Строение атмосферы и ее состав

Обычно атмосферу делят на три зоны: тропосферу, непосредственно прилегающую к земной поверхности, простирающуюся на расстояние в 8-10 км над полюсами и отступающую на 18 км вдоль экваториальной зоны Земли под влиянием центробежного ускорения, затем стратосферу, верхняя граница которой лежит на высоте около 70 км над Землей, и, наконец, ионосферу, сливающуюся на расстоянии 1000 - 2000 км от поверхности Земли с космическим пространством.

Масса современной атмосферы составляет около 5,27.10¹⁵ т (80% ее приходится на тропосферу).

В состав атмосферы (за вычетом паров воды) входят: 75,5% азота, 23,01% кислорода, 1,28% аргона, 0,04% углекислого газа, 0,0012% неона, 0,0003% криптона, 0,00007% гелия, 0,00004% ксенона.

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 на рисунке 5.1 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).

Рис. 5.1. Современный состав атмосферы

Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли во времени пребывала в трёх различных составах.

Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера (около четырех миллиардов лет назад). В течение геологического времени состав атмосферы претерпевал существенные изменения (рис. 5.2).

В последующем активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком, водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера (около трех миллиардов лет до наших дней). Эта атмосфера была восстановительной.

Далее процесс образования атмосферы определялся следующими факторами:

• утечка легких газов (водорода и гелия) в межпланетное пространство;
• химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов.

Рис. 5.2. Эволюция состава атмосферы Земли

Постепенно эти факторы привели к образованию третичной атмосферы, характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим - азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

Атмосфера имеет слоистое строение. Слои атмосферы отличаются друг от друга температурой воздуха, его плотностью, количеством водяного пара в воздухе и другими свойствами. Говоря иначе, воздушный океан по своему строению напоминает дом. У него тоже есть свои "этажи".

Первый "этаж"–тропосфера. Он получил своё название от греческого слова "тропос" – поворот. Этот слой простирается, в среднем до 10 – 11 км над уровнем моря, и температура в нём падает с высотой.

Температура тропосферывблизи земной поверхности испытывает сезонные колебания, в то время как на границе со стратосферой они выравниваются, падая до -(40-50)° С.

Почти вся масса паров воды атмосферы сосредоточена в пределах тропосферы. Тропосфера является областью активного взаимодействия газовой оболочки с земной корой, чем в конечном итоге и определяется ее состав. В нее поступает пыль земного происхождения и тепловой поток Земли.

На верхней границе тропосферы радиационный нагрев воздуха солнцем уравнивается с нагревом от Земли.

Выше тропосферы существует слой с постоянной низкой температурой - тропопауза. В тропиках, где солнечные лучи падают отвесно или почти отвесно и где суша и море нагреваются сильнее, толщина этого слоя 14-16 км. В полярных областях, где косые лучи слабо нагревают Землю, тропопауза тоньше - всего 8-10 км. Нагрев же воздуха проходящими лучами солнца не зависит от угла их падения на землю или даже возрастает с удлинением их пути в атмосфере.

Выше тропопаузы роль воды и суши в нагреве столь мала, что воздух с высотой вначале медленно, а потом всё быстрее нагревается примерно до -3 ⁰С на высоте около 50 км. Этот слой называется стратосферой. Она нагревается за счёт поглощения ультрафиолетовой солнечной радиации озоном.

Выше озонового слоя, в мезосфере, температура вновь убывает с высотой. Новый нагрев воздуха происходит ещё выше, в термосфере, он тоже связан с поглощением ультрафиолетовой радиации и сопровождается ионизацией атмосферы. Выше 1 тыс. км, в экзосфере, частицы газов (водорода) рассеиваются в околоземном космическом пространстве и навсегда покидают окрестности нашей планеты.

Второй "этаж" – стратосфера. Этот "этаж" располагается между 11-м и 55-м км над уровнем моря. Ещё совсем недавно предполагали, что в стратосфере газы разделены по слоям, в зависимости от их массы. Отсюда, собственно, и её название. Однако исследования стратосферы с помощью специальных ракет и радиозондов показали, что в стратосфере газы перемешиваются сильными воздушными течениями. Стратосфера по массе составляет ¹∕₅ часть атмосферы. Здесь температура постоянно –40 °С. Тут лишь иногда появляются так называемые перламутровые облака, состоящие из мельчайших кристалликов льда и капель переохлаждённой воды. Небо стратосферы чёрного или тёмно-фиолетового цвета.

На уровне 25-30 км над земной поверхностью появляется так называемый озоновый пояс. Происхождение озона связано с процессами фотодиссоциации молекул воды и углекислоты, проникающих в эту область с Земли и подвергающихся воздействию солнечной радиации. Образующиеся при этом атомы водорода и углерода либо удаляются за пределы земного тяготения (диссипируют), либо образуют различные радикалы: ОН, CN, СН и т. д.

Значение озонового пояса огромно. В. И. Вернадский подчеркивал его роль в качестве «озонового экрана», поглощающего основную массу ультрафиолетовой солнечной радиации (97%) и предохраняющего тем самым земную поверхность от губительного воздействия радиации на биосферу. Нижние слои стратосферы являются пограничной областью, в которой прекращается активное взаимодействие внешних космических факторов с Землей; выше частицы земного происхождения, встречаются в ничтожных количествах.

Активность солнечной энергии сказывается и в том, что в области озонового экрана заметно повышается температура (до 0-10°), а затем постепенно снижается до -80° С на границе с ионосферой.

Третий "этаж" – мезосфера – средний, промежуточный. Этот слой занимает пространство между 55-м и 80-м км от уровня моря. Слой этот ре совершенно недостижим для аэро- и стратостатов, воздушных шаров. Воздух здесь сильно разрежен. Давление его составляет примерно ¹∕_25.000 долю нормального атмосферного давления. Иногда в мезосфере появляются туманообразные серебристые облака, которые видны только в сумерках.

Четвёртый "этаж" – термосфера. Воздух в термосфере ещё сильнее разрежен. Здесь, на высоте 400 км, невиданная жара: 1000 – 2000 ºС, что связано с поглощением излучения солнца. Однако, очутись здесь человек, он не ощутил бы этой жары, потому что плотность воздуха (масса воздуха, содержащаяся в единице объёма) в этом слое исключительна мала. Выше 400 км температура с высотой почти не меняется. Здесь сгорают падающие на Землю метеоры (100 – 160 км).

Часть атмосферы с высотами более 50 и до высоты 800 км (это включает и мезосферу и термосферу) часто называют ионосферой.

Область ионосферы - это область распространения весьма рассеянных ионизированных частиц и нейтральных молекул, движущихся с огромными скоростями, отвечающими на высоте 1000 км над земной поверхностью температурам в тысячи градусов.

Химический состав ионосферы доступен изучению спектральны методом в период астрономических сумерек (после захода Солнца), когда безлунное ночное небо освещено далекими звездами и отличается атмосферной люминесценцией. В этот период в спектре ионосферы отчетливо видны линии кислорода, азота, натрия (плотность последнего составляет 110 атомов на 1 см³).

Сложные химические реакции в верхних слоях атмосферы - выше 50 км - делают её электропроводной и создают слои, отражающие радиоволны. Это позволяет проводить дальнюю радиосвязь вокруг Земли. На высоте более 100 км от земной поверхности в составе ионосферы доминируют тем не менее водород и гелий. При этом количество гелия в земной атмосфере оказывается ниже, чем можно было бы предполагать, принимая во внимание его радиогенное происхождение. Расчеты показывают, что из-за малого молекулярного веса и значительных скоростей, развиваемых атомами гелия, в сильно разреженном пространстве в ионосфере происходит его диссипация — удаление из сферы притяжения Земли. По-видимому, то же самое следует сказать по поводу редких газов в атмосфере.

Ионосфера - зона газовой оболочки Земли, где особенно активно протекают ядерные процессы, определяющие попадание на Землю радиоактивных короткоживущих изотопов, образовавшихся в результате соударений атомов земного происхождения с протонами, движущимися с большими скоростями и проникающими в ионосферу в качестве солнечного ветра. Именно в ионосфере проявляется особенность существования нашей Земли, подверженной влиянию атмосферы Солнца, которая периодически меняется.

Рассмотрим некоторые из подобных явлений.

При соударении нейтрона с атомом N¹⁴ возникает атом С¹⁴ и протон:

N¹⁴ + п = С¹⁴ + Н¹. (5.1)

Возникший изотоп С¹⁴ является β-излучателем с периодом полураспада 5730 лет. Это значит, что в закрытой системе (дополнительные источники С¹⁴ отсутствуют) по прошествии времени, равного десятикратному периоду полураспада, никаких следов С¹⁴ в ней обнаружить не удастся. Иначе говоря, если бы с момента изоляции такой системы от внешнего источника С¹⁴ можно было систематически по прошествии определенных отрезков времени измерять содержание атомов С¹⁴, еще не успевших распасться, то была бы получена характерная кривая его «вымирания». Однако по такой
кривой можно решать и обратную задачу, зная количество сохранившегося С¹⁴, — измерять ее возраст.

Но что же происходит с изотопом С¹⁴ после его образования в атмосфере? По-видимому, значительная часть его, соединяясь с кислородом, образует молекулу углекислоты и вступает в свойственный ей геохимический цикл, который будет подробно рассмотрен далее.

Одним из возможных этапов этого цикла является участие углекислоты в фотосинтезе — поглощении углерода растительностью и осаждение в виде карбонатных осадков в морских бассейнах. При отмирании растений и организмов, употребляющих их в пищу, и осаждении карбонатов обмен углеродом этих объектов с атмосферой прекращается и С¹⁴ в них больше не поступает. Значит, каждый из таких объектов становится подобием ранее рассмотренной нами системы, в которой будет происходить односторонне направленное «вымирание» изотопа С¹⁴. На измерении его концентраций в погребенных остатках животных и растительных организмов и карбонатах основан известный метод измерения возраста молодых отложений. Этот метод позволил сделать важные открытия в плейстоценовой геологии и археологии.

На основании подобных измерений и сопоставлений с пыльцевой флорой удалось установить синхронность оледенений и потеплений климата в разных континентах, измерить возраст речных террас и древних стоянок человека и т. д.

Тщательное измерение возраста годичных колец древних секвой и королевских сосен в США, датируемых 800-1000 лет, показало, что допущение о постоянстве процесса образования атомов С¹⁴ в ионосфере, о неизменной его интенсивности не очень обоснованно. Измерения концентрации С¹⁴ в тщательно датированных независимым методом объектах (годичных кольцах) указали на существование флуктуации, совпадающих с периодичностью, свойственной активности Солнца.

Аналогична судьба трития - Н³, образующегося при другой ядерной реакции в результате соударений быстрых нейтронов с аналогичным, как и в первом случае, изотопом азота:

N¹⁴ + п = С¹² + Н³.

Период полураспада трития 12,3 лет, так как в результате
β-распада тритий превращается в Не³:

Н³ = β+ Не³.

Следовательно, тритий подобно С¹⁴ может быть использован для измерения возраста таких объектов как облака, поверхностные и подземные воды и вода океана с целью измерения скорости их обращения, обмена и т. д., если длительность этих событий не превышает 100 лет.

В настоящее время известно восемь радиоактивных изотопов (короткоживущих), образующихся также в результате нейтронной бомбардировки в верхних слоях атмосферы и участвующих в геохимических циклах земного вещества (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Радиоактивные изотопы, возникшие под действием нейтронов, их периоды полураспада и общее количество на Земле (по Г. Фаулю, 1966 г.)

Пятый "этаж" – экзосфера, т.е. "внешняя" оболочка атмосферы. Находится этот слой на высоте более 800 км. Воздух здесь разрежён ещё сильнее, чем в термосфере. На сегодняшний день такие высоты доступны лишь ракетам. Этот слой называют также "слоем рассеяния", потому что частицы воздуха здесь, двигаясь с огромными скоростями, иногда улетают в межпланетное пространство и навсегда покидают Землю.