Химический состав сухого воздуха

В нижних слоях атмосферы (до высоты 20 км) помимо перечисленных в таблице газов в воздухе обычно присутствует то или иное количество водяного пара, в среднем около 0,16 % (от 3 % в тропиках до 2·10^-5% в Антарктиде у поверхности земли), большая его часть (90 %) сосредоточена в нижнем пятикилометровом слое атмосферы. Общее количество воды в атмосфере таково, что если вся она сконденсируется, то жидкость покроет поверхность Земли слоем толщиной около 2 см.

Химический состав атмосферы практически не изменяется до высот около 90 км, поскольку перемешивания воздуха под действием весьма сильных ветров, характерных для высот порядка 80 км (до 160 км/час), достаточно, чтобы предотвратить заметную диффузию легких газов. С ростом высоты (до 20 – 25 км) под действием солнечного излучения небольшая доля кислорода O₂превращается в озон O₃, о роли которого мы будем говорить ниже. На высотах более 100 км начинает возрастать доля легких газов, и на очень больших высотах преобладают водород и гелий. На высотах, начиная от 50 – 80 км, под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит разложение молекул атмосферных газов с образованием ионов и свободных электронов. Слой атмосферы, характеризующийся наличием большого числа ионов и свободных электронов, носит названиеионосферы, именно в этом слое образуются полярные сияния.

Давление и плотность воздуха с высотой убывают. Плотность воздуха на высоте 95 км составляет только одну миллионную часть приповерхностного значения. Половина всего воздуха сосредоточена в первых 5,6 км над поверхностью земли, половина оставшегося – до высоты 11,3 км и т.д.

В зависимости от распределения температуры воздуха в атмосфере выделяют тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.

Тропосфера – нижний слой атмосферы до высоты 8 – 10 км в полярных, 10 – 12 км в умеренных и 16 – 18 км в тропических широтах, характеризующийся убыванием температуры с высотой (от приповерхностной до –80 С). Для тропосферы также характерны развитые турбулентности, мощные конвекционные потоки, в ней возникают облака, формируются циклоны и антициклоны. В тропосфере сосредоточено 80 % всей массы атмосферы и почти весь водяной пар.

Стратосфера – слой атмосферы, лежащий над тропосферой до высоты 50 – 55 км и характеризующийся возрастанием температуры с высотой до значений около 0 С. В стратосфере сравнительно невелики турбулентности и ничтожно содержание водяного пара, именно в тропосфере расположен озоновый слой.

Мезосфера – слой атмосферы, лежащий над стратосферой до высоты 80 – 90 км, характеризующийся понижением температуры от 0 С до –90 С.

Термосфера – слой атмосферы над мезосферой до высоты 200 – 300 км, в котором температура возрастает от значений –90 С до +1500 С, после чего практически остается постоянной. Выше термосферы наблюдаются лишь следы атмосферы.

Экзосфера – самый внешний слой атмосферы, из которого могут улетать в космическое пространство быстро движущиеся атомы легких газов, прежде всего – водорода.

Выше приблизительно 1000 км находятся внутренний (до высоты 3 – 4 тысячи километров) и внешний (высота около 22 тысяч километров) радиационные пояса, которые можно рассматривать как области атмосферы, заполненные очень энергичными ядрами атомов и электронами, захваченными магнитным полем Земли. Радиационные пояса весьма опасны для живых организмов, не защищенных слоем, эквивалентным приблизительно 1,3 см свинца.

Атмосфера играет чрезвычайно важную роль в поддержании существующего температурного режима на поверхности Земли, а, значит, и для существования на ней всего живого. Например, на Луне, лишенной атмосферы и получающей на единицу поверхности примерно столько же солнечной энергии, что и Земля, колебания суточной (имеются в виду лунные сутки) температуры на порядки превосходят земные: в лунный полдень температура поднимается выше +100 C, а ночью падает до –162C.

Атмосфера, как уже говорилось, защищает земную поверхность от громадного количества мелких метеорных тел, непрерывно бомбардирующих Землю. Наконец, атмосфера защищает живые организмы от смертоносной космической и солнечной радиации. Здесь чрезвычайно важную роль играет озоновый слой, о котором мы подробно поговорим в разделе 8.7.3.

Именно возрастание с высотой уровня радиационного фона определяет границу распространения жизни в атмосфере. Все живое, поднимающееся выше озонового слоя, погибает, если не приняты специальные меры защиты, как, например, на пилотируемых космических кораблях. Споры бактерий и грибов обнаруживаются до высоты 20 – 22 км (хотя некоторые жизнеспособные организмы были найдены даже на высоте 77 км), однако основная часть аэропланктона обитает в приповерхностном слое атмосферы толщиной 1 – 1,5 км. Из крупных животных чемпионом может считаться белоголовый сип, столкнувшийся с самолетом на высоте 12,5 км. В горах наземные формы жизни распространены до высоты около 6 км.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ