Особенности вертикального распределения температуры

Введение

Три последних десятилетия характеризуются стремительным ростом интереса к экологическим проблемам и, в первую очередь к химическим процессам, происходящим в земной атмосфере. Необходимость решения практических задач, связанных с негативными последствиями все возрастающей хозяйственной деятельности, стимулировало как прикладные, так и теоретические исследования в этой области. В этой связи первостепенное значение приобретает проблема борьбы с загрязнением атмосферы, которая особо остро стоит в промышленно развитых странах и невозможна без создания и эффективного функционирования надежной системы контроля качества воздуха. Изучение химических реакций, происходящих в атмосфере, исследование промышленных загрязнений атмосферы, методов контроля этих процессов и очистка атмосферы от газообразных и аэрозольных загрязнений, представляют важную проблему и должны решаться не только глобально, но и на каждом рабочем месте. Все это и является предметом представленного курса лекций.

Лекция № 1. Строение и состав атмосферы

Ключевые слова и понятия

1.1. Атмосфера

1.2. Тропосфера

1.3. Тропопауза

1.4. Стратосфера

1.5. Мезосфера

1.6. Термосфера

1.7. ионосфера

1.8. Экзосфера

1.9. Гомосфера

1.10. Гетеросфера

1.11. Диссипация

1.12. Закон Больцмана

1.13. Постоянные компоненты

1.14. Переменные компоненты

1.15. Период выведения

1.16. Парниковый эффект

1.17. Фотолитическое разложение

1.18. Химическая связь

1.19. Ковалентная связь

Входная информация

Приступая к изучению данной темы, Вам необходимо восстановить в памяти (или восполнить) знания из прошлых периодов обучения:

- из курса средней школы: значение понятий атом, молекула, химический элемент, простые и сложные вещества.

- из курса «Химия» для студентов технических специальностей: химическая связь (1.18), ковалентная связь (1.19)

Химической связью (1.18) называют силы удерживающие атомы в новых образованиях (молекулах, молекулярных ионах, кристаллах).

Ковалентная связь(1.19) - наиболее общий вид химической связи, возникающий за счет обобществления электронной пары посредством двух возможных механизмов (обменного и донорно-акцепторного).

Структура темы

1. Особенности вертикального распределения температуры.

2. Изменение плотности воздуха с высотой.

3. Химический состав воздуха у земной поверхности

4. Влияние содержания переменных компонентов на температуру атмосферы.

5. Глобальные проблемы загрязнения воздуха.

5.1 Парниковый эффект и изменение климата.

5.2. Истощение озонового слоя (озоновые дыры)

Особенности вертикального распределения температуры.

Атмосферой называется область пространства вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землей как единое целое.

Атмосфера Земли (1.1) - область пространства вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землей как единое целое.

Масса атмосферы составляет около 5,15•10¹⁵ т.

Атмосфера Земли (1.1), или «воздушный океан», состоит из газов, необходимых для поддержания жизни на Земле.

Наблюдения за многими явлениями в атмосфере показывают, что атмосфера имеет ясно выраженное слоистое строение. Основные черты слоистой структуры атмосферы определяется в первую очередь особенностями вертикального распределения температуры (см.рис.1).

Рис.1. Слоистая структура атмосферы

По высоте ее можно разделить на пять слоев, или оболочек, окружающих земной шар: тропосферу (1.2.), стратосферу (1.4.), мезосферу (1.5.), термосферу (1.6.) и экзосферу (1.8.). Их границы определяются по резким изменениям температуры, обусловленным различиями в поглощении солнечной радиации.

Тропосферой(1.2.) является нижняя часть атмосферы, где наблюдается интенсивное турбулентное перемешивание воздуха. Верхняя граница тропосферы располагается на высоте примерно 16 - 18 км над уровнем моря у экватора и около 8 -10 км в полярных широтах.

Тропосфера(1.2.) - нижняя часть атмосферы с высотой в полярных широтах 8 – 10км и над уровнем моря у экватора - 16 - 18 км.

Тропосфера является областью активного взаимодействия с океаном и сушей, в ней сосредоточена основная масса паров воды и мелких твердых частиц, переносимых воздушными массами. В тропосфере происходят фотохимические реакции, имеющие важное значение для биосферы. С высотой температура в тропосфере понижается до 220К.

ВНИМАНИЕ! Температура воздуха в тропосфере убывает на 6 градусов на каждый километр высоты.

Над тропосферой расположен переходной слой – тропопауза (1.3.), который намечает область сильного снижения температуры (средняя температура 190-220^оК) и отсутствия паров воды.

Тропопауза (1.3.) – верхняя граница тропосферы.

Выше тропопаузы простирается стратосфера (1.4.) на высоте от 18 до 48 км над земной поверхностью, где наблюдается разреженность газов, сложно меняются термические условия.

Стратосфера (1.4.) – слой атмосферы, расположеннойот тропопаузы на высоте от 18 до 48 км над земной поверхностью, где температура достигает своего максимального значения - 270 К.

На высоте 25 – 30 км под воздействием солнечной радиации происходит фотодиссоциация молекул кислорода и образуется озон (О₃). Молекулы озона сильно рассеяны. Если бы они находились в условиях, обычных для поверхности Земли, под давлением 101325 Па, то мощность озонового слоя была бы менее 1 см. Очень разреженный слой озона поглощает 97% ультрафиолетовой части солнечной радиации. Без этого экрана существование жизни на поверхности суши было бы невозможно. Температура в стратосфере с высотой увеличивается и достигает своего максимального значения - 270 К.

Выше стратосферына высоте от 55 до 80 км расположен слой атмосферы, который называют мезосферой.

Мезосфера (1.5.) – слой атмосферы, расположенный на высоте от 55 до 80 км, где температура понижается до 180 К.

В мезосфере нарастает разреженность газов, меняются термические условия, температура понижается до 180 К.

Над мезосферой (1.5.) расположен переходной слой мезопауза (на высоте 80 – 90 км), а выше термосфера (1.6.), где температура повышается с высотой и достигает очень больших значений 1000 К.

Термосфера (1.6.) – слой атмосферы на высоте от 90 до 1000 км, где температура увеличивается с высотой и достигает 1000 К.

Рост температуры в термосфере связан с поглощением жесткой компоненты солнечной радиации молекулами и атомами кислорода и азота. На удалении от 80 до 800 км от поверхности Земли располагается ионосфера (1.7.) – область сильного разреженного, ионизированного газа.

Ионосфера (1.7.) - область сильного разреженного, ионизированного газа на высоте 80 – 800 км.

Самая наружная часть газовой оболочки - экзосфера (1.8). – простирается от 1000 до 1800 км откуда атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство и где происходит постепенный переход от атмосферы к межпланетному пространству.

Экзосфера (1.8.) – слой атмосферы на высоте от 1000 до 1800 км, где атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство, и где происходит постепенный переход от атмосферы к межпланетному пространству.

ВНИМАНИЕ!!! Из всех рассмотренных слоев атмосферы загрязнены главным образом два нижних слоя атмосферы (тропосфера и стратосфера).

Слоистая структура атмосферы имеет много и других разнообразных проявлений. Например, неоднороден состав атмосферы. Так на высоте до 90 км., где существует интенсивное перемешивание воздуха, относительный состав атмосферы остаётся практически неизменным. Весь этот слой получил название гомосферы (1.9)).

Гомосфера (1.9) – слойвоздуха на высоте до 90 км, гдеотносительный состав остается практически неизменным за счет интенсивного перемешивания воздуха.

На высоте выше 90 км. под действием ультрафиолетового излучения Солнца происходит диссоциации молекул атмосферных газов и образование новых частиц. Этот слой атмосферы называется гетеросферой (1.10.).

Гетеросфера (1.10.) - слойвоздуха на высоте выше 90 км, где под влиянием диссоциации молекул атмосферных газов, под действием ультрафиолетового излучения Солнца происходит сильное изменение химического состава атмосферы.

В гетеросфере наблюдается наиболее значительные изменения состава воздуха с высотой: по мере удаления от поверхности вследствие гравитационной сепарации атмосфера обогащается более легкими газами. Если в слое атмосферы от 100 до 200 км. основными компонентами воздуха остаются молекулы азота (N₂) и кислорода (О₂), то слой атмосферы выше 600 км. обогащен более легкими молекулами гелия (Не) и водорода (Н₂). Из экзосферы происходит диссипация (1.11.) –потеря Землей наиболее легких атомов водорода и гелия.

Диссипация (1.11.) –потеря Землей наиболее легких атомов водорода и гелия.

На высоте от 80 до 800 км. От поверхности Земли располагается ионосфера – область сильно разряженного, ионизированного газа.