмосферы, на долю стратосферы – около 20%; масса мезосферы – не более 0,3%, термосферы – менее 0,05% от общей массы атмосферы.

На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу.

За «нормальные условия» (н.у.) у поверхности Земли приняты: плотность воздуха у поверхности моря 1,2 кг/м³, барометрическое давление 101,35 кПа (при 0°C на уровне моря), температура плюс 20°C и относительная влажность 50%. Эти условные показатели имеют чисто инженерное значение. Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966 г/моль, критическая температура – 140,7°C; критическое давление – 3,7 МПа. Растворимость воздуха в воде (по массе) при 0°C – 0,0036%, при 25°C – 0,0023%.

Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H₂O) и углекислого газа (CO₂).

газ	по объему, %	по массе, %
Азот (N2)	78,084	75,50
Кислород (O2)	20,946	23,10
Аргон (Ar)	0,932	1,286
Вода (H2O)	0,5-4
Углекислый газ (СО2)	0,0387	0,059

В среднем считают: N₂ – 78%, O₂ – 21%, прочие газы – 1%: неон (Ne), гелий (He), метан (CH₄), криптон (Kr), водород (H), ксенон (Xe), из них СО₂ – 0,03%. Входят в незначительных количествах: озон (О₃), оксиды азота и серы - NО, NО₂, SO₂, нитросоединения – NH₃, угарный газ (СО), углеводороды (СН), хлор и фтор водородные соединения – HCl, HF, пары ртути (Hg) и йода (I₂), и многие другие газы, имеющие возможность образовывать сложные соединения, в том числе опасные для живой природы и разрушающие озоновый экран планеты – кислотные дожди, фреоны и др. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твердых (пыль, кристаллы льда, морские соли, продукты горения) и жидких частиц (аэрозоль, вода).

Концентрация кислорода может незначительно колебаться под воздействием антропогенных и природных факторов у поверхности Земли, в низменностях, в зоне лесных пожаров, при длительной засухе с высокими температурами, критических низких температурах на полюсах Земли, снижается на высоте 3,5 км и существенно ниже свыше 6 км.