Строение атмосферы

Благодаря своему составу атмосфера способна регулировать температуру и отражать опасную для живых организмов часть коротковолновой солнечной радиации, что делает возможным существование жизни на земле. Атмосфера определяет погоду, является одной из важнейших составляющих круговорота вещества в биосфере.

Хозяйственная деятельность человека оказывает мощнейшее давление на атмосферу.Знание процессов, происходящих в атмосфере, позволяет определить возможный критический порог давления на окружающую воздушную среду с тем, чтобы не допустить нежелательных последствий изменения ее состава и функциональных связей с другими составляющими биосферы.

Атмосфера образовалась в результате химических и фотохимических процессов, происходящих на земле под влиянием солнечного излучения. Она хорошо перемешана и постоянна до высоты 100 км. Этот слой называется гомосфера. Выше (до 800 км) имеет место диффузионное разделение газов с преимущественным преобладанием вначале кислорода, затем гелия и водорода. Этот слой, сильно меняющийся по составу, называется гетеросферой.

Основной состав атмосферы близ земной поверхности включает четыре газа (в относительных %): азот – 78,08, кислород – 20,95, аргон – 0,93, углекислый газ – 0,034. Содержание азота постоянно в гомосфере. Фотохимически он диссоциирован на больших высотах в термосфере. Содержание кислорода постоянно в гомосфере. Фотохимически он диссоциирован в термосфере, а также в некоторой степени в мезосфере и стратосфере. Содержание аргона постоянно в гомосфере. На больших высотах оно возрастает благодаря диффузионному разделению.

Содержание следующих газов является постоянным в гомосфере, но на больших высотах их концентрации возрастают благодаря диффузионному разделению (%): Ne– 1,82-10-3; Не – 5,24×10-4; Кr – 1,14×10-4.

Содержание СН4 постоянно в атмосфере (1,5×10-4%), но он диссоциирован в верхней тропосфере и выше.

Содержание Н2 постоянно в гомосфере (5×10-5%); водород является продуктом фотохимической диссоциации Н2О в нижней термосфере. Выше – диссоциирован.

Содержание NO составляет около 10-6%; является продуктом фотохимических реакций в стратосфере и мезосфере. В небольших количествах, имеющих постоянную тенденцию к росту, в атмосфере присутствуют продукты хозяйственной деятельности человека: СО, N2O, NO2, некоторые другие газы.

Термическая структура атмосферы неоднородна (рис. 3.11.1). Нижняя часть – тропосфера - достигает высоты 10 км, характеризуется понижением температуры с 280 до 200°К. Выше - тропопауза – отличается стабильно низкой температурой (до высоты 20 км), за которой следует стратосфера (новое повышение температуры до уровня 280°К), до высоты 60 км. Выше, до уровня 60–80 км, выделяется стратопауза.

Мезосфера распространяется до высоты 90 км с понижением температуры до 200°К. За ней следует мезопауза, выше которой отмечается новое повышение температуры. Этот значительный скачок температуры определяется областью термосферы. Повышение температуры в термосфере (до 130 км и выше) вызвано поглощением верхней атмосферой Земли энергии Солнца. Температура здесь повышается до 480°К.

Благодаря термическому расслоению атмосферы в верхней и нижней ее частях циркуляция происходит независимо друг от друга.

Наиболее перемешивающаяся часть атмосферы – тропосфера. Перемешивание происходит за счет быстрой смены температуры в вертикальном разрезе тропосферы, что способствует ее интенсивному самоочищению. Однако эффект быстрого перемешивания влечет за собой и отрицательные последствия. Любой техногенный выброс, радиоактивные облака и другие загрязнения быстро разносятся в плотных слоях атмосферы и наносят ущерб здоровью населения.

Высота, км

Рис. 3.11.1. Схема вертикальной структуры атмосферы

Менее перемешиваемая часть атмосферы – стратосфера. Загрязняющие ее взвешенные частицы (смог, аэрозоли) могут находиться здесь до нескольких лет. Этот факт вызывает известное беспокойство, поскольку примеси, попавшие туда, воздействуют на человека так же, как и в тропосфере.

Процессы, определяющие состояние атмосферы, помимо перемешивания включают турбулентность, крупномасштабную циркуляцию, стоки, рассеивание, инверсии, процессы естественного самоочищения.

Перемешивание в атмосфере происходит благодаря влиянию ветра, изменению давления, температуры, влажности, приливным гравитационным влияниям. Является мощнейшим фактором самоочищения в атмосфере.

Турбулентностьпроцесс возникновения течений в верхних слоях атмосферы. Повсюду над тропосферой атмосфера термодинамически устойчива по отношению к вертикальным перемещениям, и для того, чтобы турбулентность возникла и продолжала существовать, необходимо совершить работу против сил плавучести. Наиболее очевидным источником энергии в этом случае являются либо приливные волны, либо внутренние гравитационные волны со случайным периодом.

Крупномасштабные циркуляции– упорядоченные движения воздушных масс и метеорологически значимые возмущения, которые прослеживаются до высот 50 км. Выше основную роль перемешивания и возмущений в атмосфере играют внутренние гравитационные волны и атмосферные приливы.

На больших высотах в зимнем полушарии над полярной областью атмосфера остается такой же теплой , как и в низких широтах или в летнем полушарии. Это указывает на то, что на больших высотах в зимнем полушарии существует направленная к полюсу циркуляция. Причем отсутствие притока тепла от Солнца компенсируется нагреванием за счет адиабатического сжатия при нисходящих движениях воздуха.

Стокиопределяются как процесс, в результате которого газы или частицы удаляются из заданного объема атмосферы. Различают химические стоки, то есть, связанные с гомогенными и гетерогенными (на границе газ-жидкость или газ–твердое тело) реакциями, и динамические, обусловленные переносом примесей, их диффузий, гравитационным оседанием или вымыванием осадками.

Состояние атмосферы Земли не всегда было таким, как сейчас. Это результат длительной эволюции Земли. Первоначальная атмосфера на ранних стадиях эволюции Земли (до 4,1 млрд лет) состояла из глубинных газов обширной мантии (подкорового вещества), дегазация которой и породила древнюю атмосферу. В ее составе были пары воды, углекислый, угарный, сернистый газы, метан, аммиак, сероводород, азот. Преобладал углекислый газ. В ходе эволюции биосферы СО2 использовался на строительство живого вещества так же, как и СО, и на создание кислородсодержащей атмосферы – по схеме уравнения фотосинтеза и уравнения Фишера–Тропша

В дальнейшей эволюции атмосферы важную роль играл круговорот вещества, который и определил современное состояние атмосферы. Причем кислород атмосферы примерно в современном объеме уже был образован 1800 млн лет назад. Постепенно формировался озоновый слой, экранируя жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца.

Интенсивные процессы окисления кислородом одного из наиболее распространенных элементов земной коры – железа – могли сформировать, например, колоссальные по мировым запасам руды (например, Курской магнитной аномалии), представляющие собой оксиды железа. Они могли образоваться только при значительных количествах кислорода в древней атмосфере Земли. Связываемый железом кислород атмосферы, таким образом, предупредил развитие кислородной катастрофы на поверхности Земли, так как его неконтролируемый избыток привел бы к немедленному окислению органического вещества, и дальнейшее развитие жизни на Земле стало бы невозможным.

Таким образом, главнейшими процессами, сформировавшими современное состояние воздушного бассейна Земли, являются: дегазация глубинных частей Земли, эволюция состава атмосферы под влиянием химических и фотохимических процессов, фотосинтез и развитие живого вещества, круговорот вещества в геосферах Земли.