Газовый состав атмосферного воздуха

Газовый состав воздуха, которым мы дышим, выглядит так: 78% составляет азот, 21 % — кислород и 1% приходится на другие газы. Но в атмосфере крупных промышленных городов это соотношение часто нарушено. Значительную долю составляют вредные примеси, обусловленные выбросами предприятий и автотранспорта. Автотранспорт привносит в атмосферу многие примеси: углеводороды неизвестного состава, бенз (а) пирен, углекислый газ, соединения серы и азота, свинец, угарный газ.

Атмосфера состоит из смеси ряда газов — воздуха, в котором взвешены коллоидные примеси — пыль, капельки, кристаллы и пр. С высотой состав атмосферного воздуха меняется мало. Однако начиная с высоты около 100 км, наряду с молекулярным кислородом и азотом появляется и атомарный в результате диссоциации молекул, и начинается гравитационное разделение газов. Выше 300 км в атмосфере преобладает атомарный кислород, выше 1000 км — гелий и затем атомарный водород. Давление и плотность атмосферы убывают с высотой; около половины всей массы атмосферы сосредоточено в нижних 5 км, 9/10 — в нижних 20 км и 99,5% — в нижних 80 км. На высотах около 750 км плотность воздуха падает до 10-10 г/м3 (тогда как у земной поверхности она порядка 103 г/м3), но и такая малая плотность еще достаточна для возникновения полярных сияний. Резкой верхней границы атмосфера не имеет; плотность составляющих ее газов

В состав атмосферного воздуха, которым дышит каждый из нас, входят несколько газов, основными из которых являются: азот (78.09%), кислород (20.95%), водород (0.01%) двуокись углерода (углекислый газ) (0.03%) и инертные газы (0.93%). Кроме того, в воздухе всегда находится некоторое кол-во водяных паров, кол-во которых всегда изменяется с переменой температуры: чем выше температура, тем содержание пара больше и наоборот. Вследствие колебания кол-ва водяных паров в воздухе процентное содержание в нем газов также непостоянно. Все газы, входящие в состав воздуха, бесцветны и не имеют запаха. Вес воздуха изменяется в зависимости не только от температуры, но и от содержания в нем водяных паров. При одинаковой температуре вес сухого воздуха больше, чем влажного, т. к. водяные пары значительно легче паров воздуха.

Источник: znanija.com

 

Нижней границей атмосферы является поверхность Земли.

Верхней грани­цей в международном праве считается 100км. В науке и технике верхней грани­цей условно считают высоты, на которых плотность атмосферных газов приближается к плотности материи в межпланетном про­странстве (межпланетного газа). Эта граница достаточно расплывчата и оценивается значением 1100—3000 км.

По высоте земная атмосфера имеет слоистое строение. В зави­симости от характеристик атмосферы, положенных в основу деле­ния ее на слои (распределение температуры, взаимодействие с земной поверхностью, состав воздуха и др.), применяются различные схемы строения земной атмосферы (фиг. 1.1).

 

По составу воздуха атмосфера делится на:

— гомосферу (до Н= 90 – 100 км), в ней состав сухого воздуха и его молекулярный вес (28,966 г/моль) практически не меняется с высотой и составляет:

— азота (78,08% объема),

— кислорода (20,95%),

— аргона (0,93%),

— углекислый газ (0,02 – 0,04%),

— примеси в небольших количествах: водород, гелий, неон, криптон, ксенон, озон, метан, закись азота, окись углерода и др. (менее 0,01%);

— гетеросферу (выше 90 – 100 км), состав воздуха изменяется, молекулярный вес уменьшается, т.к. происходит диссоциация молекул под действием солнечного излучения до состояния атомов и ионов. До Н=400-600 км сохраняется азотно-кислородный состав атмосферы, но с Н=110 – 120 км практически весь кислород находится в атомарном состоянии. На больших высотах в атомарное состояние переходит азот, затем относительное количество кислорода и азота уменьшаются и на высотах порядка 1600км в атмосфере преобладает гелий, а на высотах более 3000 км — водород. Для нас важно, что численные значения коэффициентов, используемых в формулах газодинамики в гетеросфере могут изменяться, меняются также законы аэродинамики (а/д разреженных газов).

— выделяется озоносфера — слой озона на Н=20 – 55 км с максимальной концентрацией на Н=20 – 25 км;

— выделяется ионосфера с повышенной концентрацией ионов, состоит из нескольких слоев:

— D на Н=60 км,

— E на Н=90 – 120 км,

— F на Н > 180 км.

 

По взаимодействию с земной поверхностью атмосфера делится на:

—пограничный слой(от 0 до 1000 – 2000 м), в нем проявляется влияние трения воздушных масс о подстилающую поверхность (механическое влияние и наиболее сильно проявляется тепловое влияние земли на воздух);

—свободная атмосфера, в которой этого влияния нет.

При прогнозировании погоды и условий полета это необходимо учитывать.

 

По распределение температуры по высотаматмосфера состоит из, пяти основных слоев:

— тропосферы,

— стратосферы,

— мезосферы,

— термосферы,

— экзосферы;

и переходных слоев между ними (соответственно):

— тропопауза,

— стратопауза,

— мезопауза,

— термопауза.

 

Каждый слой характери­зуется резко выраженными физическими особенностями, обусловленными в основном взаимодействием между частицами газов, образующих атмосферу, и излучением, попадающим в атмосферу извне (солнечным). Схема расположения этих слоев по высоте дана на фиг. 1.1.

Для авиации важны тропосфера и стратосфера с тропопаузой, другие слои непосредственно на вопросы, связанные с авиацией, не влияют. Рассмотрим кратко характеристики нижних слоев атмосферы.

 

Тропосфера является нижним слоем атмосферы, верхняя граница кото­рого расположена на высоте около 7 – 10 км в полярных широтах, 10—12 км в умеренных и 14—18 км в тропических широтах. В тропосфере находится более 79% всей массы земной атмосферы. С увеличением высоты тем­пература воздуха в тропосфере (см. фиг. 1. 1) быстро понижается, так как тропосфера получает тепло в основном от поверхности земли, нагреваемой Солнцем. Быстрое падение температуры с высотой в тропосфере приводит к интенсивному вертикальному пере­мешиванию слоев воздуха (образованию восходящих и нисходя­щих токов), образованию облаков и туманов, выпадению осадков, развитию грозовой деятельности и др. В тропосфере воздух также интенсивно перемещается в горизонтальном направлении. В этом слое непрерывно изменяются температура, давление, влажность и другие физические параметры воздуха. Тепловое и механическое влияние поверхности Земли наиболее сильно сказывается на высо­тах до 1 – 2 км (пограничный слой).

В тропосфере к воздуху добавляется:

— водяной пар (0 – 4% от объема воздуха, 90% всего пара в атмосфере находится в тропосфере) играющий весьма большую роль в атмосферных явлениях (превращения пара сопровождаются поглощением или выделением больших количеств тепла, конденсация пара создает облака и осадки),

— пыль — твердые частицы разнообразного состава.

Посторонние примеси в воздухе (пыль и влага) влияют на цвет неба. Молекулы воздуха рассеивают преимущественно свет малой длины волны, поэтому освещенный солнцем воздух в большой тол­щине имеет голубой цвет. При наличии в воздухе частиц пыли или воды он рассеивает и длинноволновое излучение. В этом случае небо становится белесоватым. С высотой содержание пыли и влаги в атмо­сфере быстро убывает и интенсивность голубой окраски неба воз­растает. На высотах более 15—20 км небо становится темно-фиолетовым. Цвет неба учитывается при разработке маскировочной окраски для самолетов.

 

Над тропосферой расположен слой, называемый стратосферой. Переходной слой воздуха от тропосферы к стратосфере толщиной от нескольких сот метров до примерно 2 км носит название тропопаузы.

Нижнюю границу тропопаузы определяют как высоту уменьшения градиента уменьшения температуры воздуха, после которого градиент температуры не увеличивается. Причем это может быть градиент может доходить до 0 (изотермия) или до плюсовых значений (инверсия).

Высота тропопаузы (верхней границы тропосферы) может существенно меняться. При антицикло­не, т. е. над областями с высоким атмосферным давлением, тропо­пауза располагается выше, чем при циклоне, т. е. над областями с низким давлением; весной высота тропопаузы понижается, а осенью — повышается.

Тропопауза начинает препятствовать развитию вертикальных движений — в ней постепенно убывают процессы вертикального перемешивания воздуха, характерные для тропосферы и почти от­сутствующие в стратосфере.

 

Стратосфера простирается от тропосферы до высот 40 – 50 км. Стратосфера почти всегда безоблачна — в ней находится ничтожное количество водяного пара. Нижний слой стратосферы (до Н = 25 – 30 км) является обычно изотермическим, а над ним располагается инвер­сионный слой с ростом Т почти до 0°С. Поэтому стратосфера более спокойна, чем тропо­сфера. Однако и в стратосфере (особенно в нижних ее слоях) на­блюдается иногда болтанка, а также бывают весьма сильные ветры — со скоростью порядка нескольких сот километров в час.

В стратосфере находится слой максимальной концентрации озона, начинающийся на высотах порядка 20 км и кончающийся около 55 км. Этот слой чрезвычайно интен­сивно поглощает ультрафиолетовое солнечное излучение. В основ­ном благодаря этому на указанных высотах значительно повы­шается температура воздуха (слой инверсии). Вследствие погло­щения озоном ультрафиолетовое излучение Солнца почти не попа­дает в тропосферу.

 

Не существует четких границ между различными слоями атмо­сферы, а высоты их расположения и характеристики могут значи­тельно изменяться в зависимости от времени года и суток, географической ши­роты места и др. Процессы, происходящие в различных слоях земной атмосферы, взаимосвязаны: поглощение ультрафиолетового излучения слоем озона в стратосфере влияет на свойства тропосферы и т. п.

 

 

Источник: helpiks.org

Общие сведения

Под термином «атмосфера» понимают газовый слой, который окутывает нашу планету и многие другие небесные тела во Вселенной. Он образует оболочку, которая возвышается над Землей на несколько сотен километров. В составе присутствуют разнообразные газы, основным из которых является кислород.

Атмосфера характеризуется:

• Неоднородностью с физической точки зрения.
• Повышенной динамичностью.
• Зависимостью от биологических факторов (высокая уязвимость в случае неблагоприятных явлений).

Основное влияние оказывают на состав и процессы его изменяющие, живые существа (включая, микроорганизмы). Эти процессы продолжаются с момента возникновения атмосферы – несколько миллиардов лет. Защитная оболочка планеты соприкасается с такими образованиями, как литосфера и гидросфера, верхние же границы определить с высокой точность сложно, ученые могут назвать только примерные значения. Атмосфера переходит в межпланетное пространство в экзосфере – на высоте
500-1000 км от поверхности нашей планеты, некоторые источники называют цифру в 3000 км.

Значение атмосферы для жизни на земле велико, так как она предохраняет планету от столкновения с космическими телами, обеспечивает оптимальные показатели для формирования и развития жизни в различных ее формах.
Состав защитной оболочки:

• Азот – 78%.
• Кислород – 20,9%.
• Смесь газовая – 1,1% (эта часть образована такими веществами, как озон, аргон, неон, гелий, метан, криптон, водород, ксенон, углекислый газ, водяные пары).

Газовая смесь выполняет важную функцию – поглощение излишнего количества солнечной энергии. Состав атмосферы изменяются в зависимости от высоты – на высоте 65 км от поверхности Земли азота в ней будет содержаться
уже 86%, кислорода – всего 19%.

Составные элементы атмосферы

Разнообразный состав атмосферы Земли позволяет ей выполнять различные функции и оберегать жизнь на планете. Основные его элементы:

• Углекислый газ (CO₂) – является неотъемлемым компонентом, задействованным в процессе питания растений (фотосинтезе). Выделяется он в атмосферу благодаря дыханию всех живых организмов, гниению и горению органических веществ. Если углекислый газ исчезнет, то вместе с ним перестанут существовать и растения.


• Кислород (O₂) – обеспечивает оптимальную среду для жизни всех организмов на планете, обязателен для дыхания. С его исчезновением прекратиться жизнь для 99% организмов на планете.
• Озон (O₃) – газ, который выступает естественным поглотителем ультрафиолета, выделяемого солнечным излучением. Его излишки негативно влияют на живые организмы. Газ формирует особый слой в атмосфере —озоновый экран. Под влияние внешних условий и деятельности человека он начинает постепенно разрушаться, поэтому важно проводить мероприятия для восстановления озонового слоя нашей планеты, чтобы сохранить на ней жизнь.

Также в составе атмосферы присутствуют водяные пары – они определяют влажность воздуха. Процентное содержание этого компонента зависит от разных факторов. Влияние оказывают:

• Показатели температуры воздуха.
• Расположение местности (территория).
• Сезонность.

Оказывает влияние на количество водяного пара и температура – если она низкая, то концентрация не превышает 1%, при повышенной – достигает показателей в 3-4%.
Дополнительно в составе земной атмосферы присутствуют твердые и жидкие примеси – сажа, пепел, морская соль, разнообразные микроорганизмы, пыль, капли воды.

Атмосфера: ее слои

Необходимо знать строение атмосферы земли по слоям, чтобы иметь полное представление о том, чем ценна для нас эта газовая оболочка. Они выделяются потому, что состав и плотность газовой смеси на разных высотах неодинаковы. Каждый из слоев отличается по химическому составу и выполняемым функциям. Расположить атмосферные слои земли по порядку следует так:

Тропосфера – располагается ближе остальных к земной поверхности. Высоты этого слоя достигают 16-18 км в тропических зонах и 9 км в среднем над полюсами. В этом слое концентрируется до 90% всего водяного пара. Именно в тропосфере происходит процесс образования облаков. Также здесь наблюдаются движение воздуха, турбулентность и конвекция. Температурные показатели различны и составляют от +45 до -65 градусов — в тропиках и на полюсах, соответственно. С повышением на 100 метров наблюдается понижение температуры на 0,6 градуса. Именно тропосфера по причине скопления водяного пара и воздуха отвечает за циклонические процессы. Соответственно, правильным ответом на вопрос, как называется слой атмосферы земли в котором развиваются циклоны и антициклоны будет название этого атмосферного слоя.

Стратосфера – этот слой располагается на высоте 11-50 км от поверхности планеты. В нижней его зоне температурные показатели стремятся к значениям в -55. В стратосфере имеется зона инверсии – граница между этим слоем и следующим, называемым мезосферой. Температурные показатели достигают значений в +1 градус. Самолеты летают в нижней зоне стратосферы.

Озоновый слой – небольшой по высоте участок на границе между стратосферой и мезосферой, но именно озоновый слой атмосферы предохраняет все живое на земле от действия ультрафиолета. Также он отделяет комфортные и благоприятные условия для существования живых организмов и суровые космические, где невозможно выжить без специальных условий даже бактериям. Образовался он в результате взаимодействия органических компонентов и кислорода, который контактирует с ультрафиолетовым излучением и вступает в фотохимическую реакцию, что позволяет получить газ под названием озон. Так как озон поглощает ультрафиолет, он способствует нагреву атмосферу, поддерживая оптимальные для жизни в ее привычном виде, условия. Соответственно, отвечать на вопрос: слой какого газа защищает землю от космической радиации и чрезмерного солнечного излучения, следует озон.

Рассматривая слои атмосферы по порядку от поверхности земли следует отметить, что следующей идет мезосфера. Она располагается на высоте 50-90 км от поверхности планеты. Температурные показатели – от 0 до -143 градусов (нижняя и верхняя границы). Она защищает Землю от метеоритов, которые сгорают, проходя через
нее – явление свечения воздуха. Давление газов в этой части атмосферы крайне маленькое, что не позволяет изучить мезосферу полностью, так как специальное оборудование, включая спутники или зонды, не могут там работать.

Термосфера – слой атмосферы, который располагается на высоте 100 км над уровнем моря. Это нижняя граница, которая носит название линия Кармана. Ученые условно определили, что здесь начинается космос. Непосредственная толщина термосферы достигает 800 км. Температурные показатели достигают 1800 градусов, но сохранить обшивку космических аппаратов и ракет в целости позволяет незначительная концентрация воздуха. В этом слое земной атмосферы возникает особое
явление — северное сияние – особый вид свечения, который можно наблюдать в некоторых регионах планеты. Появляются они вследствие взаимодействия нескольких факторов — ионизации воздуха и действия на него космического излучения и радиации.

Какой слой атмосферы находится дальше всего от земли – Экзосфера. Здесь находится зона рассеивания воздуха, так как концентрация газов небольшая, в результате чего происходит их постепенный выход за пределы атмосферы. Этот слой располагается на высоте 700 км над поверхностью Земли. Основной элемент, составляющий
этого слоя – водород. В атомарном состоянии можно встретить такие вещества, как кислород или азот, которые будут сильно ионизированы солнечным излучением.
Размеры экзосферы Земли достигают 100 тысяч км от планеты.

Интересные сведения и научные факты

Изучая слои атмосферы по порядку от поверхности земли, люди получили много ценной информации, которая помогает в развитии и совершенствовании технологических возможностей. Некоторые факты являются удивительными, но именно их наличие позволило живым организмам успешно развиваться.

Известно, что вес атмосферы составляет более 5 квадриллионов тонн. Слои способны передавать звуки до достижения 100 км от поверхности планеты, выше это свойство исчезает, так как изменяется состав газов.
Атмосферные движения существуют, потому что нагрев Земли различается. Поверхность на полюсах холодная, а ближе к тропикам прогрев увеличивается, на температурные показатели оказывают влияние циклонические вихри, сезоны, время суток. Силу давления атмосферы можно узнать – для этой цели используется барометр. Ученые в результате наблюдений установили, что наличие защитных слоев позволяет не допустить контакта с поверхностью планеты метеоритов общей массой 100 тонн ежедневно.

Интересным фактом является то, что состав воздуха (смесь газов в слоях) оставалась неизменной на протяжении длительного временного промежутка – известно о нескольких сотнях миллионов лет. Значительные изменения происходят в последние столетия – с того момента, как человечество переживает значительный подъем производства.

Давление, оказываемое атмосферой, отражается на самочувствии людей. Нормальными для 90% считаются показатели в 760 мм ртутного столба, такое значение должно возникать при 0 градусов. Нужно учитывать, что это значение справедливо для тех участков земной суши, где уровень моря проходит с ней в одной полосе (без перепадов). Чем больше высота, тем ниже будет давление. Также оно изменяется во время прохождения циклонов, так как изменения происходят не только по вертикали, но и по горизонтали.

Физиологическая зона земной атмосферы составляет 5 км, после прохождения этой отметки у человека начинает проявляться особое состояние — кислородное голодание. При этом процессе у 95% людей наблюдается выраженное снижение работоспособности, также значительно ухудшается самочувствие даже у подготовленного и тренированного человека.

Именно поэтому значение атмосферы для жизни на земле велико – люди и большинство живых организмов не смогут существовать без этой газовой смеси. Благодаря их наличию появилась возможность развития привычной для современного общества жизни на Земле. Необходимо оценивать ущерб, который наносится производственной деятельностью, проводить мероприятия по очистке воздуха, чтобы снизить концентрацию определенных видов газов и привнести те, которых недостаточно для нормального состава. Важно задуматься уже сейчас о дальнейших мерах сохранения и восстановления слоев атмосферы, чтобы сохранить оптимальные условия для будущих поколений.

Источник: CosmosPlanet.ru