Атмосфераның құрамы және маңызы

 

 

Атмосфера— жердің ауа қабығы. Атмосфераның төменгі шекарасы жер беті болып табылады. Оның төменгі қабаты азот, оттегі мен сирек кездесетін көміртегінен, аргоннан, сутегіден, гелийден тағы басқа газдардан тұрады. Бұған су буы да араласады. Атмосфера түсінің көк болып келуі газ молекулаларының жарық сәуле шашуына байланысты. Жоғарылаған сайын атмосфера бірте-бірте сирей береді, қысымы төмендеп, оның құрылысы да өзгереді. 12 км биіктікке дейінгі атмосфераның төменгі қабатын тропосфера деп атайды. Тропосферада бұлт, жауын-шашын, жел және тағы басқа құбылыстар орын алып отырады. Тропосферадан жоғары 75 км биіктікке дейінгі қабат стратосфера деп аталады. Бұдан жоғары ионосфера қабаты орналасады.

Атмосфераның құрамы және маңызы

Атмосфера — Жер шарының ауа қабығы, ол салмақ күшіне байланысты ғаламшармен бірге айналып, қозғалысқа түседі. Жалпы массасы 5-1015 т шамасында болатын атмосфера түрлі газдардан, су тамшылары мен шаң-тозаңнан тұрады. Атмосфераның төменгі бөлігі Жер бетімен шектесіп жатыр. Ал жоғары шекарасы ретінде соңғы ғылыми деректер бойынша 1000 км биіктік алынады, бұдан әрі қарай ауа өте сиреген күйде болады.

Шамамен 100 км-ге дейінгі биіктік аралығында ауа құрамы мынадай газдардан: азот — 78%, оттек — 21%, инертті газдар — 1%-ға жуық (оның 0,93%-ы аргон), көмірқышқыл газынан — 0,03%-ы тұрады. Ауа құрамындағы криптон, ксенон, неон, гелий және сутек газдары өте аз мөлшерде болады. Атмосфераның төменгі қабатында ауа құрамы салыстырмалы түрде тұрақты болады, тек өнеркәсіпті аудандар мен ірі қалалар үстінде көмірқышқыл газының үлесі он есеге дейін артуы мүмкін. Лас ауаның құрамында бөгде қосылыстар да кездеседі. Шамамен 200—1000 км биіктікте ауа құрамында оттек басым, ол ультра- күлгін сәулелер әсерінен атомдарға ыдыраған күйінде болады. 1000 км-ден биікте сиреген атмосфера негізінен гелий мен сутектен турады, сутек зарядталған атомдар күйінде таралған.

Атмосфера құрамындағы өрбір газдың атқаратын қызметі бар. Азот нәруызды (белок) заттар мен нуклеин қышқылдарының құрамына енеді, ал оның қосылыстары өсімдіктерді Минepaлды қорекпен қамтамасыз етеді. Оттексіз тірі организмдердің тыныс алуы мүмкін емес, сондай-ақ жану мен тотығу процестері де жүрмейді. Жасыл өсімдіктер көмірқышқыл газын пайдаланып, органикалық заттар түзеді. Атмосфера газдары тау жыныстарының химиялық үгілуіне қатысады. Ал шамамен 25—30 км биіктіктегі озон қабаты Күннен келетін ультра-күлгін сәулелерді ұстап қалу арқылы тірі организмдерді бұл сәулелердің зиянды әсерінен қорғайды. Ауа құрамындағы жай көзге көрінбейтін су булары белгілі жағдайда су тамшылары түрінде бөлініп шығып (конденсациялану), олардың тұтасуынан бұлттар қалыптасады. Атмосфераның құрылысы. Биіктеген сайын ауаның физикалық қасиеттері (температурасы, тығыздығы, қысымы және т.б.) өзгереді, сондықтан атмосфераны тропосфера, стратосфера, жзосфера, термосфера, экзосфера деп аталатын қабаттарға бөледі.

Тропосфера

Тропосфера — атмосфераның ең төменгі және тығыз қабаты, мұнда ауаның 4 5 бөлігі шоғырланған. Тропосфераның жоғарғы шекарасы географиялық ендіктер мен жыл мезгілдері бойынша өртүрлі биіктікте орналасуы мүмкін. Орташа есеппен тропосфера полюстер үстінде 9 км-ге, қоңыржай ендіктерде 10—12 км-ге, ал экватор үстінде 15—17 км-ге дейін созылады. Бұл қабатта атмосфера құрамындағы су буының барлығы дерлік шоғырланған, мұнда бұлттар мен тұмандар пайда болып, ауа райы қалыптасады. Тропосферада ауа температурасы шамамен әр 100 м сайын 0,6°С-қа төмендейді. Мәселен, тропосфераның жоғарғы бөлігінің орташа жылдық температурасы солтүстік полюсте — 55°С болса, экваторда бұл көрсеткіш — 70°С-қа төмендейді.

Тропосфера тропопауза деп аталатын өтпелі жұқа қабат (қальцдығы 1—2 км) арқылы атмосфераның келесі қабаты — стратосфераға ауысады. Стратосфера шамамен 50—55 км биіктікке дейін созылып жатыр. Ауа құрамындағы озоттың күн радиациясын сіңіруіне байланысты бұл қабатта температура биіктеген сайын артады. Шамамен 25 км биіктіктен соң ауа температурасы күрт жоғарылай бастап, 50 км биіктікте максимум шамасына (ГС) жетеді. Шамамен 15—70 км биіктікте оттектің біраз бөлігі ультракүлгін сәулелер әсерінен атомдарға ыдырайды. Бос атомдар құрылымын сақтап қалған оттек молекулаларына қосылып, озонның үш атомды молекулалары түзіледі. Стратосферада бұл процеспен қатар керісінше реакциялар, яғни озонның қайтадан ыдырауы қоса жүреді. Озон негізінен 25—30 км биіктікте шоғырланады, бұл қабатты озотты деп те атайды. Қазіргі кезде озон қабатының жұқаруы шешімін ташаған ғаламдық экологиялық проблемаға айналып отыр.

Атмосфераның ең жоғарғы қабатында  өте жоғары температура (1000— 1500°С) байқалады, сондықтан бұл қабатты термосфера деп атайды. Термосфера өз кезегінде  зарядталған бөлшектерден (иондар) тұратын ионосфера мен "сыртқы атмосфера" деп аталатын экзосфераға жіктеледі. Термосферада газдардың температурасы ете жоғары болғанымен, ауаның сиректігіне байланысты осында орналасатын Жердің жасанды серіктеріне қызып кету каупі төнбейд

Ионосфера

Ионосферадағы иондалу Күннен келетін ультракүлгін радиация әсерінен жүреді. Ионосферада ғарыштың бөлшектердің ауа бөлшектеріне соқтығысуынан айрықша жарқырау пайда болады. Жоғары ендіктерде байқалатын бұл электрлік құбылыстар полярлық шұғыла деп аталады. Экзосферада ете жоғары жылдамдықпен қозғалатын жеңіл газдардың бөлшектері ғарыш кеңістіғіне шашырап кетеді. Соңғы кезге дейін экзосфера, сонымен бірге жалпы Жер атмосферасы 2000—3000 км биіктіктен соң таусылады деген үғым бар болатын. Қазіргі заманғы ғарыштық зерттеулер бойынша экзосферадан шашыраған сутектің Жердің айналасында шамамен 20 000 км биіктікке дейін созылатын жер тәжі деп аталатын түзілісті құрайтыны анықталып отыр. Қазіргі кезде ғарыштық техниканың көмегімен атмосфера қабаттары қарқынды түрде зерттеліп жатқанымен, оның жоғары қабаттарының адамзатқа түсініксіз құпиялары әлі де болса жетерлік.

Атмосфераның жылынуы. Күн энергиясы  — Жер шарындағы тіршіліктің  арқауы және көптеген табиғи процестердің қозғаушы күші. Жер шары Күннен жылына 5628 -1021 Дж/см2 энергия алады, бұл жалпы күн энергиясының 2 миллиардтан бір бөлігі ғана. Соған қарамастан бар болғаны 36 сағ ішінде Күннің Жерге беретін жылуының мөлшері дүниежүзіндегі барлық электрстансыларының жыл бойы өндіретін энергиясына пара-пар болады.

Сендер өткен сыныптардағы география сабақтарынан күн радиациясының тура, шашыранды түрлері болатының және олардың жиынтық радиацияны құрайтынын білесіндер. Шашыранды радиация үлесіне, шамамен, Күннен келетін радиация мелшерінің 25%-ға жуығы тиесілі. Жиынтық радиацияның жылдық мөлшері күн сөулелерінің жер бетіне түсу бұрышына, атмосфераның мөлдірлігіне және жарық түсу ұзақтығына тәуелді. Жалпы алғанда, жиынтық радиация мелшері экваторлық және тропиктік ендіктерден полюстерге қарай азаяды.

Жер бетінің күн сәулесін кері шағылдыруы альбедо деп аталады, оның көрсеткіші жердің төсеніш жамылғысының сипатына байланысты болады. Мәселен, жаңа жауған қар күн радиациясының 90%-ға жуығын шағылдырса, құм 35—40%, өсімдік жамылғысы 10—25%, ал ылғал топырақ 5%-ын ғана кері қайтарады (жиынтық радиацияның жер бетіне жұтылған бөлігін не деп атайды?). Шағылу есебінен күн радиациясының 5—20%-ға жуығы жоғалады. Шағылған радиацияның басым бөлігі әлем кеңістігіне сіңіп жоқ болады.

Атмосферада күн сәулелерін озон, көмірқышқыл газы мен бұлттар, су тамшылары мен шаң-тозаң жұтады. Жалпы алғанда, атмосферада Күннен келетін радиацияның 15—20%-ы жұтылады. Осылайша күннің сәулелік энергиясының біразы атмосферада жылуға айналса, басым бөлігі жер бетін жылытуға жұмсалады. Кез келген қызған денелер жылу бөлетіні сияқты, жер бетінен көтерілген жылу атмосфераның төменгі қабатын жылытады. Жиынтық радиацияның кері шағылу мен жер бетінің жылулық сәулеленуіне жұмсалғаннан қапған бөлігін радизциялық баланс немесе қапдық радиация деп атайды. Радиациялық баланс мөлшері экватордан полюстерге қарай кемиді. Қоңыржай ендіктерде қыс кезінде радиациялық баланс теріс мәнге ие, ал экватордан, шамамен, 40' ендіктер аралығында бұл көрсеткіш жыл бойы оң болады.

Ауа температурасының атмосферада  таралуы мен онъщ үздіксіз өзгерістері  атмосфераның жылу режімі деп аталады, ол атмосфера мен қоршаған орта арасындағы жылу алмасуы нәтижесінде жүзеге асады. Тропосферада жұтылған радиация тәулігіне ауа температурасын 0,5°С-ка ғана жоғарылата алады. Сондықтан атмосфераның жылу режімінде атмосфера мен жер беті арасындағы жылу мен ылғал алмасуы маңызды рөл аткарады. Ауа температурасының өзгеруіне Жер шарының басқа бөліктерінен келетін ауа массаларының келуі (адвекция) де әсер етеді. Бұл туралы келесі тақырыптан таныса аласыңдар.

Атмосфера құрамындағы  ылғал. Атмосфера құрамында жалпы  көлемі 13 мың км3 болатын су буы бар, оның атмосферадағы үлесі ұдайы өзгеріл отырады. Ауаның ылғал сыйымдылығы оның температурасына байланысты болады. Температурасы неғүрлым жоғарылаған сайын ауа өзінің құрамында соғұрлым көп су буын ұстай алады, ал суық ауа ылғалға қанығу шегіне аназғұрлым жылдам жетеді. Жылы, ылғалды ауа жоғары көтерілген кезде суының, конденсацияланады. Яғни, ауа құрамындағы су буы бөлінен шығып, тамшы күйіне өтеді. Су тамшылары мен мұз кристалдарының тұтасуынан бұлттар пайда болатынын білесідцер. Су буынын конденсациясы жүзеге асатын ауа температурасын шық нүктесі деп атайды.

Химиялық құрылымы

Құрғақ ауа құрылымы[3] Газ Көлемі  бойынша, % Салмағы  бойынша, % Азот 78,084 75,50 Оттек 20,946 23,10 Аргон 0,932 1,286 Су 0,5-4 — Көмірқышқыл газ 0,0387 0,059 Неон 1,818×10−3 1,3×10−3 Гелий 4,6×10−4 7,2×10−5 Метан 1,7×10−4 — Криптон 1,14×10−4 2,9×10−4 Сутек 5×10−5 7,6×10−5 Ксенон 8,7×10−6 — Азоттың шала тотығы 5×10−5 7,7×10−5 Жоғарыдағы құрғақ ауа  құрылымына кірмейтін бөлігі: Су буы (H2O) ~0.40% атмосфера үстінде, бет жағында  жалпы 1%-4%          Жоғары көрсетілген газдардан  басқа атмосферада SO2, NH3, СО, озон, HCl, HF, Hg, I2, және NO газдары құрамында бар.

 

 

 

Атмосфералық газдардың  негізгі табиғи көздеріне мыналар  жатады: биогендік көздер, жер қыртысы, мухит және  химиялық реакциялардың нәтижесінде атмосферада газдардың түзілуі. 
 
 
^ Биогендік көздер  
 
Қазіргі заманғы гипотезаға сәйкес жер атмосферасы биоталардың әсерімен түзілген және оның негізгі компоненттері фотосинтез процесіндегі биота арқылы басқарылады. Фотосинтез реакциясын қарапайым түрде қарастыруға болады:  
 
(1) 
 
Мұндағы - күн  жарығының жұтылу кванты энергиясы , - газ, -сұйық, - қатты фаза.  Фотосинтезнәтижксінде атмосферадағы СО₂ жойылады,  атмосфераға  О₂ түзіледі. n – атомдар саны, n=6 – глюкоза С₆Н₁₂О₆ 
 
Бактериялардың әсерімен болатын биологиялық процесстер N₂ в NH₃ -ны , N₂O  и NO түрлендіреді.  
 
 
^ Жер қыртысы 
 
Әр түрлі газдар атмосфераға жер қыртысынен вулкандар жарылған кезде түзіледі. Бұлар H₂O, CO₂, SO₂, H₂S, COS, HCl, HF, HBr, CH₄, CH₃Cl, H₂, CO, және ауыр металдар. Жер қыртысынан газ эмиссиясы түзіледі He, Ar Rn, Жер қыртысының корбанаттары ыдыраған кезде(CaCO3) атмосферада көмірқышқыл газы түзіледі. 
 
 
(2) 
 
 
 
Мухит 
 
Мухит еріген газдардың орасан үлкен резервуары тәрізді. Сұйықтықтағы газдардың ерігіштігі (моль/литр) сұйық бетіндегі газ қысымына пропорционал (Генри заңы): 
 
 
(3) 
 
Мұндағы -  Генри тұрақтысы, ол сұйық температурасына тәуелді.  СО₂ үшін Генри тұрақтысы мынаған тең . Оның атмосферадағы қысымы , онда мухит бетіндегі еріген көмірқышқыл газы мынаған тең: немесе шамамен 0.6 г/м³.  
 

^ Атмосферадағы түзілістер  
 
Атмосферадағы гемогендік реакцияларға мынандай мысал келтіруге болады: 
 
, 

 
^ OH  және оның атмосфера химиясындағы ролі 

 
 Ол озон молекулаларының ыдырауы нәтижесінде түзіледі O₃  
 
 
 
 
Оттегі O₂ күн сәулесінің ультафиолеттік шағылуында мынандай реакцияға түседі: 
 
 
Атомдық және молекулалық оттегінің өзара әсерлесу реакциясы: 
 
 
 
мұндағы бөлшек, қозған оттек атомының артық энергиясын алады

   
 
 
Атомдық оттегінің озонмен реакциасы? Мұнда түзіледі. 
 
 
 
Жоғарыда көрсетілген лзонның ыдырау және түзілу реакцияларын Чепмэн реакциялары деп атайды.