Атмосферные газовые ресурсы

Атмосфера (от греч. atmos — пар и sphdira — шар) — это воздушная среда вокруг Земли, вращающаяся вместе с ней. Атмосфера включает в себя слой воздуха в подпочве, почве и над ее поверхностью. Масса атмосферы примерно равна 5,51 • 10¹⁵ т. Эта огромная величина равна только одной миллионной части всей массы нашей планеты. Наибольшей плотности воздух достигает у земной поверхности, где его кубический метр весит около 1290 г. С высотой его плотность и вес быстро уменьшаются, и в 20 км от поверхности Земли 1 м³ воздуха весит только 90 г, а в 40 км — всего 4 г.

Газовый состав атмосферы. Состав воздуха, из которого состоит атмосфера, относительно постоянен. В атмосфере у поверхности Земли содержится 78,1% азота, 21% — кислорода, 0,9% — аргона, в незначительных долях процента присутствуют углекислый газ, водород и инертные газы (рис. 2.2).

В нижних слоях атмосферы на высоте до 20 км содержится водяной пар (у земной поверхности — от 3% в тропиках до 2 • 10~⁵% в Антарктиде). Количество водяного пара с ростом высоты быстро снижается. Газовый состав остается почти неизменным до высоты 100—110 км. Выше воздух также сохраняет в основном свой состав, но под действием ультрафиолетовых лучей Солнца молекулярный кислород распадается на атомы, а с высоты 200 км и азот подвергается расщеплению на атомы.

Азот — газ, являющийся основной составляющей воздуха, не поддерживает дыхания и горения, но необходим для роста растений, жизни животных и человека. Азот вырабатывается микроорганизмами, находящимися в земной коре.

Рис. 2.2. Изменение газового состава воздуха с высотой атмосферы:

N₂ — молекулярный азот; 0₂ — молекулярный кислород;

N — атомарный азот; О — атомарный кислород; О_э — озон

Кислород — самый важный для жизнедеятельности компонент воздуха. Он является составной частью всех животных и растительных организмов, входя в состав белков, жиров и углеводов. Кислород необходим для дыхания и горения. Без пищи человек может обходиться 5 недель, без воды — 5 дней, без атмосферного кислорода — 5 мин.

Кислород вырабатывается зелеными растениями в процессе фотосинтеза — 100 млрд т ежегодно. Но основная роль принадлежит фитопланктону, который выделяет примерно 70% всего атмосферного кислорода. Полное обновление кислорода планеты осуществляется с помощью живых организмов в течение 5200—5800 лет.

Озон образуется в атмосфере из молекулярного кислорода, к которому присоединяется атомарный кислород при электрических разрядах в атмосфере (например, во время грозы) и под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца.

Углекислый газ поступает в воздух в результате процессов сжигания топлива, гниения и разложения органических веществ, дыхания людей и животных. Однако существенного накопления углекислого газа в атмосфере не происходит, так как растения поглощают его в процессе фотосинтеза. Ежегодно растения извлекают из атмосферы более 160 млрд т углекислого газа.

Тропосфера — нижний основной слой атмосферы. Он изучен лучше всего. Высота тропосферы достигает 10 км над полюсами, 12 км в умеренных широтах и до 18 км над экватором. Тропосфера содержит более 4/5 всей массы атмосферного воздуха. В ней наиболее ярко проявляются разнообразные погодные явления. Известно, что с подъемом на 1 км температура воздуха в этом слое снижается более чем на б°С. Это происходит потому, что воздух пропускает к поверхности Земли солнечные лучи, которые ее нагревают. От земной поверхности нагреваются и прилегающие к Земле слои атмосферы.

Стратосфера находится над тропосферой до высоты 50—55 км. В ней содержится менее 20% массы всего атмосферного воздуха. В этом слое имеется незначительное перемещение газов и происходит возрастание температуры с высотой (до 0°С у верхней границы). Нижняя часть стратосферы представляет собой мощный задерживающий слой, иод которым скапливаются водяной пар, кристаллы льда и другие твердые частицы. Относительная влажность воздуха здесь всегда близка к 100%.

Мезосфера простирается выше стратосферы на высоте от 50 до 80 км. На ее долю приходится менее 1% воздуха. Для нее характерно понижение температуры с увеличением высоты — приблизительно от 0°С на границе со стратосферой до -90°С в самых верхних слоях мезосферы.

Ионосфера находится над мезосферой. Она характеризуется значительным содержанием атмосферных ионов и свободных электронов. Ионизация сильно разреженного воздуха в ионосфере происходит под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации, а также космического излучения. Ионосфера способствует распространению радиоволн. Верхняя граница ионосферы является внешней частью магнитосферы Земли.

Газовый состав атмосферы

Структура атмосферы обеспечивает возможность существования жизни на Земле. Составляет около 800 км в толщину. С удалением от поверхности её состав, плотность, давление, температура изменяются. Атмосфера Земли включает в себя следующие слои:

- тропосфера – нижний, самый тонкий и самый плотный слой, в нём содержится 80 % всей массы атмосферы. Здесь формируется климат Земли. Граница тропосферы проходит на высоте 10 – 12 км над поверхностью планеты (самолёты, как правило летают на высоте 9-10 км). Тропосфера является и самым тёплым слоем, поскольку солнечные лучи, отражаясь от поверхности Земли, нагревают воздух. По мере удаления от земной поверхности температура падает до –55 градусов в верхней части тропосферы (т.н. тропопауза).

- стратосфера – содержит важный для жизни озоновый слой, который сосредоточен на высоте 20-30 км. Граница стратосферы проходит на высоте около 50 км над поверхностью планеты. Здесь температура выше, чем в верхней части тропосферы, поскольку озоновый слой задерживает значительную часть ультрафиолетовых лучей.

- мезосфера - находится над стратосферой. Граница находится в пределах 50-95 км от поверхности Земли. В пределах верхней границы мезосферы имеется мезопауза – около –90 градусов. Это самая холодная область во всей атмосфере. Здесь образуются облака изо льда, которые можно наблюдать только поздно вечером, когда заходящее солнце подсвечивает их снизу.

Мезосфера является преградой на пути метеоритов, которые под влиянием земного притяжения входят в атмосферу Земли. Скорость их движения достигает до 64 км/ч. В основном, по своим размерам они не превышают горошину. В мезосфере, несмотря на то, что воздух очень разрежен, метеориты сгорают в результате трения о воздух на высоте 60-70 км.

- термосфера – последний основной слой атмосферы, отделяющий Землю от космоса. Он начинается приблизительно на высоте 100 км и распространяется до высоты 500-800 км. В нём содержится лишь 0,001% всей массы атмосферы. Здесь температура повышается и на высоте 480 км может достигать 1200 градусов по Цельсию. Термосфера состоит из ионосферы, магнитосферы и экзосферы.