Значение, строение, состав и свойства атмосферы

Атмосфера является одним из необходимых условий возникновения и существования жизни на Земле. Она участвует в формировании климата на планете, регулирует ее тепловой режим, способствует перераспределению тепла у поверхности. Часть лучистой энергии Солнца поглощается атмосферой, а остальная энергия, достигая поверхности Земли, частично уходит в почву, водоемы, а частично отражается в атмосферу.

Атмосфера предохраняет Землю от резких колебаний температуры. При отсутствии атмосферы и водоемов температура поверхности земли в течение суток колебалась бы в интервале 200˚ С. Благодаря наличию кислорода атмосфера участвует в обмене и круговороте веществ в биосфере.

В современном состоянии атмосфера существует сотни миллионов лет, все живое приспособлено к строго определенному ее составу. Газовая оболочка защищает живые организмы от губительных ультрафиолетовых, рентгеновских и космических лучей. Атмосфера предохраняет Землю от падения метеоритов.

В атмосфере распределяются и рассеиваются солнечные лучи, что создает равномерное освещение. Она является средой, где распространяется звук. Из–за действия гравитационных сил атмосфера не рассеивается в мировом пространстве, а окружая Землю, вращается вместе с ней.

В тропосфере находится около 80 % всего атмосферного воздуха, где содержится почти весь водяной пар. Температура в тропосфере понижается с высотой со средним градиентом 0,6˚ С/100 м.

На границе тропосферы расположен относительно тонкий переходной слой – тропопауза. Затем следует стратосфера, верхняя граница которой проходит на высоте около 55 км. В этом слое температура воздуха повышается с градиентом 0,1 – 0,2˚ С/100 м, а у верхней границы достигает положительных значений. В стратосфере воздух также перемещается, его количество составляет около 19 % от всей массы атмосферы, содержание водяных паров очень мало. Стратосфера заканчивается стратопаузой.

Следующий слой атмосферы – мезосфера, заканчивающийся мезопауза. Выше находится термосфера, которую часто называют ионосферой, т.к. газы находятся здесь в ионном состоянии. Наиболее интенсивно процесс ионизации происходит в диапазоне высот от 60 – 80 до 220 – 400 км. Эти слои оказывают влияние на распространение радиоволн. Самая верхняя часть атмосферы – экзосфера.

Основной (по массе) компонент воздуха – азот. В нижних слоях атмосферы его содержание составляет 78,09%. В газообразном состоянии азот инертен, а в соединениях в виде нитратов он играет важную роль в биологическом обмене веществ.

Самый активный в биосферных процессах газ атмосферы – кислород. Он содержится в атмосфере в количестве около 20,94 %. Кислород поглощается животными в процессе дыхания и выделяется растениями как обычный продукт фотосинтеза.

Важная составляющая часть атмосферы – диоксид углерода (СО2), который составляет 0,03 % ее объема. Он существенно влияет на погоду и климат на Земле. Содержание диоксида углерода в атмосфере не остается постоянным. Он поступает в атмосферу из вулканов, горячих ключей, при дыхании человека и животных, при лесных пожарах, потребляется растениями, хорошо растворяется в воде. Количество растворенного углекислого газа в океане – 1,3·1014.

В небольших количествах в атмосфере содержится оксид углерода (СО). Инертных газов, таких как аргон, гелий, неон, криптон, ксенон также немного. Из них больше всего аргона – 0,934 %. В состав атмосферы входят также водород и метан. Инертные газы попадают в атмосферу в процессе непрерывного естественного радиоактивного распада урана, тория, радона.

В верхних слоях атмосферы расположен в небольшой концентрации озон. Поэтому эту часть атмосферы часто называют озоновым экраном. Озон играет большую роль в формировании температурного режима нижележащих слоев атмосферы и следовательно, воздушных течений. Над различными участками земной поверхности и в разное время года содержание озона неодинаково. Его больше в высоких широтах, меньше в средних и низких. Весной озона больше, чем осенью.

Озон является продуктом соединения молекулярного кислорода с атомарным, образующимся под воздействием ультрафиолетовых солнечных лучей.Общее содержание озона в атмосфере невелико – 2,1 %, но он отражает до 95 5 ультрафиолетовых лучей, что предохраняет живые организмы от их губительного действия. Задерживая до 20 % инфракрасных излучений, озон повышает утепляющие действия атмосферы. На формирование озонового экрана влияет наличие в стратосфере хлора, оксидов азота, водорода, фтора, брома, метана, обеспечивающих фотохимические реакции разрушения озона.

Помимо газов в атмосфере имеются вода и аэрозоли. В атмосфере вода находится в твердом, жидком и газообразном состоянии. При конденсации водяных паров образуются облака. Полное обновление водяных паров происходит за 9 – 10 суток.

В атмосфере встречаются вещества и в ионном состоянии до нескольких десятков тысяч на 1 см воздуха.

Существующая в настоящее время атмосфера Земли является результатом многообразных географических и биологических процессов, которые продолжаются и в настоящее время.

Первичным источником энергии атмосферного тепла для Земли служит Солнце. Излучение Солнца эквивалентно излучению абсолютно черного тела с температурой около 6000˚ К с длиной волны 0,15 – 4 мкм. Поверхности Земли достигает малая доля энергии. Часть энергии отражается, а остальная поглощается, превращаясь в тепловую. Эта энергия вызывает конвективное движение в атмосфере. Так как 71 % поверхности Земли занято водой, поглощение солнечной энергии сопровождается испарением. Теплота, затраченная на испарение, освобождается в атмосфере, способствуя ее перемещению.

Неравномерность нагревания воздуха определяет горизонтальные перемещения в атмосфере из области высокого давления в область низкого, т.е. из холодных зон в теплые. Вращение Земли изменяет характер их движения. Кроме давления действует сила Кориолиса, возникающая от вращения Земли, которая зависит от скорости ветра, широты местности и угловой скорости.

Атмосфера неоднородна не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении. Воздух, перемешиваясь над различными участками поверхности (материки, океаны, горы, леса, степи, пустыни), изменяет свои физические свойства, т.е. происходит трансформация воздуха. Поскольку воздух никогда не находится в полном покое, он трансформируется непрерывно. Особенно интенсивно физические свойства воздуха изменяются при его перемешивании из одних широт в другие – с суши к океану и наоборот.

Неодинаковые направления воздуха над различными участками поверхности Земли формируют теплые и холодные, устойчивые и неустойчивые массы воздуха. При горизонтальном перемешивании теплые и холодные воздушные потоки могут сближаться или удаляться друг от друга. При сближении объемов воздуха с различными физическими свойствами горизонтальные градиенты температуры, влажности, давления увеличиваются, скорость ветра возрастает. При удалении их друг от друга градиенты и скорость ветра уменьшаются.

Зоны, в которых происходит сближение масс воздуха, называют фронтами. Они непрерывно возникают и разрушаются. Ширина фронтальных зон относительно невелика, но в них концентрируются большие запасы энергии, образуются крупнейшие вихри – циклоны и антициклоны. Они в свою очередь оказывают большое влияние на рассеивание или большую концентрацию загрязнителей в атмосфере.