Атмосфераның құрамы мен құрылымы

Лекция 2.  Атмосфераның  құрамы  мен 
құрылымы

Лекция жоспары:

1. Атмосфера құрамы.
2. Газ жағдайының теңдеуі
3. Атмосфера құрылымы.

Атмосфера құрамы

Жер атмосферасы көптеген газдардың қоспасынан тұрады және оны ауа деп білеміз. Орта шамамен 25 км биіктікке дейін құрғақ ауаның құрамы Жер шарының барлық тұсында өзгермейді. Көлемі бойынша ол 78,09 % азоттан, 20,95 % оттегіден, 0,93 % аргоннан тұрады. Қалған үлес түрлі газдарға — гелий, неон, криптон, ксенон, сутек т.б. тиеді. Сонымен қоса жер қыртысы жарықтарынан шығатын радиоактивті элементтердің бөлінуінен пайда болатын газдар — радон, торон, актинон атмосфераға сіңіп, тағы да бөлшектенеді. Олардың қалдықтары атмосферадағы түрлі қатты, аэрозольді қоспаларға қосылып, атмосфераға табиғи радиоактивтілік сипат береді. Жер бетіне олар висмут, қорғасын сияқты ауыр металдар түрінде шөгеді. Аталған тұрақты қоспалардан басқа, ауаның өзгермелі қоспаларын атауға болады, ол ылғи да, бірақ әр түрлі мөлшерде болатын су буы, көмір қышқыл газ, озон, аммиак, метан, азот тотықтары т. б.

Жер бетінен атмосфераға су буынан басқа түрлі сұйық және қатты бөлшектер көтеріліп қосылады. Жаратылуы бойынша олар табиғи (шаң-тозаң, жанартау күлі мен газдары, теңіз тұзы, өсімдік шаң-тозаңы мен микроорганизмдер, өрт түтіні т.б.) және антропогендік (өнеркәсіптік қалдықтар, жыртылған жерлердің топырағы, егін шаруашылығында қолданылатын химикаттар, автокөлік қалдықтары, әскери және космостық полигон қалдықтары т.б.). Ғарыштан да шаң-тозаң келіп түседі.

Атмосфераның құрамы бірнеше жүз миллион жыл бұрын қалыптасқан. Оның тұрақты құрамы табиғаттағы заттар айналымы арқасында сақталған. Бірақ ХХ ғасырда адамзаттың белсенді әрекеті әсерінен, яғни отын өнеркәсібі, энергетика, химия өнеркәсібі т.б. шаруашылық салаларынан атмосфераның құрамы күрделі өзгерістерге ұшырауда. Мысалы, ауада кейбір газдардың (SO₂, СО) көбейгені анықталған. Олардың көбею қарқыны соншалық, атмосфера «өзін өзі тазартуға» үлгермейді. Ал атмосфераның қалыпты құрамының өзгеруі кері климаттық, медициналық-биологиялық, тіпті экономикаға зиянды құбылыстар дамуына соқтырады. Атмосфера құрамындағы негізгі газдардың көлемі (азот, оттегі, аргон) әзірше аз өзгерген. Бірақ отын жануына өте көп оттегі жұмсалатыны мәлім. Ғалымдардың есептеуі бойынша, атмосфера мен гидросфераның құрамындағы еркін оттегінің көлемі ХХІ ғасырдың бірінші жартысында 1 %-ке азаяды. Оған жер шарындағы орман жамылғысы ауданының кемігені де (40 %) үлкен әсерін тигізеді. Көмір қышқыл газ көлемі де атмосферада өзгермелі, әсіресе адам тығыз қоныстанған территорияларда. Себебі тыныс алу, жану процестерінде оның атмосфераға бөлінуі көбейеді. Енді атмосфера құрамындағы кейбір өзгермелі, әрі үлкен роль атқаратын қоспаларға тоқталайық.

Су буы. Атмосферадағы су буының маңызы өте зор. Оның көлемі 0,1 %-тен (полюсте) 4 %-ке дейін (экваторда) өзгереді. Оның көлеміне ауа температурасы, жер бетінің жамылғысы, ауа массаларының қозғалысы әсер етеді. Атмосфераға су буы жер бетінен (су, қар, мұз, топырақ, өсімдік) булану нәтижесінде көтеріледі. Сонымен қоса, тірі ағзалар тыныс алғанда, жанартаулар атқылағанда, кейбір өнеркәсіптік процестерде де бөлінеді. Турбуленттік араласу нәтижесінде су буы жоғары көтеріліп, жан-жаққа тарайды. Бірақ ең көп үлесі атмосфераның төменгі қабатында болады, биіктеген сайын кемиді. Атмосферадағы су буы бұлт түзеуге, содан жауын-шашын түсуге тікелей әсерін тигізеді. Сонымен қоса су буы жер бетінен таралған ұзын толқынды радиациясын жақсы сіңіріп, жер бетін қатты суынудан сақтайды.

Көмір қышқыл газ. СО₂ атмосфераға жанартаулар атқылағанда, органикалық заттар шіру, ыдырау процестерінде, отын жанғанда, тірі ағзалар тыныс алғанда — бөлінеді. Жұмсалуы көбінесе өсімдіктердің тыныс алу процесінде болады. Орта шамамен атмосферадағы СО₂ көлемі 0,033 % құрайды. Ол ұзын толқынды радиацияны жақсы сіңіріп, жақсы шашады. Ауадағы көмір қышқыл газдың үлесі жер ендігіне, тәулік пен жыл мерзіміне, жергілікті жағдайға байланысты өзгеріп отырады. Мысалы, орта ендіктерге қарағанда, жоғары ендіктерде аз, құрлыққа қарағанда, мұхит тұсында аз, түнге қарағанда, күндіз аз байқалады. Мұхит суында ол еріген түрде болады және оның мөлшері атмосферадағы мөлшерге қарағанда 100 есе көп. Сондықтан, мұхит СО₂ концентрациясының негізгі реттеушісі болып келеді. Орта шамамен мұхит атмосферадан 20 % жұтып, қайта бөледі. Маусым бойынша, оның өзгеруі фотосинтез процесінің өзгеруіне байланысты. Төменгі тропосферада концентрациясының жоғары мәні көктемде, төмен мәні күзде байқалады. Жылдық ауытқу амплитудасы 2–3 % құрайды. Фотосинтез процесі нәтижесінде жылына атмосферадан 5 %-ті жұмсалып, осы мөлшерде кері атмосфераға қайтады. Уақыт бойынша өзгеруін қарасақ, мөлшері ХХ ғасырда көбейген. Антропогенді аймақтарда оның концентрациясы 0,07 %-ке дейін өскен. Өсу қарқыны әлі де сақталған.

Озон. немесе оттегінің үш атомдық молекуласын біз озон газы деп білеміз. Бұл газдың маңызы өте зор. Озон төменгі атмосферада көбінесе найзағай процестерінде пайда болады, ал жоғарғы атмосферада күн сәулесінің ұзындығы 0,1 мк қысқа радиациясының оттегі молекулаларына әсер етуінен пайда болады. Сонымен қатар озон ұзындығы 0,28 мк кем ультракүлгін радиацияны сіңіреді. Ал ультракүлгін радиациясы жер бетіндегі барлық тіршілік түрлеріне өте зиян екені мәлім. Егер Жерге келген барлық ультракүлгін радиация атмосферадан өтіп, жер бетіне түссе, онда ең қарапайым микроағзаларда өмір сүре алмас еді. Себебі ультракүлгін радиацияның биологиялық белсенділігі өте жоғары. Озонның атмосферадағы концентрациясы өте аз. Мысалы, атмосферадағы барлық озонды теңіз деңгейіндегі атмосфералық қысымға дейін «сығып» келтірсек (0 ⁰С ауа температурасында), онда оның қалыңдығы небары 2–3 мм ғана болар еді. Төменгі атмосферада озон концентрациясы өте төмен, биіктік өскен сайын оның концентрациясы өседі де, ең жоғары мөлшері 25–30 км биіктікте байқалады. Ал одан жоғары қарай концентрациясы қайта төмендейді, яғни 60 км биіктікте мүлдем байқалмайды деуге болады, себебі бұл қабаттарда озон молекулалары оңай бұзылады.

Қазір озон қабатының жағдайы үлкен алаңдатушылық туғызуда. Себебі, соңғы зерттеулердің нәтижелері бойынша озон қабатында уақыт және кеңістік бойынша үлкен ауытқулар байқалатыны аңғарылған. Поляр аймақтарында, әсіресе Антарктида тұсында, «озон тесігі» байқалған. Оның орналасуы, көлемі өзгеріп отырады. Бақылаулар бойынша, озон молекуларын бұзатын ұшақтардан бөлінетін азот тотықтары, антропогенді фреон (мұздатқыштарда, парфюмерия өнеркәсібінде т.б. қолданылады), жанартаулар лақтырындыларындағы хлорлы, көмір су текті қоспалар. Сонымен қоса жер қыртысы жарықтарынан бөлінетін кейбір газ қоспалары да озон қабатының концентрациясының өзгеруіне әкеледі.

Аэрозольдер. Атмосферада өте жеңіл, сондықтан қалқыған жағдайда болатын, қатты және сұйық күйдегі заттарды аэрозольдер деп атайды. Олардың атмосферадағы үлесі үлкен мөлшерде уақыт, кеңістік бойынша өзгеріп отырады. Аэрозольдер ылғалды атмосферада конденсация процесі жүру үшін үлкен роль атқарады, яғни оларды конденсация өзегі деп атайды. Аэрозольдер де жаратылуы бойынша табиғи және антропогенді түрлеріне бөлінеді. Ең төменгі атмосферада оның концентрациясы ең жоғары. Өнеркәсіптік аймақтарындағы 1 см³ ауада аэрозольдер бөлшектері ондаған мың, ауыл шаруашылықты аудандарда — мың, мұхит тұсында жүздеген мөлшерде болады. Жоғары қарай олар кемиді, мысалы, 5–10 км биіктікте небары ондаған бөлшектер анықталады. Жер бетінің әрбір шаршы сантиметр тұсындағы ауа массасы бағанында орта шамамен 10⁸–10⁹ аэрозольді бөлшектері бар. Ал атмосферадағы олардың жалпы салмағы — 10⁸ т.

Түтін мен өте ылғалды ауа (тұман) қосындысы смог деп аталады. Смогтың өте зиянды әсерлері байқалған: адам денсаулығы күрт төмендейді, өсімдік және жануарлар әлемі жапа шегеді, топырақ жамылғысының жағдайы нашарлайды, мәрмәр, бетон ғимараттары мүжіледі. Аэрозольдер ауа массаларымен қоса үлкен қашықтықтарға көшіп отырады. Атмосферадағы су буы арнайы тарауда қарастырылады.

Иондар. Атмосферада үнемі электрлі зарядталған молекулалар пайда болып отырады. Оларды жеңіл иондар дейді. Иондар атмосферадағы аэрозольдерге қосылып, жиналып әрі күшейіп (ауыр иондар пайда болады), атмосфераға электр өткізгіштік қасиет береді. Төменгі атмосферада 1 см³ ауада бірнеше жүз жеңіл иондар және бірнеше мың ауыр иондар болады. Биіктік өскен сайын, әсіресе 80–100 км ден жоғары қарай, иондар мөлшері 1 см³-де миллионға дейін өседі. Иондар көп шоғырланған атмосфера қабатын ионосфера деп атайды. Ол радиотолқындарды жақсы шағылыстырып, кері қайтарады. Бұл физикалық қасиетті адам өз тіршілігінде ғарыштық байланыста кеңінен қолданады.

Атмосфераның жиынтық заряды оң (+), ал жер бетінің жиынтық заряды теріс (-) болады. Сондықтан атмосфераға электростатикалық өріс тән.

Газ жағдайының теңдеуі

Газдың физикалық жағдайының негізгі сипаттамалары — қысым, температура және тығыздық. Олар бір-бірімен өте байланысты, яғни біреуінің өзгеруі екіншісінің өзгеруіне соқтырады. Атмосфераны идеалды газ ретінде қарастырып, оның жағдайын белгілі Клапейрон–Менделеев теңдеуімен сипаттайды:

, немесе , (1)

мұнда — атмосфералық қысым, — газдың меншікті көлемі, — газдың универсалды тұрақтылығы, — абсолют шкаласындағы газ температурасы, — газ тығыздығы.

Енді осы сипаттамаларға тоқталайық.

Атмосфералық қысым. Кез келген газ оны қоршаған қабырғаға белгілі бір қысым күшімен әсер етеді. Аудан бірлігіне шаққан осы қысым күшінің сандық мәнін қысым деп білеміз. Мектептік физика бағдарламасында Броун қозғалысымен танысқанбыз. Температура өскен сайын ол қозғалыс өсіп, қысым күші де артады. Кез келген жер бетінің аудан бірлігіне сол тұстағы ауа бағаны белгілі бір салмақпен басады. Осы салмақ атмосфералық қысыммен пара-пар болады. Биіктік өскен сайын ауа қабаты жұқарып, қысым да үзбей кеми береді.

Атмосфералық қысымды бір шаршы сантиметрге немесе шаршы метрге келетін граммен немесе килограммен есептеген — салмақпен өлшейді. Теңіз деңгейінде ол 1 кг/см² тең. Метеорологияда қысымды сынап бағанасындағы миллиметрмен өлшейді (сын. бағ. мм). Яғни, 760 мм қысым дегеніміз — сол жердегі ауа бағанының салмағы биіктігі 760 мм сынап бағанының салмағымен теңеседі (екеуінің де баған ауданы бір шаршы сантиметр). Қысымның өлшем бірлігінің тағы бір түрлері — миллибар (мб) және гектопаскаль (гПа). Бір миллибар дегеніміз — бір шаршы сантиметр ауданға мың диналық күштің қысымдық әсері. Бір гектопаскаль дегеніміз — 1 м² ауданға түсетін 1 ньютон (н) күші, 
1 паскаль (Па) = 1 н/м²; 1 гПа = 100 Па = 1 мб = 0,75 сын. бағ. мм;  
1 сын. бағ. мм = 1,33 гПа = 1,33 мб.

45⁰ ендікте теңіз деңгейінде (ауа температурасы 0 ⁰С) стандартты орта атмосфералық қысым 760 сын. бағ. мм-ге, немесе 1013 миллибарға, тең. Миллиметрден миллибарға ауысу үшін бірінші мәнді 4/3 көбейтіп, ал миллибардан миллиметрге ауысу үшін, керісінше, 3/4-ке көбейту керек.

Ауа температурасы. Барлық физикалық денедей, ауа да абсолюттік ноль градустан жоғары температурамен сипатталады. Ауаның кез келген нүктесінде оның мәні кеңістік және уақыт бойынша үздіксіз өзгеріп отырады. Ең төменгі атмосфера қабатында температура мәні үлкен шекте өзгереді — +60 ⁰С-тан (тропиктік шөлдерде) — -90 ⁰С дейін (Антарктидада).

Метеорологияда ауа температурасын өлшеуге Цельсий шкаласы (⁰С халықаралық температуралық шкала) қолданылады. Теңіз деңгейінде бұл шкаланың 0 ⁰С мұз еру, ал +100 ⁰С — су қайнау температурасына тең. Көптеген батыс елдерінде Фаренгейт (⁰F) шкаласы қолданылуда. Шкалалар арасында мынадай байланыс бар:

0 ⁰С = -17,8 ⁰F;  100 ⁰C = +212 ⁰F.

Фаренгейт шкаласынан Цельсий шкаласына ауысу үшін мына теңдеу қолданылады:

. (2)

Теориялық метеорологияда температураның абсолюттік шкаласы қолданылады (Кельвин шкаласы, ⁰К). Бұл шкаланың ноль градусы ең төмен температураға, яғни молекулалардың жылулық қозғалысының толығымен тоқтау кезеңіне сәйкес.

0 ⁰К = -273 ⁰С. (3)

Цельсий шкаласынан Кельвинге ауысу үшін К = С + 273 теңдеуі қолданылады.

Ауа тығыздығы. Ауаның тығыздығы тікелей өлшеуге келмейді. Оны теориялық тәсілмен, газ жағдайы теңдеуінен анықтайды:

. (4)

Ылғалды ауаның тығыздығы, құрғақ ауаның тығыздығына қарағанда, төмендеу (бірдей температуралық және қысымдық жағдайда). Себебі су буының тығыздығы құрғақ ауа тығыздығынан төмен.

Биіктік өскен сайын ауа тығыздығы атмосфералық қысым сияқты кемиді. Тропосферада ауа температурасы да биіктік бойы төмендейді. Бірақ температура төмендеуі ауа тығыздығының өсуіне әкеледі. Екі сипаттың (қысым және температура) біріккен әсері, ауа тығыздығының биіктік бойы аз кемуіне әсерін тигізеді. Қысқаша айтқанда, биіктік бойы тығыздықтың кемуі қысым кемуінен баяу жүреді. Орта ендіктердің теңіз деңгейінде ауа тығыздығы 1250 г/м³ болса, 5 км биіктікте — 735 г/м³, 10 км — 411 г/м³, 20 км — 87 г/м³. 300 км биіктікте ауа тығыздығының дәрежесі — 10^-8 г/м³, 500 км биіктікте — 10^-9, ал 750 км биіктікте —  
10^-10 г/м³. Жалпы, 20 км биіктікке дейін атмосфера тығыздығы планета аралық кеңістіктің тығыздығынан әлденеше есе артық болады.

Егер атмосфераның тығыздығы биіктік бойы өзгермесе, онда атмосфераның таралу биіктігі 8000 м болар еді. Бұл биіктікті біртекті атмосфераның биіктігі деп атайды. Жер маңындағы ауаның температурасы 0⁰С, қысымы 760 сын. бағ. мм болғанда, ауа тығыздығы 1293 г/м³ тең болады.

Атмосфера статикасының негізгі теңдеуі. Теңдеуді қарастыру үшін көлденең қима ауданы 1 см² (1 м²) тең, биіктігі жұқа ауа бағанын алсақ. Бағанның төменгі деңгейі және жоғарғы деңгейі қабырғамен қоршалған дерлік. Ауа бағаны тыныштық жағдайында, яғни горизонталь бағытында, қозғалмайды, және бұл бағытта қысым да өзгермейді. Онда ауа көлемінің төменгі жағына (қабырғасына) әсер ететін қысым мәні , ал жоғарғы жағына үстінен әсер ететін қысым мәні . Сонымен қоса төмен қарай бағытталған ауаның өз ауырлық күші бар ( — ауа бағанының массасы, — еркін үдеу күші).

, себебі масса — тығыздық пен көлемнің көбейтіндісі, ал біз қарастырған ауа бағанының ауданы бір, биіктігі — . Енді барлық әсер ететін күштердің жиынтығын қарастырайық:

, (5)

мұнда мен күштері бір бағытта — төмен, ал күші қарама-қарсы — жоғары бағытталғандықтан, теріс (-) белгімен өрнектелінген. Ауа бағаны тыныштық жағдайында тұрғандықтан, жиынтық күштер 0-ге тең болады. Сонымен, (5) теңдеуден: