Состав воздуха вблизи земной поверхности

Атмосфера представляет собой механическую смесь несколь­ких газов. Назовем сухим воздухом такую смесь, в состав которой не входит водяной пар. Состав сухого воздуха вблизи поверхности Земли характеризуется данными, приведенными в табл. 1.1. На долю основных газов (Nz, 02, Аr), как показывает таблица, приходится около 99,96 %, а на долю остальных — всего лишь около 0,04 % •

Таблица 1.1. Состав сухого воздуха вблизи земной поверхности

Газ	Объемное. ', % содержание	Относительная молекулярная мас­са (по углеродной шкале)	Плотность по отношению к воздуху
Азот (N,)	78,084	28,0134	0,967
Кислород(Оа)	20,946	31,9988	1,105
Аргон (Аг)	0,934	39,948	1,379
Углекислый газ (СО*)	0,033	44,00995	1,529
Неон (Ne)	1,818*10-3	20,183	0,695
Гелий (Не)	5,239 *10-4	4,0026	0,138
Криптон (Кг)	1,14* 10-4	83,800	2,868
Водород (На)	5 * 10--5	2,01594	0,070
Ксенон (Хе)	8,7 * 10--6	131,300	4,524
Озон (Оз)	10--5 – 10--6	47,9982	1,624
Сухой воздух		28,9645	1,000

' Объемное содержание—это выраженное в процентах отношение объема Vi, занимаемого i-й газовой составляющей, к общему объему смеси при условии приведения их к одинаковым давлению и температуре.

В состав атмосферы всегда входят три переменные, крайне важные составные части — водяной пар, озон и углекислый газ. Значение этих газов определяется прежде всего тем, что они очень сильно поглощают лучистую энергию и тем самым оказы­вают существенное влияние на температурный режим поверхности Земли и атмосферы.

Углекислый газ является одной из важнейших составных ча­стей питания растений. Он поступает в атмосферу в процессе горения, дыхания и гниения, расходуется же в процессе усвоения его растениями.

Современный состав воздуха атмосферы Земли установился по крайней мере несколько сотен миллионов лет назад. Сформиро­вавшийся в природе круговорот атмосферных газов способствовал тому, что газовый состав атмосферы оставался неизменным до тех пор, пока резко не возросла производственная деятельность чело­века, в первую очередь добыча и последующее сжигание основных видов топлива (каменного угля, нефти и природного газа). В те­кущем столетии отмечается увеличение содержания СО; по всему земному шару. За последние 70—80 лет количество углекислого газа в атмосфере, по оценкам многих ученых, увеличилось при­мерно на 10—12 % — от 0,029 % в 1900 г. до 0,033 % в 1980 г.

Помимо С0>2 под влиянием деятельности человека увеличи­вается в глобальном масштабе содержание других газообразных примесей, сведения о которых приведены в табл. 1.2. 

Таблица 1.2. Средние данные о газовых примесях

Газ	Объемное содержание, %	Газ	Объемное содержание, %
Метан (СН<) Окись углерода (СО) Сернистый газ (SOz)	1,5-10-4  от 0 до следов  от 0 до Ю-4	Закись азота (N,0)  Двуокись азота (NO;)  Радон (Rn) Иод (I,)	5 * 10-5  от 0 до 2 • 10-6  6 * 10-18 от 0 до 10-6

Пока не отмечено изменение содержания в атмосфере основ­ных газов — Oz, Nz, Ar. Однако на сжигание топлива расходуется значительная масса кислорода (по состоянию на 1969 г. около 13 млрд. т в год). Если наметившиеся в последние десятилетия темпы роста добычи топлива (10%) сохранятся, то за 50 лет (с 1971 по 2020 г.) будет израсходовано около 0,77% того коли­чества свободного кислорода, который содержится в атмосфере и гидросфере в настоящее время.

В состав атмосферного воздуха входят также многочисленные взвешенные в нем твердые и жидкие примеси — так называемые аэрозоли. Они имеют естественное и искусственное (антропогенное) происхождение. С 1910 г. по настоящее время масса твердых примесей в атмо­сфере северного полушария увеличилась примерно в 1,5 раза. Эти данные справедливы и для атмосферы в целом. В крупных городах (прежде всего Японии, США, Западной Европы) содер­жание газообразных и твердых примесей значительно больше, чем в среднем по атмосфере. Оно нередко превышает допустимую норму. Загрязнение окружающей среды твердыми и газообраз­ными примесями вредно сказывается на растительности, урожае сельскохозяйственных культур, продуктивности животных, на здо­ровье людей и на деятельности промышленных предприятий таких отраслей, как полупроводниковая, оптическая, фотохимическая. Наблюдения в Лондоне показали, что существует довольно тесная связь между уровнем загрязнения воздушного бассейна и количе­ством заболевших и умирающих в этот период людей.

Содержание водяного пара в атмосфере колеблется в широких пределах; оно близко к нулю при очень низких температурах и может достигать 4 % при высоких температурах. С учетом раз­личного содержания водяного пара в воздухе в нем несколько изменяется содержание других газов.

 Тропосфера, стратосфера и мезосфера

Характерной особенностью тропосферы является падение тем­пературы с высотой. Среднее значение вертикального градиента температуры в тропосфере около 0,65°С/100 м с возможными от­клонениями средних (за сезон для данного географического рай­она) значений до 0,3°С/100 м в ту и другую сторону. Значения же вертикального градиента в фиксированный момент времени в раз­ных точках могут изменяться в широких пределах—от положи­тельных значений порядка десятков градусов на 100 м до таких же отрицательных значений. В тропосфере образуются туманы и все наиболее важные виды облаков, формируются осадки, грозо­вая деятельность. В ней сосредоточена основная масса атмо­сферы — от 75 % в умеренных и высоких широтах до 90 % в низ­ких. Тропосферу принято делить на несколько слоев: а) нижнюю или пограничный слой атмосферы, от земной поверхности до вы­соты 1—1,5 км; б) среднюю—от 1—1,5 до 6—8 км; в) верхнюю— от 6—8 км до тропопаузы.

Уже первые подъемы шаров-зондов в конце прошлого столетия показали, что характерное для тропосферы падение температуры на некоторой высоте прекращается. Сначала падение температуры замедляется, а затем переходит в изотермическое распределение.

Слой атмосферы, характеризующийся замедленным падением (у <0,2°С/100 м), постоянством или ростом температуры с высо­той, носит название стратосферы. Границы стратосферы в среднем располагаются на высотах 11 и 50 км; переходный слой от тропо­сферы к стратосфере называют тропопаузой. Среднее (стандарт­ное) значение температуры на этом уровне составляет -56,5 °С (рис. 2.1).

 Стратосфера изучена к настоящему времени достаточно полно с помощью инструментальных методов зондирования атмосферы (радиозонды, самолеты, стратостаты, ракеты). Выше тропопаузы температура чаще всего или не изменяется с высотой (y=o), или слабо растет (у<0). Изотермическая стратификация характерна для умеренных широт, инверсия—для низких (экваториальных и тропических) широт.

Изотермическое распределение температуры в стратосфере уме­ренных широт сохраняется по средним данным до высоты около 25 км. Выше этого уровня температура растет. Среднее значение Y в слое 25—46 км составляет примерно—0,28°С/100 м, средняя температура переходного слоя — стратопаузы  (на высоте 46— 54 км), в котором у=0, по ракетным данным близка к 0°С (более точно 274 К) с возможными отклонениями в ту и другую сторону до 20 °C.

Рис. 2.1. Стандартное (нор­мальное) распределение темпе­ратуры воздуха по высоте.

Координаты точек:   А — 0, 15 "С;

В - 11 км, —56,5 "С; С - 46 км, 1 "С;

0-80 км, -88 °C.

Высокая температура стратопаузы и ее рост в слое от 25 до 46 км объясняются поглощением ультрафиолетовой солнеч­ной радиации озоном.   

  В мезосфере—слое атмосферы, расположенном над стратосферой, наблюдается падение температуры с высотой при среднем значении у==0,35°С/100 м. В переходном от мезосферы к термо­сфере слое—мезопаузе (на высоте 80—95 км) —температура воздуха изменяется от -85 до -90 °C  (при среднем значении -88 °С). Выше мезопаузы — в термосфере температура вновь растет с высотой главным образом под влиянием поглощения сол­нечной радиации (с длиной волны меньше 0,24 мкм) кислородом, который при этом диссоциирует (возникает атомный кислород). 

Л.Т. Матвеев «Курс общей метерологии»