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).

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.

Строение атмосферы

I. Тропосфера – (0 до 11-18 км), самый нижний слой атмосферы, соприкасающийся с другими оболочками Земли. Ее верхняя граница находится на высоте 8-10 км в полярных, 10-12 км в умеренных, и 16-18 км в тропических широтах; граница тропосферы зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы, содержит более 80% всей массы атмосферного воздуха и около 90% всего имеющегося в атмосфере водяного пара. Амплитуда температур у поверхности Земли составляет от -89°С до +63°С. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м.

В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Конвекция воздушных масс означает их перемешивание и перемещение от экваториальной зоны к полярным широтам, так в тропосфере формируется погода. Например, кучевые облака, которые мы видим, расположены на высоте 500-2000 м, а перистые – до 15 км. Воронки смерча зафиксированы на высоте 3-5 км, этой же высоты могут достигать современные туристические воздушные шары. Пассажирские самолеты летают на высоте 8-11 км, то есть ниже озонового слоя с целью защиты пассажиров от облучения, а военные и сверхзвуковые – до 18 км, в том числе сверхзвуковой самолет «Конкорд». Рекордом воздухоплавания считается поднятие воздушного шара с человеком на высоту 35 км в 1961 г., а без человека – до 52 км в 1972 г., то есть уже в верхние слои стратосферы.

Озоновый слой в среднем достигает толщины 3 см, а при 0,5 см это пространство считается озоновой дырой. Самая большая озоновая дыра зафиксирована над Антарктидой и увеличилась с 1985 по 1996 гг. в 3 раза. Ее диаметр продолжает расширяться и охватил площадь уже всего Южного полюса, несомненно, влияя на ледниковый компонент.

Тропопауза – переходный слой от тропосферы к стратосфере в котором прекращается снижение температуры с высотой.

II. Стратосфера – (11-18 до 48-55 км), слой, в котором резко снижается концентрация кислорода. Здесь существенно повышается напряжение электрополя, происходит образование озонового слоя в результате сильных грозовых разрядов, когда из 3-х молекул О₂ образуется 2 молекулы О₃ (озона) (3О₂ →2О₃).

Вулканический взрыв выбрасывает обломки породы и пепла на высоту до 12-15 км, а при сильнейших извержениях пепел может достигать стратосферы до 30-45 км. Здесь сгорают мелкие метеориты.

Характерно незначительное изменение температуры в слое 11-25 км (нижний слой стратосферы) и повышение температуры в слое 25-40 км от −56,5°С до 0,8°С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения 273 К (почти 0°C), температура остается постоянной до высоты 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.

III. Мезосфера – (48-50 до 85-90 км), средний слой атмосферы, здесь нет облаков и озона, температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25-0,3)°/100 м и достигает -90°С. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбужденных молекул и т.д. обуславливают свечение атмосферы и в области полярных широт может возникать такое явление как «северное сияние». Передвижение воздушных масс происходит со скоростью до 3000 км/час. Мезосферу пронизывают метеоры, метеориты, здесь обычно взрываются болиды, плавятся и догорают космические природные объекты. Сюда же запускают радиозонды.

Мезопауза – переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры наблюдается минимум (около -90 °C).

После мезопаузы располагается Линия Кармана – высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом и проходит на высоте 100 км. До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную, хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжелых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0°C в стратосфере до -110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200-250 км соответствует температуре примерно 150°C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.

IV. Термосфера – (85-100 до 700-800 км), самый горячий слой атмосферы, молекулы газа под воздействием солнечного излучения раскаляются до 2000°С и разрушаются. На высотах свыше 300 км преобладает не молекулярный кислород (О₂), а атомарный (О).

В состав термосферы входит ионосфера (нижняя часть) и экзосфера (верхняя, граничащая с космосом). Принято считать, что граница атмосферы Земли и ионосферы находится на высоте 118 км. Это показывает анализ движения высокоэнергетических частиц, перемещающихся в атмосфере и ионосфере.

В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера – это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже ее лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой и лежит на высоте около 120 км.

Верхний предел термосферы – около 800 км. Температура растет до высот 200-300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остается почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха, возникают интенсивные «северные или полярные сияния». Основные области ионосферы лежат внутри термосферы. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца. В периоды низкой активности, например, в 2008-2009 гг. происходило заметное уменьшение размеров слоя.

Выше термосферы расположена термопауза – в которой поглощение солнечного излучения незначительно и температура фактически не меняется с высотой.

V. Экзосфера – (700-800 км и выше 2000-2400 км), зона рассеивания, внешняя часть термосферы и верхняя часть атмосферы, почти уже космос, здесь практически нет кислорода и очень холодно. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идет утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).

На высоте около 2000-3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

Орбиты метеорологических спутников достигают 700-1500 км, орбитальных станций свыше 1000 км. На высоте 36000 км расположены станции спутниковой связи, поскольку эта зона космоса, здесь нет больших помех и высокая скорость радиоволн, а большая высота над уровнем Земли позволяет охватить максимальные территории, практически всю полусферу.