Газовый состав атмосферы

В отличие от атмосферы Юпитера, Сатурна, состоящих главным образом из водорода и гелия, и атмосферы Марса и Венеры, основной компонент которых – углекислый газ, земная атмосфера состоит преимущественно изазота (78 %) и кислорода (21%, табл. 1.1). Атмосфера Земли содержит также аргон, углекислый газ, неон и другие постоянные и переменные компоненты (всего менее 1 %).

Процентный состав сухого воздуха у земной поверхности очень постоянен и практически одинаков повсюду. Существенно меняться может только содержание паров воды и углекислого газа. Совершенно незначительно меняется процентное содержание азота и кислорода. Относительная объёмная концентрация постоянных газов, а также сведения о средних концентрациях ряда переменных компонентов (углекислый газ, метан, закись азота и другие), относящихся только к нижним слоям атмосферы, приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Химический состав сухого атмосферного воздуха у поверхности Земли

Примечание. Средняя молекулярная масса сухого воздуха равна 28,9644

Важное влияние на атмосферные процессы, особенно на тепловой режим стратосферы, оказывает озон.

Озон (О₃)вызывает поглощение солнечной радиациис длинами волн от 0,15 до 0,29 мк, и тем самым является главным фактором нагревания воздуха в стратосфере. Озон имеет важное значение для существования жизни на Земле, так как поглощаемая им ультрафиолетовая радиация губительна для всего живого.

Процесс образования озона из кислорода происходит в слоях от 60 до 15 км при поглощении кислородом ультрафиолетовой солнечной радиации. Часть двухатомных молекул кислорода разлагается на атомы, а атомы присоединяются к сохранившимся молекулам, образуя трехатомные молекулы озона. Одновременно происходит обратный процесс превращения озона в кислород. Максимальная концентрация озона наблюдается в интервале высот 15 – 20 км в полярных областях, 20 – 25 км в умеренных широтах, и от 25 – до 30 км в тропиках и субтропиках. В слои ниже 15 км озон заносится из вышележащих слоев при перемешивании воздуха. Также известны случаи образования тропосферного озона под влиянием фотохимических реакций, происходящих в загрязненном автомобильными выхлопными газами воздухе при интенсивной солнечной радиации.

Образование и разрушение озона схематически представляется в виде:

О₂ → О+О

О₂+О → О₃

О₃ → О₂+О.

Средние месячные значения общего содержания озона изменяются в зависимости от географической широты и времени года от 0,23 – до 0,52 см (толщина слоя озона при наземных давлении и температуре). Увеличение содержания озона наблюдается в направлении от экватора к полюсам, а в годовом ходе максимальная концентрация отмечается весной, минимальная – осенью.

Так называемые озоновые дыры – сезонное уменьшение толщины озонового слоя над Антарктидой и другими областями земной поверхности. Предполагается, что к уменьшению концентрации озона в атмосфере ведёт совокупность факторов антропогенного и природного происхождения.

Гипотеза антропогенного воздействия на озоновый слой базируется на идее разложения озона химическими веществами, выделяющимися в результате хозяйственной деятельности человека. В зоне над Антарктидой располагается замкнутая воздушная масса, формирующаяся зимой в стратосфере. Фреоны, присутствующие в атмосфере, над Антарктидой попадают в область ее существования, где в условиях изоляции на время южнополярной зимы-начала весны не происходит обмена воздушными массами. При сверхнизких температурах на кристалликах льда стратосферных облаков адсорбируются оксиды азота, которые связывают радикальные частицы оксида хлора. Уменьшение содержания соединений азота сопровождается снятием торможения хлорного цикла, и процесс разрушения озона идет беспрепятственно. К середине весны вихрь распадается, и вновь начинают поступать потоки воздуха, обогащенные озоном (более подробно см. [44]).

Согласно второй гипотезе, процесс образования «озоновых дыр» может быть в значительной мере естественным, и связан с усилением глубинной дегазации нашей планеты. По примерным оценкам, природного водорода, который также как хлор и азот способствует разрушению озона, в десятки тысяч раз больше, чем хлора в техногенных фреонах. Основные запасы водорода сосредоточены в ядре планеты и через систему глубинных разломов (рифтов) поступают в атмосферу. Главными каналами дегазации являются срединно-океанские рифты, которые сближаются вокруг Антарктиды и увеличивают «водородную продувку атмосферы» в этом районе, что согласно данной гипотезе объясняет существование «озонной дыры» над Антарктидой.

Другие ученые предполагают, что истощение стратосферного озона в последней четверти ХХ века в значительной степени было обусловлено частыми вулканогенными возмущениями стратосферы в этот период [40]. Длительные лидарные наблюдения (технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах) аэрозольного наполнения стратосферы, проводимые в Гармиш-Партенкирхене (Южная Германия) с 1976 г. [93], показали, что вулканогенное аэрозольное возмущение стратосферы продолжалось около 20 лет. При анализе, установлено, что озоносфера чутко откликалась на возмущения стратосферы вулканогенным аэрозолем, особенно после мощных извержений вулканов Эль-Чичон и Пинатубо. Активное восстановление озоносферы началось только после 1996 г., когда аэрозольное наполнение стратосферы приблизилось к фоновому уровню. В глобальном масштабе понижение среднегодовых значений общего содержания озона в 20-летний период вулканогенной депрессии озоносферы происходило со скоростью примерно 2 % за десятилетие [86]. Приблизительно с такой же скоростью повышался уровень среднегодовых значений биологически активной УФ-В радиации на длинах волн λ ≤ 310 нм. В этот период (80 – 90-х гг.) наблюдалось ускорение роста СО₂ в атмосфере до 1,6 млн^-1/ год [39].

Метан, который также активно участвует в разрушении озонового слоя, в огромных количествах поступает в атмосферу из тектонически активных регионов, тропических лесов, болот севера Канады и Евразии.

Масса ежегодно поступающих в атмосферу природных газов достигает многих десятков миллионов тонн, их соединения с озоном протекают по многоступенчатым реакциям, конечные формы которых можно записать в виде

СН₄ + 4О₃ → СО₂ + 2Н₂О + 4О₂ + 134 ккал/моль,

Н₂ + О₃ → О₂ + Н₂О + 57,8 ккал/моль.

В связи с тем, что природных метана, водорода и вулканогенных фреонов в атмосферу поступает намного больше, чем техногенных выбросов, и их тепловой эффект значительно выше, чем у фреонов, сторонники данной гипотезы считают, что роль антропогенного воздействия на озоновый слой в стратосфере Земли «пренебрежимо мала – приблизительно на четыре порядка ниже влияния природных факторов» [74]. Согласно этой точке зрения, колебания концентрации озона в земной атмосфере носят природный характер и не связаны с деятельностью человека. А.П. Капица и А.А. Гаврилов [45] показали, что концентрация озона в стратосфере меняется с сезонной периодичностью, а на экваторе и в тропических широтах его концентрация даже ниже, чем в «наиболее глубоких озоновых дырах» приполярных областей, и никакой опасности для жизни на этих широтах не наблюдается.

Углекислый газ – существенная переменная компонента атмосферы. Изменчивость его содержания связана с жизнедеятельностью растений (процессами фотосинтеза), растворимостью в морской воде (газообменом между океаном и атмосферой) и индустриальным загрязнением. Последние десятилетия наблюдается рост содержания углекислого газа, обусловленный индустриальным загрязнением, что может иметь влияние на климат вследствие создаваемого углекислым газом парникового эффекта. Предполагается, что в среднем концентрация углекислого газа остаётся неизменной во всей толще атмосферы до высоты 100 км. Выше 100 км начинается его диссоциация под влиянием ультрафиолетовой солнечной радиации.

Атмосферный аэрозоль – это взвешенные в воздухе жидкие и твердые частицы размером от нескольких нм до нескольких десятков мкм – один из наиболее оптически активных компонентов атмосферы (рис. 1.6).

Аэрозоль может включать частицы как естественного, так и техногенного происхождения. Содержание во всей атмосфере аэрозолей естественного происхождения больше, чем техногенных и составляет в среднем 80 % и 20 % соответственно, за исключением отдельных промышленных районов.

Источниками естественных аэрозолей являются океаны (частички морской соли, попадающие в воздух при разбрызгивании морской воды во время волнения в форме мельчайших капель насыщенного раствора соли в воде); космическая пыль, попадающая в атмосферу в количестве около миллиона тонн в год из межпланетного пространства, а также возникающая при сгорании метеоритов в атмосфере; частицы почвы и горных пород, поднимаемые в воздух при раздувании ветром; органические вещества – пыльца и споры растений, бактерии и др.; частицы дыма, возникающие при лесных и торфяных пожарах (зола, выбрасываемая при пожарах в атмосферу, состоит из неорганических веществ, минералов, первоначально присутствовавших в тканях растений, не полностью сгоревшие смолистые вещества); продукты вулканических извержений (вулканические аэрозоли представляют собой тонко измельченную лаву либо капли серной кислоты, содержащей растворы сульфатов, галогенидов, следы никеля и хрома).

Техногенные аэрозоли часто имеют химический состав, несвойственный естественным, так как образуются в результате прямого синтеза в промышленном производстве, при выбросах в атмосферу различных ингредиентов и последующих их физико-химических превращений [73]. Это могут быть и продукты искусственного радиоактивного распада, заражающие воздух при испытательных взрывах атомных и термоядерных бомб.

В больших городах на каждый кубический сантиметр воздуха приходится десятки тысяч аэрозольных частичек, включая вредные газовые примеси (SO₂, CO и др.). В сельских местностях количество частичек аэрозольных примесей в приземном воздухе исчисляется только тысячами на кубический сантиметр, а над океаном – только сотнями. За год на каждый квадратный километр выпадают из атмосферы сотни тонн аэрозолей.

Концентрация аэрозоля в атмосфере быстро убывает с высотой. Так, на высотах 5 – 10 км их всего десятки частиц на кубический сантиметр, тогда как у поверхности Земли насчитывается сотни, тысячи и даже десятки тысяч. Небольшую часть перечисленных примесей составляет крупная пыль, с частичками радиусом более 5 мкм. Почти 95 % частичек имеет радиусы менее 5 мкм (до сотых и тысячных долей микрометра). Они могут длительное время удерживаться в атмосфере во взвешенном состоянии. Удаляются из атмосферы они главным образом при выпадении осадков, присоединяясь к капелькам и снежинкам.

Аэрозольные примеси 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 на западе Канады в 1950 г. переносился сильными воздушными течениями на высотах 8 – 13 км через Атлантику и наблюдался над Британскими островами, сохраняя достаточную концентрацию. По спектрометрическим наблюдениям в Эдинбурге было установлено, что размеры аэрозольных частиц от этого пожара составляли около 10 ^–6 м. Дым и пепел больших вулканических извержений неоднократно распространялись в высоких слоях атмосферы на огромные расстояния, окутывая весь Земной шар. В течение многих месяцев после извержений наблюдались помутнение воздуха и аномально красная окраска зорь.

Рис. 1.6. Огромная пылевая буря, площадь которой составляет около 50 км², а скорость – почти 70 км/ч накрыла 5.07.2011 вечером американский город Феникс – столицу штата Аризона Интернет сайт «Новости в фотографиях» (http://bigpicture.ru/?p=173554).

Рассмотрим состояние и состав атмосферы на больших высотах.Выше 20 – 30 км молекулы воздуха в результате диссоциации в той или иной степени распадаются на атомы. В результате в атмосфере появляются свободные атомы и новые более сложные молекулы. В более высоких слоях становятся существенными ионизационные процессы.

Наиболее неустойчива область верхней атмосферы (выше 100 км), где процессы ионизации и диссоциации порождают многочисленные фотохимические реакции, определяющие изменение состава воздуха с высотой. Здесь происходит также и гравитационное разделение газов, выражающееся в постепенном обогащении воздуха более лёгкими газами по мере увеличения высоты. По данным ракетных измерений, гравитационное разделение нейтральных газов – аргона и азота – наблюдается выше 105 – 110 км. Основные компоненты атмосферы в слое 100 – 210 км – молекулярный азот, молекулярный кислород и атомарный кислород (концентрация последнего на уровне 210 км достигает 77 ± 20 % от концентрации молекулярного азота).

Воздух выше 100 км настолько разрежен, что каждая молекула может обладать собственной температурой.

Верхняя часть термосферы состоит главным образом из атомарного кислорода и азота. На высоте 500 км молекулярный кислород практически отсутствует, но молекулярный азот, относительная концентрация которого сильно уменьшается, всё ещё доминирует над атомарным. Выше 600 км преобладающей компонентой становится гелий, а ещё выше, на высотах 2 – 20 тыс. км, простирается водородная корона Земли. На этих высотах Земля окружена оболочкой из заряженных частиц, температура которых достигает нескольких десятков тысяч градусов. Температура частиц воздуха в космосе весьма высокая, а температура тела (например, космический корабль), размещенного в этой среде, оказывается низкой. Это парадокс кажущийся. Дело в том, что из-за исключительно малой плотности заряженных частиц они очень редко соударяются с помещенным в их среде телом, и в результате, несмотря на свою высокую температуру, не могут передать телу такое количество энергии, какое необходимо для заметного повышения его температуры.