Атмосфера Землі

Атмосфера Землі (від грец. άτμός — пара і σφαῖρα — куля)— атмосфера планети Земля, одна з геосфер, суміш газів, що оточують Землю, та утримуються завдяки силі тяжіння. Атмосфера в основному складається з азоту (N₂, 78 % об.) і кисню (O₂, 21 % об.). Решта - це аргон (0,93 % об.) та вуглекислого газу (0,03 % об.) із неоном, гелієм, метаном, криптоном, воднем та невеликими домішками інших газів. Крім того атмосфера містить близько 1,3÷1,5×10¹⁶кг води, основну масу якої зосереджено у тропосфері.

Значення атмосфери

Попри те, що маса атмосфери становить лише одну мільйонну частку маси Землі, вона відіграє вирішальну роль у різних природних циклах (кругообігу води, вуглецевому циклі і азотному циклі).

Атмосфера забезпечує:

• фотосинтез та дихання;
• захист живих організмів від згубного впливу ультрафіолетового випромінювання, що відбувається завдяки наявності озонового шару;
• перенесення тепла і вологи;
• регулювання сезонного й добового коливання температури (якби не існувало атмосфери Землі добові коливання температури на поверхні сягали б 200° C;
• існування атмосфери обумовлює низку складних екзогенних процесів:
  • вивітрювання гірських порід,
  • активність природних вод, мерзлоти, льодовиків тощо.

Будова атмосфери

За будовою Атмосфера поділяється на три основні шари тропосферу, стратосферу і мезосферу.

Відповідно до змін температури з висотою в атмосфері виділяють такі шари:

• тропосфера — до 8—10 км у полярних областях та до 18 км — над екватором. У тропосфері зосереджено майже 80% атмосферного повітря, майже всю водяну пару, тут утворюються хмари і випадають опади. Теплообмін у тропосфері здійснюється здебільшого конвективно. Процеси, що відбуваються в тропосфері, безпосередньо впливають на життя та діяльність людей. Температура у тропосфері з висотою знижується в середньому на 6 °C на 1 км, а тиск — на 11 мм рт. ст. на кожні 100 м. Умовною межею тропосфери вважають тропопаузу, у якій зниження температури з висотою припиняється.
• стратосфера — від тропопаузи до стратопаузи, яка розташована на висоті близько 50-55 км. Характеризується незначним збільшенням температури з висотою, яка сягає локального максимуму на верхній межі. На висоті 20—25 км у стратосфері розташовано шар озону, який захищає живі організми від згубного впливу ультрафіолетового випромінювання.
• мезосфера — розташована на висотах 55-85 км. Температура поступово падає (від 0 °C у стратопаузі до —70 ÷ —90 °C у мезопаузі).
• термосфера — пролягає на висотах від 85 до 400—800 км. Температура зростає із висотою (від 200 K до 500—2000 K у термопаузі).Починається з лінії Кармана, тому не є основною.

За ступенем іонізації атмосфери в ній виділяють нейтральний шар (нейтросферу) — до висоти 90 км, та іонізований шар — іоносферу — вище 90 км.
За однорідністю атмосферу поділяють на гомосферу (однорідну атмосферу постійного хімічного складу) та гетеросферу (склад атмосфери змінюється з висотою). Умовною межою між ними на висоті близько 100 км є гомопауза.

Верхня частина атмосфери, де концентрація молекул знижується настільки, що вони рухаються переважно балістичними траєкторіями, майже без зіткнень між собою, має назву екзосфера. Вона починається на висоті близько 550 км, складається переважно гелію та водню і поступово переходить у міжпланетний простір.

Еволюція атмосфери

Первинна атмосфера

Атмосфера Землі, як і гідросфера, утворилися внаслідок дегазації мантії. Основними компонентами газів, що виділялися з надр Землі, як і в інших планет - Марса і Венери, - були вуглекислий газ і водяна пара, інші компоненти були присутні лише у вигляді слідів. Склад первинної атмосфери Землі, що утворилася за рахунок виділення газів і води під час розплавлення планетної речовини, був аналогічний складу летких компонентів у сучасних вулканічних виверженнях. Гази, що виділяються з сучасних вулканів, містять переважно водяну пару. У складі газів базальтових лав гавайських вулканів з температурами до 1200°С водяна пара становить 70-80% за об'ємом. У фумарольних газах Курильських островів з температурами близько 100°С міститься 79,7% водяної пари. Другим за значенням складовим компонентом атмосфери, є вуглекислий газ. У газах з лав його вміст становить від 6 до 15%. Крім водяної пари з лав відганяються й інші компоненти:

• за температур 800-1000°С це переважно «кислі дими» - HCl і HF
• за температур 500°С - сірка та її сполуки - H₂S, SO₂ та ін.
• за нижчих температур - борна кислота і солі амонію.

Уявляється, що парціальний тиск водяної пари ранньої атмосфери Землі в кілька разів перевищував парціальний тиск вуглекислого газу^{[Джерело?]}. Іншими словами, атмосфера складалася головним чином з водяної пари з істотною домішкою вуглекислого газу.

Таким чином, у фазу розплавлення зовнішньої сфери земної кулі практично вся гідросфера перебувала у складі атмосфери^{[Джерело?]}. Таку своєрідну атмосферу, що складається в основному з пари води, Дж. Уолкер назвав^{[Джерело?]} «примітивною паровою атмосферою».

Є всі підстави вважати^{[Джерело?]}, що у фазу розплавлення зовнішньої сфери земної кулі виділився водяний пар, охолоджуючись на великій висоті, утворював густий хмарний покрив і інтенсивні дощові опади. Однак падаючі з хмар краплі води на деякій висоті над поверхнею планети, де температура повітря була вищою за 100°С, перетворювалися на пару, яка знову піднімалася вгору. Над розпеченої поверхнею Землі функціонував своєрідний кругообіг води: пара - дощові опади - пара і т.д.

Цей кругообіг води в природі, локалізований у первинній атмосфері Землі поблизу температурного рівня 100°С^{[Джерело?]}, практично не впливав на загальний хід еволюції планети і на розвиток її поверхні. Але він був зародком того могутнього кругообігу води на Землі, який сформувався пізніше і мав величезний вплив на розвиток планети в цілому, а особливо її природного середовища.

Після охолодження земної поверхні до температури нижче 100°С відбувся перехід атмосферної водяної пари в рідку воду^{[Джерело?]}. На сухій і дуже гарячій тоді земній поверхні утворилася річкова мережа й виникли водойми. Земна поверхня стала дуже вологою і почала зазнавати інтенсивного впливу водяних потоків. З цього часу і починається геологічна історія^{[Джерело?]}.

Зміни температурних умов на Землі, а слідом за цим і всієї природного обстановки не могли не відбитися і на атмосфері. Вилучення з атмосфери величезної кількості води та поява поверхневого стоку і водойм справили величезний вплив на склад і еволюцію повітряного середовища. З водної атмосфери вона перетворилася в основному в вуглекислу, в якій водяна пара з панівного компонента перетворилася на другорядний, хоча й важливий. Поява на земній поверхні великих водойм справила вплив на подальшу еволюцію атмосфери. У ній почалося швидке зменшення вмісту вуглекислого газу. СО₂ легко розчиняється у воді, і переважна його частина була поглинена нею. Про це ми можемо з достатньою підставою судити за сучасних умов. Наразі, в умовах рівноважного стану між атмосферним вуглекислим газом і розчиненим в океанах, в океанічних водах міститься в 60 разів більше вуглекислого газу, ніж в атмосфері. Якщо ж врахувати здатність вуглекислого газу легко переходити з водного середовища у товщі відкладень, то його вміст у водах океану буде весь час зменшуватися, а відповідно буде падати величина парціального тиску розчиненого газу. Результатом зростаючої нерівноваги між парціальним тиском вуглекислого газу у водному середовищі й атмосфері буде перехід СО₂ з повітряного середовища у водне. Це зменшення вмісту вуглекислого газу в атмосфері мало тривати доти, доки знову не відновлювалася рівновага. Звідси випливає, що до початку геологічної історії склад атмосфери та її інші параметри дуже змінилися^{[Джерело?]}. Повітряне середовище не лише втратило майже всю воду, що перебувала в ньому у вигляді пари, але в ньому залишилося мало і СО₂. У багато разів зменшився тиск атмосфери.

Киснева атмосфера

Подальша еволюція атмосфери пов'язана головним чином з появою і розвитком органічного світу, перш за все рослинності.

Докладніше у статті Киснева катастрофа

Вплив людини на атмосферу Землі

Атмосфера Землі зазнає значного впливу життєдіяльності людини. Близько 300 млн автомобілів щорічно викидають в атмосферу 400 млн т оксидів вуглецю, понад 100 млн т вуглеводів, сотні тисяч тонн свинцю^{[Джерело?]}. Найпотужніші виробники викидів в атмосферу: ТЕС, металургійна, хімічна, нафтохімічна, целюлозна та інші галузі промисловості, автотранспорт.

Систематичне вдихання забрудненого повітря помітно погіршує здоров'я людей. Газоподібні і пилові домішки можуть надавати повітрю неприємного запаху, подразнювати слизові оболонки очей, верхніх дихальних шляхів і тим самим знижувати їхні захисні функції, бути причиною хронічних бронхітів та захворювань легенів. Численні дослідження показали^{[Джерело?]}, що на фоні патологічних відхилень в організмі (захворювання легенів, серця, печінки, нирок та інших органів) шкідлива дія атмосферного забруднення проявляється сильніше. Важливою екологічною проблемою стало випадання кислотних дощів. Щорічно при спалюванні палива в атмосферу надходить до 15 млн т двоокису сірки^{[Джерело?]}, який, сполучаючись з водою, утворює слабкий розчин сірчаної кислоти, що разом з дощем випадає на землю. Кислотні дощі негативно впливають на людей, врожай, споруди і т. ін.

Забруднення атмосферного повітря може також опосередковано впливати на здоров'я і санітарні умови життя людей.

Накопичення в атмосфері вуглекислого газу може викликати потепління клімату в результаті парникового ефекту^{[Джерело?]}. Суть його полягає в тому, що шар двоокису вуглекислого газу, який вільно пропускає сонячну радіацію до Землі, буде затримувати повернення у верхні шари атмосфери теплового випромінювання. У зв'язку з цим у нижніх шарах атмосфери підвищуватиметься температура, що, у свою чергу, призведе до танення льодовиків, снігів, підйому рівня океанів і морів, затоплення значної частини суші.

Явища теплоперенесення в земній атмосфері

--- Екологічні проблеми ---

• Парниковий ефект
• Руйнування озонового шару
• Смог
• Кислотні дощі
• Ядерна ніч і ядерна зима,

Див. також

• Повітря
• Киснева катастрофа