5.1. Атмосфера: походження, склад, будова,
значення для ГО.
Атмосфера - повітряна оболонка Землі, яка утримується силою тяжіння і бере участь в обертанні планети. Сила земного тяжіння утримує атмосферу поблизу поверхні Землі. Найбільший тиск і щільність атмосфери спостерігаються у земної поверхні, у міру підняття вгору тиск і щільність зменшуються. На висоті 18 км тиск убуває в 10 разів, на висоті 80 км - в 75 000 разів. Нижньою межею атмосфери є поверхня Землі, верхньою межею умовно прийнята висота 1000-1200 км. Маса атмосфери становить 5,13 x 10 15 т, причому 99% цієї кількості міститься в нижньому шарі до висоти 36 км.
Докази існування високих шарів атмосфери наступні:
-на висоті 22-25 км в атмосфері розташовуються перламутрові хмари;
-на висоті 80 км бувають видно сріблясті хмари;
-на висоті близько 100-120 км спостерігається згоряння метеоритів, тобто тут атмосфера володіє ще достатньою щільністю;
-на висоті близько 220 км починається розсіювання світла газами атмосфери (явище сутінків);
-полярні сяйва починаються приблизно на висоті 1000-1200 км, дане явище пояснюється іонізацією повітря корпускулярним потоками, що йдуть від сонця. Сильно розріджена атмосфера простягається до висоти 20 000 км, вона утворює земну корону, непомітно переходячи в міжпланетний газ.
Атмосфера, як і планета в цілому, обертається проти годинникової стрілки із заходу на схід. Через обертання вона набуває форму еліпсоїда, тобто товщина атмосфери у екватора більше, ніж поблизу полюсів. Вона має виступ в напрямку, протилежному Сонцю, цей «газовий хвіст» Землі, розріджене як у комет, має довжину близько 120 тис. Км. Атмосфера пов'язана з іншими геосферами тепловлагообменом. Енергією атмосферних процесів служить електромагнітне випромінювання Сонця.
Розвиток атмосфери. Водень і гелій найбільш поширені елементи в космосі, що входять до складу протопланетного газопилового хмари, з якого виникла Земля. Внаслідок дуже низької температури цієї хмари найперша земна атмосфера складалася з водню і гелію, тому що всі інші елементи речовини, з якого складалося хмара, були в твердому стані. Така атмосфера спостерігається у планет-гігантів, очевидно, через велику тяжіння планет і віддаленості від Сонця вони зберегли первинні атмосфери.
Потім був розігрів Землі: тепло породжувалося гравітаційним стисненням планети і розпадом всередині її радіоактивних елементів. Земля втратила воднево-гелієву атмосферу і створила свою власну вторинну атмосферу з газів, що виділилися з її надр (вуглекислий газ, аміак, метан, сірководень). На думку А.П. Виноградова (1959), в цій атмосфері найбільше було H2 O, потім CO2. CO, HCl, HF, H2 S, N2. NH4 Cl і CH4 (приблизно такий же склад і сучасних вулканічних газів). В. Соколов (1959) вважав, що тут були також H2 і NH3. Кисень був відсутній, в атмосфері панували відновлювальні умови. Зараз подібні атмосфери спостерігаються у Марса і Венери, вони на 95% складаються з вуглекислого газу.
Наступний етап розвитку атмосфери був перехідним - від абіогенного до біогенного, від відновлювальних умов до окислювальних. Головними складовими частинами газової оболонки Землі стали N2. CO2. CO. В якості побічних домішок - CH4. O2. Кисень виникав з молекул води у верхніх шарах атмосфери під дією ультрафіолетових променів Сонця; міг він виділяться і з тих окислів, з яких складалася земна кора, але переважна частина його йшла знову на окислення мінералів земної кори або на окислення водню і його сполук в атмосфері.
Такий шлях від воднево-гелієвої атмосфери до сучасної, головну роль в якій тепер грають азот і кисень, а в якості домішок присутні аргон і вуглекислий газ. Сучасний азот також біогенного походження.
Атмосферне повітря - механічна суміш газів, в якій в підвішеному стані містяться пил і вода. Чистий і сухе повітря на рівні моря являє собою суміш декількох газів, причому співвідношення між головними складовими атмосферу газами - азотом (об'ємна концентрація 78,08%) і киснем (20,95%) - постійно. Крім них, в атмосферному повітрі містяться аргон (0,93%) і вуглекислий газ (0,03%). Кількість інших газів - неону, гелію, метану, криптону, ксенону, водню, йоду, чадного газу та оксидів азоту - мізерно мало (менше 0,1%) (табл. 3).
Газовий склад атмосфери
У високих шарах атмосфери склад повітря змінюється під впливом жорсткого випромінювання Сонця, яке призводить до розпаду (дисоціації) молекул кисню на атоми. Атомарний кисень є основним компонентом високих шарів атмосфери. Нарешті, в найбільш віддалених від поверхні Землі шарах атмосфери головними компонентами стають найлегші гази - водень і гелій. У верхніх шарах атмосфери виявлено нове з'єднання - гідроксил (ОН). Наявність цього з'єднання пояснює утворення водяної пари на великих висотах в атмосфері. Оскільки основна маса речовини зосереджена на відстані 20 км від поверхні Землі, то зміни складу повітря з висотою не надають помітного впливу на загальний склад атмосфери.
Найважливішими компонентами атмосфери є озон і вуглекислий газ. Озон - трьохатомний кисень (О3), присутній в атмосфері від поверхні Землі до висоти 70 км. У приземних шарах повітря він утворюється, в основному, під впливом атмосферної електрики і в процесі окислення органічного речовин, а в більш високих шарах атмосфери (стратосфері) - в результаті впливу ультрафіолетової радіації Сонця на молекулу кисню. Основна маса озону перебуває в стратосфері (з цієї причини стратосферу досить часто називають озоносферой). Шар максимальної концентрації озону на висоті 20-25 км отримав назву озонового екрану. В цілому, озоновий шар поглинає близько 13% сонячної енергії. Зниження концентрації озону, над певними районами отримало назву «озонових дір».
Вуглекислий газ разом з водяною парою викликає парниковий ефект атмосфери. Парниковий ефект - нагрівання внутрішніх верств атмосфери, пояснюються здатністю атмосфери пропускати короткохвильове випромінювання Сонця і не випускати довгохвильове випромінювання Землі. Якби вуглекислого газу в атмосфері було б в два рази більше, середня температура Землі досягла б 18 0 С, зараз вона дорівнює 14-15 0 С.
Загальна вага газів атмосфери становить приблизно 4,5 х 10 15 т. Таким чином, «вага» атмосфери, припадає на одиницю площі, або атмосферний тиск, складає на рівні моря приблизно 10,3 т / м 2.
У повітрі багато твердих частинок, діаметр яких становить частки мікрона. Вони є ядрами конденсації. Без них було б неможливе утворення туманів, хмар, випадання опадів. З твердими частинками в атмосфері пов'язано багато оптичні і атмосферні явища. Шляхи надходження їх в атмосферу різні: вулканічний попіл, дим при спалюванні палива, пилок рослин, мікроорганізми. Останнім часом ядрами конденсації служать промислові викиди, продукти радіоактивного розпаду.
Важливою складовою частиною атмосфери є водяна пара, кількість його у вологих екваторіальних лісах досягає 4%, в полярних районах знижується до 0,2%. Водяна пара поступає в атмосферу внаслідок випаровування з поверхні грунту і водойм, а також транспірації вологи рослинами. Водяна пара є парниковим газом, разом з вуглекислим газом він утримує велику частину довгохвильового випромінювання Землі, оберігаючи планету від охолодження.
Атмосфера не є ідеальним ізолятором; вона має здатність проводити електрику завдяки впливу іонізаторів - ультрафіолетового випромінювання Сонця, космічних променів, випромінювання радіоактивних речовин. Максимальна електрична провідність спостерігається на висоті 100-150 км. В результаті сукупної дії іонів атмосфери і заряду земної поверхні створюється електричне поле атмосфери. По відношенню до земної поверхні атмосфера заряджена позитивно. Виділяють нейтросферу - шар з нейтральним складом (до 80 км) і іоносферу - іонізований шар.
Розрізняють декілька основних шарів атмосфери. Нижній, що прилягає до земної поверхні, називається тропосферою (висота 8-10 км біля полюсів, 12 км в помірних широтах і 16-18 км - над екватором). Температура повітря з висотою поступово знижується - в середньому на 0,6º С на кожні 100 м підйому, що помітно проявляється не тільки в гірських районах, а й на височинах Білорусі.
У тропосфері міститься до 80% всієї маси повітря, основна кількість атмосферних домішок і практично весь водяний пар. Саме в цій частині атмосфери на висоті 10-12 км утворюються хмари, виникають грози, дощі і інші фізичні процеси, що формують погоду і визначають кліматичні умови в різних областях нашої планети. Нижній шар тропосфери, що примикає безпосередньо до земної поверхні називають приземним шаром.
Вплив земної поверхні простягається приблизно до висоти 20 км, а далі нагрівання повітря відбувається безпосередньо Сонцем. Таким чином, межа ГО, що лежить на висоті 20-25 км, визначається, в тому числі, і тепловим впливом земної поверхні. На цій висоті зникають широтні відмінності в температурі повітря, і географічна зональність розмивається.
Вище починається стратосфера. яка простягається до висоти 50-55 км від поверхні океану або суші. Цей шар атмосфери значно розріджене, кількість кисню та азоту зменшується, а водню, гелію і інших легких газів збільшується. Утворений тут озоновий шар поглинає ультрафіолетову радіацію і сильно впливає на теплові умови поверхні Землі і фізичні процеси в тропосфері. У нижній частині стратосфери температура повітря постійна, тут розташовується ізотермічний шар. Починаючи з висоти 22 км, температура повітря підвищується, на верхній межі стратосфери вона досягає 0 0 С (підвищення температури пояснюється наявністю тут озону, що поглинає сонячну радіацію). У стратосфері відбуваються інтенсивні горизонтальні переміщення повітря. Швидкість повітряних потоків досягає 300-400 км / ч. У стратосфері міститься менше 20% повітря атмосфери.
На висоті 55-80 км знаходиться мезосфера (в цьому шарі температура повітря з висотою зменшується і поблизу верхньої межі падає до -80 0 С), між 80-800 км розташована термосфера. в складі якої переважають гелій і водень (температура повітря швидко зростає з висотою і досягає 1000 0 С на висоті 800 км). Мезосфера і термосфера разом утворюють потужний шар, званий іоносферою (область заряджених частинок - іонів і електронів).
У житті ГО атмосфера має величезне значення. Атмосфера надає благодатний вплив на клімат Землі, оберігаючи її від надмірного охолодження і нагрівання. Добові коливання температури на нашій планеті без атмосфери досягли б 200º С: вдень + 100º С і вище, вночі - 100º С. В даний час середня температура повітря біля поверхні Землі дорівнює + 14º С. Атмосфера не пропускає до Землі метеорити і жорстке випромінювання. Без атмосфери не було б звуку, полярних сяйв хмар і опадів.