Атмосфера, ее стоение и состав

Атмосфе́ра (от. др.-греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства. Также существует определение атмосферы, как внешней геологической газовой оболочки Земли

Строение атмосферы 

Тропосфера

Её верхняя  граница находится на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м

Тропопауза

Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.

Стратосфера

Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.

Стратопауза

Пограничный слой атмосферы между стратосферой и  мезосферой. В вертикальном распределении  температуры имеет место максимум (около 0 °C).

Мезосфера

Атмосфера Земли

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80—90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25—0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы.

Мезопауза

Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры  имеет место минимум (около —90 °C).

Линия Кармана

Высота над  уровнем моря, которая условно  принимается в качестве границы  между атмосферой Земли и космосом. В соответствии с определением ФАИ, линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря. 

Химический  состав

Атмосфера Земли  возникла в результате выделения  газов при вулканических извержениях. С появлением океанов и биосферы она формировалась и за счёт газообмена с водой, растениями, животными и  продуктами их разложения в почвах и болотах.

Состав сухого воздуха

В настоящее  время атмосфера Земли состоит  в основном из газов и различных  примесей (пыль, капли воды, кристаллы  льда, морские соли, продукты горения).

Концентрация  газов, составляющих атмосферу, практически  постоянна, за исключением воды (H₂O) и углекислого газа (CO₂).

Кроме указанных  в таблице газов, в атмосфере  содержатся SO₂, NH₃, СО, озон, углеводороды, HCl, HF, пары Hg, I₂, а также NO и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль).

СОСТАВ АТМОСФЕРЫ

     Атмосфера  состоит из смеси газов, называемой  воздухом, в которой находятся  во взвешенном состоянии жидкие  и твердые частички. Общая масса  последних незначительна в сравнении со всей массой атмосферы. Атмосферный воздух у земной поверхности, как правило, является влажным. Это значит, что в его состав, вместе с другими газами, входит водяной пар, т.е. вода в газообразном состоянии. Содержание водяного пара в воздухе меняется в значительных пределах, в отличие от других составных частей воздуха. Это объясняется тем, что при существующих в атмосфере условиях водяной пар может переходить в жидкое и твердое состояние и, наоборот, может поступать в атмосферу заново вследствие испарения с земной поверхности. Воздух без водяного пара называют сухим воздухом. У земной поверхности сухой воздух на 99% состоит из азота (78% по объему или 76% по массе) и кислорода (21% по объему или 23% по массе). Оба эти газа входят в состав воздуха у земной поверхности в виде двухатомных молекул (N2 и О2). Оставшийся 1 % приходится почти целиком на аргон (Аr). Всего 0,08% остается на углекислый газ (СО2). Многочисленные другие газы входят в состав воздуха в тысячных, миллионных и еще меньших долях процента. Это криптон, ксенон, неон, гелий, водород, озон, йод, радон, метан, аммиак, перекись водорода, закись азота и др. Все перечисленные выше газы всегда сохраняют газообразное состояние при наблюдающихся в атмосфере температурах и давлениях не только у земной поверхности, но и в высоких слоях.

ВОДЯНОЙ ПАР 

     Водяной  пар непрерывно поступает в  атмосферу путем испарения с  водных поверхностей, с влажной  почвы и путем транспирации  растений, при этом в разных  местах и в разное время  он поступает в различных количествах.  От земной поверхности он распространяется  вверх, а воздушными течениями  переносится из одних мест  Земли в другие. При понижении  температуры часть водяного пара  конденсируется, переходит в жидкое  или твердое состояние. В воздухе  возникают водяные капельки и  ледяные кристаллики облаков  и туманов. Облака могут снова  испаряться; в других случаях  капельки и кристаллики облаков,  укрупняясь, могут выпадать на  земную поверхность в виде  осадков. Вследствие всего этого  содержание водяного пара в  каждом участке атмосферы непрерывно  меняется.

Водяной пар сильно поглощает длинноволновую инфракрасную радиацию, которую излучает земная поверхность. В свою очередь и  сам он излучает инфракрасную радиацию, большая часть которой идет к  земной поверхности. Это уменьшает  ночное охлаждение земной поверхности  и тем самым также нижних слоев  воздуха.

На испарение воды с земной поверхности затрачиваются  большие количества тепла, а при  конденсации водяного пара в атмосфере  это тепло отдается воздуху. Облака, возникающие в результате конденсации, отражают и поглощают солнечную  радиацию на ее пути к земной поверхности.

Осадки, выпадающие из облаков, являются важнейшим элементом  погоды и климата.

 Наконец, наличие  водяного пара в атмосфере  имеет важное значение для физиологических процессов.

Процентное содержание водяного пара в воздухе меняется с высотой. Водяной пар постоянно  поступает в атмосферу снизу, а распространяясь вверх конденсируется, сгущается. На высоте 5 км содержание водяного пара в воздухе в десять раз меньше, чем у земной поверхности, а на высоте 8 км - в сто раз меньше. Таким образом, выше 10-15 км содержание водяного пара в воздухе ничтожно мало.

ЖИДКИЕ И ТВЕРДЫЕ  ПРИМЕСИ 

    Кроме  перечисленных выше атмосферных  газов, в воздух местами могут  проникать другие газы, особенно  соединения, возникающие при сгорании  топлива (окислы серы, углерода, фосфора  и др.). Наиболее заражается такими  примесями воздух больших городов  и промышленных районов. В состав  атмосферы входят также твердые  и жидкие частички, взвешенные  в атмосферном воздухе. Кроме водяных капелек и кристаллов, возникающих в атмосфере при конденсации водяного пара, это пыль почвенного и органического происхождения; твердые частички дыма, сажи, пепла и капельки кислот, попадающие в воздух при лесных пожарах, при сжигании топлива, при вулканических извержениях; частички морской соли, попадающие в воздух при разбрызгивании морской воды во время волнения; микроорганизмы (бактерии); пыльца, споры; наконец, космическая пыль, попадающая в атмосферу (около миллиона тонн в год) из межпланетного пространства, а также возникающая при сгорании метеоров в атмосфере.

     Особое  место среди атмосферных примесей  занимают продукты искусственного  радиоактивного распада, заражающие  воздух при испытательных взрывах  атомных и термоядерных бомб. Небольшую часть перечисленных  примесей составляет крупная  пыль, с частичками радиусом более 5 мк. Вследствие такой малости они могут длительное время удерживаться в атмосфере во взвешенном состоянии. Удаляются из атмосферы они главным образом при выпадении осадков, присоединяясь к капелькам и снежинкам. Имеется ряд методов и приборов для определения их содержания в воздухе.

     Бактерии  в центральных частях океанов  встречаются в количестве нескольких  единиц на кубический метр  воздуха; в больших городах  их уже тысячи и десятки  тысяч в том же объеме.

     Аэрозольные  примеси к воздуху могут легко  переноситься воздушными течениями  на большие расстояния.

     Песчаная  пыль, попадающая в воздух над  пустынями Африки и Передней  Азии, неоднократно выпадала в  больших количествах на территории  Южной и Средней Европы.

     Дым  лесных пожаров в Канаде переносился  сильными воздушными течениями  на высотах 8-13 км через Атлантику  к берегам Европы, еще сохраняя  достаточную концентрацию.

     Дым  и пепел больших вулканических  извержений неоднократно распространялись  в высоких слоях атмосферы  на огромные расстояния, окутывая  весь Земной шар. Помутнение  воздуха и аномально красная  окраска зорь наблюдались в  течение многих месяцев после  извержений. После падения Тунгусского  метеорита в 1908 г. также наблюдалось  помутнение воздуха на больших  расстояниях.

Нормирование  качества воздуха

Под качеством атмосферного воздуха понимают совокупность свойств атмосферы, определяющую степень воздействия физических, химических и биологических факторов на людей, растительный и животный мир, а также на материалы, конструкции и окружающую среду в целом

Нормативами качества воздуха определены допустимые пределы  содержания вредных веществ как  в производственной (предназначенной для размещения промышленных предприятий, опытных производств научно-исследовательских институтов и т.п.), так и в селитебной зоне (предназначенной для размещения жилого фонда, общественных зданий и сооружений) населенных пунктов.

Предельно допустимая концентрация вредного вещества в  воздухе рабочей  зоны (ПДК_рз) — концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 часов, или при другой продолжительности, но не более 41 часа в неделю, на протяжении всего рабочего стажа не должна вызывать заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами исследования, в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений . Рабочей зоной следует считать пространство высотой до 2 м над уровнем пола или площади, на которой находятся места постоянного или временного пребывания рабочих.