Особенности атмосферы Земли

Атмосфера (от греч. «атмос» — пар и «сфера» — шар) — это газовая оболочка, не имеющая четко выраженной верхней границы и существующая благодаря гравитационному притяжению Земли. Атмосферу называют голубой кровлей Земли. Хотя масса ее по сравнению с Землей ничтожно мала и составляет всего одну миллионную массы планеты, значение атмосферы для жизни на Земле огромно. Ее масса составляет 5,15*1015 т. Состав у поверхности Земли следующий: азот — 78,1%, кислород — 20,95%, аргон — 0,93% и в незначительных долях процента углекислый газ, водород, гелий, неон и другие газы. У земной поверхности содержание водяного пара меняется от 0,3% в тропиках до 2*10-5% в Антарктиде. На высоте 20-25 км расположен слой озона, который и предохраняет живые организмы от коротковолнового (ультрафиолетового) солнечного излучения, пагубно воздействующего на живые организмы.

По резкой смене температур в атмосфере выделяют несколько слоев (сфер). Границы между ними носят название пауз (тропопауза, стратопауза, мезопауза). Каждый из слоев имеет специфические геофизические и геохимические свойства. Границы между сферами нерезкие и в зависимости от широты располагаются на разных высотах. В самом нижнем слое — тропосфере — температура по мере повышения высоты от земной поверхности падает до -55°С у полюса и -75°С у экватора. В ней сосредоточено 4/5 всей массы атмосферы. Она богата азотом и кислородом, насыщена парами воды и углекислым газом. Здесь протекают важные погодные процессы и образуются облака. Температура в тропосфере падает с высотой в среднем на 6 °С на каждый километр. Тропосфера простирается до высоты 12—15 км и отделяется от стратосферы тропопаузой.

В стратосфере происходит резкое повышение температуры, достигающее 0°С на высоте 55 км, где проходит стратопауза. В стратосфере количество азота и кислорода уменьшается, а содержание водорода, гелия и других легких газов увеличивается. Между тропосферой и стратосферой располагается озоновый слой.

Следующий слой атмосферы — мезосфера — располагается в интервале 55-95 км над поверхностью Земли. В ней продолжается падение температуры с увеличением высоты и достигает -70, -80°С в мезопаузе. В термосфере температура повышается, достигая на высоте 400 км 1200°С. Ее нередко называют ионосферой, так как молекулы газов ионизированы космическим излучением, т. е. лишены верхних электронов и поэтому обладают положительным зарядом. Как и любой ионизированный газ, воздух в термосфере хорошо проводит электричество. К тому же термосфера обладает замечательным свойством — отражает радиоволны, что делает возможной дальнюю связь на Земле.

Выше термосферы располагается экзосфера, представляющая собой переходную область между атмосферой и межпланетным пространством. Характерными ее особенностями являются преобладание газов в атомарном состоянии и очень малая плотность. Здесь наиболее легкие газы покидают атмосферу и рассеиваются в космическом пространстве.

Стратосфера в интервале от 15 до 55 км содержит озон. Максимум его концентрации отмечается на высотах 17-25 км. В озоновом слое содержится до 90% общего количества атмосферного озона. Небольшая часть озона возникает в тропосфере во время грозы и при электрических разрядах. Но довольно быстро озон в тропосфере разлагается и рассеивается.

В обычных условиях озон представляет собой газ с резким специфическим запахом. Это сильный яд, превосходящий по токсичности синильную кислоту. Он обладает мутагенными и канцерогенными свойствами, действует на кровь, а в смеси с кислородом взрывоопасен. Его присутствие в значительных количествах в тропосфере представляет особую экологическую опасность. Он может возникать в результате фотохимических реакций в воздухе, загрязненном антропогенными примесями, и в первую очередь над крупными промышленными центрами.

Стратосферный озон из-за его выдающейся способности поглощать ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов, стал настоящим защитным экраном нашей планеты. В стратосфере озон возникает под воздействием ультрафиолетовой солнечной радиации с длиной волны менее 240 нм, когда часть молекулярного кислорода распадается на атомы, которые затем пристраиваются к целым молекулам. На создание озонового слоя расходуется почти весь приток ультрафиолетовых лучей. Процесс взаимодействия одно-, двух- и трехатомного кислорода с учетом фотолиза был впервые рассмотрен английским физиком С. Чепменом в 1929 г. и получил название кислородного цикла, или цикла Чепмена.

В атмосфере установлены определенные закономерности в распределении озона по времени суток, широте местности и высоте. Как оказалось, концентрация озона возрастает во второй половине суток, максимальных значений достигает весной, а осенью падает до минимума. Максимум концентрации озона приходится на высоты 17—25 км.

Содержание углекислого газа в атмосфере способствует развитию так называемого парникового эффекта. Атмосфера пропускает сквозь себя солнечную радиацию, но идущие от земной поверхности тепловое и длинноволновое излучения она задерживает благодаря присутствию в ней углекислого газа. Чем больше в атмосфере содержится этого газа, тем выше парниковый эффект. Парниковым эффектом обладает и водяной пар. Хотя основная его масса находится в тропосфере и его проникновению в стратосферу препятствует тропопауза, являющаяся холодной ловушкой для водяного пара, тем не менее небольшая часть неконденсированных водяных паров проникает из тропосферы в стратосферу.

В последние годы была установлена значительная роль в создании парникового эффекта другого газа — метана (СН4). Этот легкий горючий в кислородной атмосфере газ иногда называют болотным вследствие того, что он образуется в болотах в процессе гниения и преобразования органических остатков без доступа кислорода. Метан в атмосферу выделяется в результате природных процессов и антропогенной деятельности.

На высоте около 30 км располагаются области «перламутровых» облаков, состоящие из кристалликов льда с вмороженными в них частицами разнообразных соединений азота, хлора и углерода. Такие облака образуются как в результате разложения озона водородом (03 + Н2 → Н20 + 02), так и путем множества других реакций. У верхней границы мезосферы на высоте около 80 км образуются «серебристые» облака, представляющие собой скопления ледяных кристалликов.

Важнейшей особенностью атмосферы является присутствие в ней пылеватых частиц, которые влияют на прозрачность. Естественный природный источник поступления пыли в атмосферу — вулканические извержения и дефляция пустынных регионов. Кроме того, в результате вулканической деятельности в атмосферу наряду с углекислым газом и парами воды попадает сернистый газ. Окисляясь под воздействием солнечных лучей и реагируя с водяным паром, он образует аэрозоль серной кислоты.