Атмосфера. ЇЇ хімічний склад та будова

Атмосфера – газоподібна оболонка Землі, середовище існування більшості живих організмів (окрім анаеробних бактерій). Атмосфера Землі сучасного складу створилась в процесі еволюції міліони років тому. Людина та різні біологічні об’єкти пристосовані до певного складу повітря, який використовують для дихання. Сучасний склад атмосфери утворився в результаті історичного розвитку ландшафтів, фотосинтетичній діяльності рослинності і функціонування океанів, а також внаслідок техногенезу (табл. 1). Певний склад повітря є необхідною умовою їх існування. Повітря – суміш газів, які складають атмосферу.

До складу повітря також входить водяна пара від 0,001 – 4 % (залежно від географічних широт). Інші гази в атмосфері присутні в дуже маленькі кількості, але є дуже важливими в біологічному значені: ксенон, водень, гелій, криптон, неон. Крім того в повітрі присутні тверді та рідкі частинки природного та антропогенного походження (аерозолі).

Таблиця 1.

Склад сухого повітря ( % від об’єму)

Екологічні функції аерозолів в атмосфері дуже різноманітні. Функціонування аерозолів пов’язано з їх природою (табл. 2).

Таблиця 2.

Класифікація аерозолів

Природне забруднення не викликає суттєвих якісних змін в атмосфері тому, що відповідає біологічним законам, регулюється обміном речовин, проявляється періодично. Але бувають випадки, коли природні процеси суттєво впливають на на стан атмосфери – під час виверження вулкану Кракатау в 1833 р. в атмосферу був піднятий пил на висоту до 24 км і протримався до 5 років. Вулкани Аляски в 1912 р. викинулив атмосферу 20 млрд. т пилу. Всього в світі вулкани щоденно викидають в атмосферу 80 - 10⁶ т пилу. З поверхні океанів під час сильних вітрів знімається з частинками води велика кількість солей. Цей процес називається імпульверизація солей і в результаті цього процесу солі входять в атмосферу, а потім з опадами потрапляють в грунт та засолюють його. В середньому в світі викидається в атмосферу 650 - 10⁶ т солей.

Сільськогосподарські та лісні угіддя дають велику кількість природнього пилу. На Великих Рівнинах США щорічні пилові бурі піднімають в атмосферу 221 млн. т пилу. В 1969 р. з районів Нижнього Поволжя та Північного Кавказу було винесено 25 млрд. т пилу. Світове сільське господарство генерує 5 - 10⁶ т пилу щорічно.

Промисловість та сільськогосподарське виробництво є основним джерелом забруднення атмосфери в Україні (табл. 3).

Аерозолі виконують функції ядер конденсації при утворені хмар, але висока концентрація аерозолів знижує прозорість атмосфери і тим самим зменшує потоки прямої сонячної радіації і знижується енергія фотосинтезу рослин. Під час великих викидів пилу або газів зменшується видимість, що порушує роботу транспорту. Пил осідає на поверхню грунту і забруднює її. В середньому на 1 км² території України випадає щорічно до 18 т пилу. Осідання пилу на листках, погіршує роботу устричного апарату рослин, знижує фотосинтез і викликає позакореневе засвоєння шкідливих речовин, наприклад важких металів, радіонуклідів. Склад сухого повітря нижнього шару характеризується постійністю, це обумовлюється постійним рухом повітря, його перемішуванням. Лише кількість вуглекислого газу, озону та деяких інших елементів, дещо змінюється в просторі та часі (вміст вуглекислого газу весь час збільшується в часі та просторі).

Таблиця 3.

Середня кількість аерозолів, які поступають в атмосферу з різних джерел

Екологічне значення атмосфери: захист від випромінювання, від ударів метеоритів, регулювання добового та сезонного коливання температур, сприяння екзогенним процесам, головним процесам життєдіяльності всіх живих організмів. Середовище існування багатьох біологічних істот.

Біологічне значення основних складових частин повітря:

Азот – основний елемент живлення рослин, в великі кількості входить до складу білків. В вільному стані для вищих рослин недоступний, переробляється грунтовими та бульбочковими бактеріями.

Кисень – необхідний для дихання, горіння, гниття. При взаємодії органічних сполук з киснем в клітинах живих організмів виділяється енергія, яка забезпечує життєдіяльність живих організмів.

Вуглекислий газ– джерело повітряного живлення рослин. Грає активну участь в процесі фотосинтезу. Але його надмірна кількість шкодить всьому живому – пригнічує, а також викликає парниковий ефект

Водяна пара – важлива ланка кругообігу води, обумовлює утворення хмар, опадів.

Озон – алотропна модифікація кисню. Захищає все живе на землі від ультрафіолетового випромінювання. Шар озону 0,1 - 5 % мм розміщений на висоті 45 – 60 метрів.

Будова атмосфери:

Маса земної атмосфери – 5,15 – 10¹⁵ тон.

Розпреділення маси атмосфери:

0 – 5 км – 50%;

0 – 10 км – 75%;

0 – 20 км – 95%;

0 – 80 км – 99%

В основу умовного поділу покладено зміну температури повітря.

Існує п’ять основних шарів атмосфери: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, екзосфера.

Тропосфера – 0–8 – 12 км – середні широти, 0 – 18 км – тропіки.

Кожні 100 м температура повітря зменшується на 0,5⁰С, тому на верхній межі шару вона складає -70 ⁰С . Тропосфера містить 75 – 80 % маси атмосфери та 95 % водяної пари, яка міститься в атмосфері. В ній відбуваються найважливіші атмосферні явища: утворюються хмари, випадають опади, проходять теплообміні процеси між атмосферою та літосферою, циркуляція повітряних мас, зміни вологи, виникають суховії, пилові бурі, шквали, тайфуни. Приземний шар тропосфери (декілька десятків метрів) значно впливає на життєдіяльність живих організмів, тому для розв’язання практичних завдань необхідно знання атмосферних процесів, які проходять в приземному шарі.

Мал. 1. Будова атмосфери.

Стратосфера – 8–12 – 55 км. Температура цього шару постійна -50⁰С. така температура пояснюється тим, що надходження тепла в атмосферу ї його витрати врівноважуються. Вище 35 км температура повітря поступово зростає і досягає на поверхні межі 0^оС, що є наслідком поглинання сонячної радіації озоном. Як правило в стратосфері безвітряний простір. В стратосфері майже немає хмар вертикального розвитку (купчасто-дощових).

Мезосфера – 55 – 90 км. Температура знижується до -80⁰С. у верхній частині влітку спостерігати сріблясті хмари, природа яких ще досі невідома.

Термосфера (іоносфера) – простягається до 800 км. Повітря в цьому шарі дуже іонізовано, що зумовлює його надзвичайну електропровідність, це має надзвичайне значення для радіозв’язку (від іоносфери відбуваються короткі хвилі). Температура в цьому шарі підвищується до 2000^оС, але ця температура характеризує тільки кінетичну енергію руху молекул газів. Космічні кораблі та станції не відчувають дії такої високої температури в наслідок дуже великої розрідженості газів. В цьому шарі згорають метеорити та проходить полярне сяйво.

Екзосфера (сфера розсіювання) – розповсюджується до 3000 км, складається з найлегших атомів (водню та гелію). Поступово цей шар переходить у земну корону ( до 20 000 км) та в космічний простір.