Состав, строение атмосферы, значение атмосферы в жизни человека. Солнечная радиация, ее виды, распределение на территории России

Состав атмосферы

Атмосфера – это газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосфера имеет «многоэтажное» строение и делится на такие слои, как тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Состав сухого остатка атмосферы по всей ее толще почти одинаков. Но отличается его плотность и температура, а в нижнем слое (тропосфере) повышено содержание воды, твердых частиц, над почвой – углекислого газа. Тропосфера включает около 80% всей массы атмосферы.

Главными компонентами атмосферы являются азот (более 78%) и кислород (более 20%), а также ряд других газов (до 1%) – аргон, неон, углекислый газ, метан, гелий, водород, криптон, ксенон, оксид азота, озон, двуокись серы. Некоторые газы находятся в атмосферном воздухе в следовых количествах.

Азот в атмосфере содержится в значительно большей концентрации (78%), чем другие газы. Около трех миллионов лет назад в результате появления зеленых растений и, соответственно, фотосинтеза, в атмосферу в больших количествах стал выделяться кислород. При окислении молекулярным кислородом аммиачно-водородной атмосферы появилось огромное количество азота. В настоящее время данный газ выделяется в атмосферу в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, так как этот химический элемент является составной частью белков растительного и животного происхождения. Атмосферный воздух обогащается азотом в ходе денитрификации нитратов и некоторых азотсодержащих соединений. В верхних слоях атмосферы азот подвергается окислению озоном до оксида азота. Свободный азот вступает в химические реакции только в особых условиях, к примеру, при разряде молнии. Азот участвует в природном круговороте веществ и в регуляции концентрации молекулярного кислорода в атмосфере, не допуская его чрезмерного накопления.

Кислород после азота занимает второе место в процентном соотношении по объемному содержанию в атмосферном воздухе (20, 85%). Кардинальные изменения в составе атмосферы произошли после появления на Земле живых организмов, в частности, растений, которые в результате фотосинтеза обогащают воздух кислородом и поглощают углекислый газ. На начальных этапах развития атмосферы Земли выделенный кислород тратился на окисление аммиака, углеводородов, железа. Когда данный период завершился, содержание кислорода в воздухе постепенно возрастало. Атмосфера древней планеты стала приобретать характерные черты современной. Приобретение атмосферой окислительных свойств определило появление изменений в литосфере и биосфере. Кислород, содержащийся в атмосфере, необходим для протекания таких важных для живых организмов процессов, как дыхание, гниение, горение. Таким образом, без этого химического элемента жизнь невозможна. В настоящее время практически весь свободный кислород поступает в атмосферу вследствие фотосинтеза в клетках растений.

Важная составляющая воздуха – углекислый газ, который содержится в атмосфере в небольших количествах (0,03%). Его концентрация зависит от деятельности вулканов, химических процессов в оболочках Земли (минеральные источники, почвы, продукты гниения). Также большое количество углекислого газа выделяется в атмосферу от промышленных предприятий. Но основная масса данного соединения попадает в атмосферу вследствие биосинтеза и разложения органического вещества в биосфере нашей планеты. Углекислый газ считается обогревателем Земли, так как он хорошо пропускает солнечную радиацию к поверхности планеты и удерживает тепло, излучаемое от нее.

Содержание других газов в атмосфере незначительно. Инертные газы, такие как неон, аргон, ксенон, поступают в атмосферу в результате вулканических извержений и распада некоторых радиоактивных элементов. Ученые полагают, что в земной атмосфере содержится такое малое количество благородных газов вследствие их постоянного рассеивания в космическом пространстве.

Кроме газов, в атмосферном воздухе содержатся водяные пары и твердые частицы в форме аэрозоля. Концентрация водяного пара в воздухе увеличивается из-за испарения воды с поверхности Земли. В разных областях его содержание отличается, также оно может изменяться в течение года. Осадки и облака формируются из водяного пара. Именно благодаря содержанию водяных паров, в атмосфере удерживается около 60% тепла от земной поверхности.

Твердые частицы в атмосферном воздухе – это пыль космического и вулканического происхождения, солевые кристаллы, дым, микроорганизмы, пыльца растительных организмов, т.д. Взвеси твердых частиц уменьшают солнечную радиацию, поступающую к поверхности Земли, а также ускоряют сгущение водяного пара и формирование облаков.

Посторонние примеси, содержащиеся в воздухе, оказывают влияние на цвет неба днем. Молекулы газов, составляющих воздух, пыль, капельки воды и кристаллики льда частично рассеивают солнечные лучи. При этом молекулы газов сильно рассеивают радиацию наиболее коротких волн видимой части спектра Солнца (фиолетовый и синий участки) по сравнению с видимым красным участком спектра. Молекулярное рассеяние света обратно пропорционально четвертой степени длины волны светового луча. Вследствие этого крайние фиолетовые лучи рассеиваются в 14 раз больше, чем крайние красные. Содержащиеся в воздухе примеси, будучи значительно крупнее молекул газов, рассеивают лучи обратно пропорционально длине волны, но уже не в четвертой степени, а в меньшей. Однако и они коротковолновую радиацию рассеивают больше, чем длинноволновую. Поэтому воспринимаемый человеческим глазом рассеянный свет при безоблачной погоде представляется голубым и синим.

С увеличением высоты над уровнем моря насыщенность цвета неба возрастает: от голубого он постепенно переходит к фиолетовому. В стратосфере и выше цвет неба становится черно-серым, а затем черно-фиолетовым. При большой запыленности воздуха или большом количестве в нем водяного пара небо приобретает белесоватый оттенок, а при сплошной облачности выглядит серым.

По химическому составу атмосферу по вертикали делят на два слоя: гомосферу (однородную) — от поверхности земли до 100—120 километров и гетеросферу (неоднородную) — выше 100—120 километров.

В гомосфере химический состав атмосферы за исключением водяного пара, озона и углекислого газа мало меняется с высотой. В гетеросфере состав атмосферы с высотой претерпевает значительные изменения вследствие разложения молекул газов, а также из-за стремления газов к диффузному равновесию под действием силы тяжести.

Выше 100 километров под действием ультрафиолетовой радиации Солнца молекулы газов расщепляются на атомы. На высоте 100—200 километров кислород (О2) частично уже находится в атомарном состоянии, а в слое 200—1000 километров атомы кислорода (О) преобладают. Выше 500 километров большая часть азота (N2) также находится в атомарном состоянии. На высоте 500—1000 километров преобладает гелий.