Распределение температуры, давления и других параметров по высоте

Находящийся над Землёй воздух давит на неё с силой более одного килограмма на каждый квадратный сантиметр поверхности. Эту величину легко подсчитать, зная, что нормальное атмосферное давление уравновешивается столбом ртути (плотность 13,6 г/см3) высотой 760 мм.

Общее давление атмосферы может быть разложено на давления отдельных составляющих её газов. В этом случае говорят об их парциальных (частичных) давлениях. Например, из общей величины в 760 мм рт. ст. на долю кислорода приходится 760·21/100 = 160 мм рт. ст. Вся жизнь на земной поверхности развивалась в условиях давления атмосферы, поэтому мы не замечаем его, подобно тому как глубоководные рыбы не замечают колоссальных давлений на больших глубинах океана, тогда как на глубине 11 км давление превышает 1000 атм. Среднее атмосферное давление в зависимости от высоты над уровнем моря имеет следующие значения:

Высота, км

0

1

2

3

4

5

10

20

50

100

Давление, мм рт. ст.

760

673

594

524

461

405

210

42,0

0,76

0,0006

Соотношение между постоянными составными частями воздуха в нижних слоях атмосферы с высотой почти не меняется.

Налагаемая атмосферным давлением на живые организмы нагрузка гораздо значительнее, чем это представляется с первого взгляда. Общая поверхность человеческого тела составляет в среднем около 20 тыс. см2. Это значит, что человек незаметно для себя испытывает постоянную нагрузку примерно в 20 т.

Непосредственно примыкающий к поверхности Земли слой атмосферы характеризуется довольно закономерным изменением температуры: последняя понижается примерно на 6 град. с каждым километром высоты. Слой этот — тропосфера — простирается на высоту около 18 км у экватора и 7 км у полюсов. Между ним и Землёй существует известная разность потенциалов, причём тропосфера заряжена положительно, а земная поверхность отрицательно. Основное значение для поддержания разности потенциалов имеет постоянное поступление в атмосферу множества мельчайших капелек морской воды, срываемых с гребней океанских волн и приобретающих при этом значительный положительный заряд.

Содержание чистого сухого воздуха дано в таблице 3.2.1.

Таблица 3.2.1

Компоненты чистого сухого воздуха

 

Более высокие слои атмосферы принято делить на стратосферу (приблизительно до 40 км), мезосферу (40-80 км), термосферу (80-800 км) и экзосферу (выше 800 км). Границы между этими слоями не являются чёткими и несколько изменяются в зависимости от широты местности, времени года и общего состояния атмосферы. Верхняя граница того или иного слоя носит название соответствующей «паузы». Так, граница между тропосферой и стратосферой называется тропопаузой. На высотах порядка нескольких тысяч километров экзосфера постепенно переходит в межпланетный газ.

Помимо приведённой выше общей классификации атмосферных слоёв, для некоторых из них применяются другие названия. Так, слой высотой 30-80 км, в котором преимущественно протекают химические реакции под действием солнечных лучей, иногда называют хемосферой; слой выше 80 км, характеризующийся большим относительным содержанием заряженных частиц - ионосферой. Под «верхней атмосферой» в различных случаях понимают разные слои атмосферы.

Основной химический состав атмосферы примерно до 1000 км остаётся азотно-кислородным. В противоположность монотонно уменьшающемуся давлению, температурная кривая имеет минимум на высоте около 20 км, максимум около 50 км и новый минимум в мезопаузе. После этого температура начинает расти, достигая примерно 900°С уже на высоте 200 км.

Общий характер высотного изменения температуры воздуха был предугадан Аристотелем. Он делил атмосферу на три слоя, из которых прилегающий к Земле пригоден для жизни, следующий сильно охлаждён, а самый верхний, наоборот, сильно нагрет. Средний молекулярный вес
воздуха равен 29.

Земная атмосфера подразделяется на слои в соответствии с их температурой. На рис. 3.2.1 высота слоев указана приблизительно, поскольку она меняется в зависимости от точки отсчета.

Рис.3.2.1. Строение атмосферы

К основным загрязнителям атмосферы, которых, по данным ЮНЕП, ежегодно выделяется до 25 млрд т, относят:

·  диоксид серы и частицы пыли     – 200 млн т/год;

·  оксиды азота (NxOy) – 60 млн т/год;

·  оксиды углерода (СО и СО2) – 8000 млн т/год;

·  углеводороды (СxНу) – 80 млн т/год.