Строение и состав современной атмосферы Земли.

План:

1.     Атмосфера, ее состав и строение.

2.     Схема строения (стратификация) атмосферы. Атмосфера - газовая оболочка Земли, часть географической оболочки Земли. Границы атмосферы. Состав воздуха: основные газы и их значение; водяной пар, аэрозоли и их роль.

3.     Гомосфера и гетеросфера.

4.      Расслоение атмосферы по вертикали: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера и их характеристика. Ионосфера. Происхождение атмосферы и ее эволюция. Значение атмосферы в жизни Земли. Взаимодействие ее с другими земными оболочками.

5.     Охрана воздуха от загрязнения. Организация и методы исследования атмосферы. Исследования атмосферы из космоса.

Атмосфера — газовая оболочка, окружающая планету Земля и вращающаяся вместе с ней.

Атмосфера – это газовая оболочка небесного (или астрономического) тела, которая удерживается вокруг него благодаря действию гравитационных сил. Она есть не только у нашей планеты, а и у большинства массивных космических тел. Источник: https://kipmu.ru/atmosfera/

Толщина атмосферы 1500 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха, то есть смеси газов, составляющих атмосферу: около 5,3 * 1015 т. Молекулярная масса чистого сухого воздуха составляет 29. Давление при 0°С на уровне моря 101 325 Па, или 760 мм. рт. ст.; критическая температура  140,7 °С; критическое давление 3,7 МПа. Растворимость воздуха в воде при 0 °С — 0,036 %, при 25 °С — 0,22 %.

Атмосферное давление — давление атмосферного воздуха на находящиеся в нем предметы и земную поверхность. Нормальным атмосферным давлением является показатель в 760 мм рт. ст. (101 325 Па). При повышении высоты на каждый километр давление падает на 100 мм.

    Состав и границы

 Оболочка, исходя из названия, состоит из смеси определенных газов. Стоит отметить, что ее изначальный химический состав определяется свойствами Солнца, когда планета находится на начальной стадии формирования. Затем наличие и количество тех или иных веществ меняется вследствие эволюции.      

В состав атмосферы Земли входят преимущественно газы, а также разные примеси, например, частицы воды, пыль, лед, продукты горения и др. На 78% оболочка состоит из азота, на 21% – из кислорода. Среди прочих компонентов присутствуют аргон, углекислый газ, гелий, водород и др.

Интересный факт: если содержание большинства компонентов атмосферы Земли не меняется в течение многих лет, то концентрация углекислого газа постепенно растет, начиная с 19-го века.

В настоящее время его показатель – около 0,04%. Несмотря на плавный переход в космическое пространство, ученые утверждают, что заканчиваются границы оболочки в экзосфере (примерная высота – 500-1000 км). В авиации и космонавтике имеются свои представления о том, где заканчивается атмосфера. Так, Международная авиационная федерация называет пограничной отметкой высоту в 100 км. Самолеты не поднимаются выше данного предела. А космические корабли, шаттлы, достигая высоты 122 км, переключаются на аэродинамическое управление. Поэтому NASA предлагает такую отметку в качестве границы.                

     Основные параметры атмосферы: плотность воздуха, давление, температура и состав.

С увеличением высоты плотность воздуха и атмосферное давление уменьшаются. Температура меняется также в зависимости от изменения высоты. Вертикальное строение атмосферы характеризуется различными температурными и электрическими свойствами, разным состоянием воздуха.

В зависимости от температуры в атмосфере различают следующие основные слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу (сферу рассеяния). 

Переходные области атмосферы между соседними оболочками называют соответственно тропопауза, стратопауза и т.д.        

Планетарный пограничный слой

Самый нижний шар тропосферы. Его толщина составляет 1-2 км. Состояние атмосферы в этой области и различные ее изменения напрямую зависят от земной поверхности или, как ее еще называют, подстилающей. Данный слой также разделяют на 3 дополнительных (по возрастанию): слой шероховатости; приземный; Экмана.   

Роль и значение основных газов атмосферного воздуха

КИСЛОРОД (О) жизненно необходим почти для всех обитателей планеты. Это активный газ. Он участвует в химических реакциях с другими газами атмосферы. Кислород активно поглощает лучистую энергию, особенно очень короткие волны длиной менее 2.4 мкм. Под действием солнечного ультрафиолетового излучения (X < 03 мкм), молекула кислорода распадается на атомы. Атомарный кислород, соединяясь с молекулой кислорода, образует новое вещество - трехатомный кислород или озон (Оз). Озон в основном находится на больших высотах. Там егороль для планеты исключительно благотворна. У поверхности Земли озон образуется при грозовых разрядах.

В отличие от всех других газов в атмосфере, которые не имеют ни вкуса, ни запаха, озон имеет характерный запах. В переводе с греческого языка слово «озон» означает «остро пахнущий». После грозы этот запах приятен, он воспринимается как запах свежести. В больших количествах озон является отравляющим веществом. В городах с большим количеством автомобилей, а значит и большими выбросами автомобильных газов, в безоблачную или малооблачную погоду под действием солнечных лучей образуется озон. Город окутывается желто-синим облаком, видимость ухудшается. Это фотохимический смог.

АЗОТ (N2) — нейтральный газ, он, не вступает в реакции с другими газами атмосферы, не участвует в поглощении лучистой энергии. До высот 500 км атмосфера в основном состоит из кислорода и азота. При этом, если в нижнем слое атмосферы преобладает азот, то на больших высотах кислорода больше, чем азота.

АРГОН (Аг) — нейтральный газ, в реакции не вступает, в поглощении и излучении лучистой энергии не участвует. Аналогично — ксенон, криптон и многие другие газы. Аргон — тяжелое вещество, в высоких слоях атмосферы его очень мало.

УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА (С02) в атмосфере в среднем 0,03 %. Этот газ очень необходим растениям и активно ими поглощается. Фактическое количество его в воздухе может несколько изменяться. В индустриальных районах его количество может увеличиваться до 0.05 %. В сельской местности, над лесами, полями его меньше. Над Антарктидой примерно 0,02 % углекислого газа, т. е. почти на Уз меньше среднего его количества в атмосфере. Столько же и даже меньше его над морем — 0.01 - 0.02 %, так как углекислый газ интенсивно поглощается водой.

В слое воздуха, который непосредственно примыкает к земной поверхности, количество углекислого газа испытывает и суточные колебания.

Ночью его больше, днем меньше. Объясняется это тем, что в светлое время суток углекислый газ поглощается растениями, а ночью нет. Растения планеты на протяжении года берут из атмосферы около 550 млрд. т. и возвращают в нее около 400 млрд. т. кислорода.

Углекислый газ полностью прозрачен для солнечных коротковолновых лучей, но интенсивно поглощает тепловое инфракрасное излучение Земли. С этим связана проблема парникового эффекта, по поводу которого периодически разгораются дискуссии на страницах научной печати, а, главным образом, в массмедиа.

ГЕЛИЙ (Не) — очень легкий газ. Он поступает в атмосферу из земной коры в результате радиоактивного распада тория и урана. Гелий улетучивается в космическое пространство. Скорость убывания гелия соответствует скорости поступления его из недр Земли. От высоты 600 км до 16000 км наша атмосфера состоит главным образом из гелия. Это «гелиевая корона Земли» по выражению Вернадского. Гелий не вступает в реакции с другими газами атмосферы, не участвует в лучистом теплообмене.

ВОДОРОД (Нг) еще более легкий газ. У поверхности Земли его очень мало. Он поднимается в верхние слои атмосферы. В термосфере и экзосфере атомарный водород становится доминирующим компонентом. Водород — это самая верхняя, самая дальняя оболочка нашей планеты. Выше 16000 км до верхней границы атмосферы, то есть до высот 30 - 40 тыс. км, преобладает водород. Таким образом, химический состав нашей атмосферы с высотой приближается к химическому составу Вселенной, в которой водород и гелий — наиболее распространенные элементы. В самой внешней, крайне разряженной части верхней атмосферы, происходит убегание из атмосферы водорода и гелия. Отдельные их атомы имеют для этого достаточно большие скорости.

           Водяной пар в воздухе

Процентное содержание водяного пара во влажном воздухе у земной поверхности составляет в среднем от 0,2% в полярных широтах до 2,5% у экватора, а в отдельных случаях колеблется почти от нуля до 4%. В связи с этим становится переменным и процентное соотношение других газов во влажном воздухе. Чем больше в воздухе водяного пара, тем меньшая часть его объема приходится на постоянные газы при тех же условиях давления и температуры.

Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу путем испарения с водных поверхностей, с влажной почвы и путем транспирации растений, при этом в разных местах и в разное время он поступает в различных количествах. От земной поверхности он распространяется вверх, а воздушными течениями переносится из одних мест Земли в другие.

В атмосфере может возникать состояние насыщения. В таком состоянии водяной пар содержится в воздухе в количестве, предельно возможном при данной температуре. Водяной пар при этом называют насыщающим, а воздух, содержащий его, насыщенным.

Состояние насыщения обычно достигается при понижении температуры воздуха. Когда это состояние достигнуто, то при дальнейшем понижении температуры часть водяного пара становится избыточной и конденсируется, переходит в жидкое или твердое состояние. В воздухе возникают водяные капельки и ледяные кристаллики облаков и туманов. Облака могут снова испаряться; в других случаях капельки и кристаллики облаков, укрупняясь, могут выпадать на земную поверхность в виде осадков. Вследствие всего этого содержание водяного пара в каждом участке атмосферы непрерывно меняется.

С водяным паром в воздухе и с его переходами из газообразного состояния в жидкое и твердое связаны важнейшие процессы погоды и особенности климата. Наличие водяного пара в атмосфере существенно сказывается на тепловых условиях атмосферы и земной поверхности. Водяной пар сильно поглощает длинноволновую инфракрасную радиацию, которую излучает земная поверхность. В свою очередь и сам он излучает инфракрасную радиацию, большая часть которой идет к земной поверхности. Это уменьшает ночное охлаждение земной поверхности и тем самым также нижних слоев воздуха. На испарение воды с земной поверхности затрачиваются большие количества тепла, а при конденсации водяного пара в атмосфере это тепло отдается воздуху. Облака, возникающие в результате конденсации, отражают и поглощают солнечную радиацию на ее пути к земной поверхности. Осадки, выпадающие из облаков, являются важнейшим элементом погоды и климата. Наконец, наличие водяного пара в атмосфере имеет важное значение для физиологических процессов.                         

  Аэрозоли – это собирательное название крошечных частиц, парящих в атмосфере. Они оказывают гораздо большее влияние на планету, чем вы могли бы подумать, и человеческая деятельность играет здесь свою роль. 

У самых ярких закатов, облачного неба и дней, когда все вокруг закашливаются, есть кое-то общее: все это происходит из-за аэрозолей – крошечных частиц, плавающих в воздухе. Аэрозоли могут быть крошечными капельками, частицами пыли, кусочками мелкого черного углерода и другими веществами, которые, паря в атмосфере, изменяют весь энергетический баланс планеты.

Аэрозоли оказывают огромное влияние на климат планеты. Некоторые из них, такие как черный и коричневый углерод, согревают атмосферу Земли, а другие, такие как капли сульфата, охлаждают ее. Ученые считают, что в целом весь спектр аэрозолей в конечном итоге слегка охлаждает планету. Но до сих пор не совсем ясно, сколь силен этот эффект охлаждения и насколько он прогрессирует в течение дней, лет или столетий.

         Аэрозоли влияют на климат двумя основными способами: изменяя количество тепла, которое попадает в атмосферу или выходит из нее, и влияя на то, как образуются облака.

Некоторые аэрозоли, как и многие виды пыли от измельченных камней, имеют светлый цвет и даже немного отражают свет. Когда на них падают солнечные лучи, они отражают лучи обратно из атмосферы, предотвращая попадание этого тепла на поверхность Земли. Но этот эффект может носить и негативный оттенок: извержение вулкана Пинатубо  на Филиппинах в 1991 году выбросило в высокую стратосферу такое количество мельчайших отражающих свет частиц, которое было эквивалентно площади в 1,2 квадратных мили, что впоследствии вызвало охлаждение планеты, не прекращавшееся в течение двух лет. А извержение вулкана Тамбора в 1815 году стало причиной необычайно холодной погоды в Западной Европе и Северной Америке в 1816 году, из-за чего его прозвали «Год без лета» – он был таким холодным и мрачным, что даже вдохновил Мэри Шелли на написание ее готического романа «Франкенштейн».

Но другие аэрозоли, такие как маленькие частицы черного углерода от сгоревшего угля или дерева, работают наоборот, поглощая тепло от солнца. В конечном итоге это согревает атмосферу, хотя и охлаждает поверхность Земли, тормозя лучи солнца. В целом, этот эффект, вероятно, слабее, чем охлаждение, вызываемое большинством других аэрозолей – но, вне сомнений, он тоже оказывает свое влияние, и чем больше углеродного материала накапливается в атмосфере, тем больше нагревается атмосфера.

Аэрозоли также влияют на формирование и рост облаков. Капли воды легко сливаются вокруг частиц, поэтому богатая частицами аэрозолей атмосфера способствует образованию облаков. Белые облака отражают падающие лучи солнца, предотвращая их попадание на поверхность и нагревание земли и воды, но они также поглощают  постоянно излучаемое планетой тепло, задерживая его в нижних слоях атмосферы. В зависимости от типа и местоположения облаков, они могут либо обогревать окрестности, либо охлаждать их.

Аэрозоли имеют сложный набор различных воздействий на планету, и люди напрямую повлияли на их присутствие, количество и распределение. И хотя климатические последствия сложны и непостоянны, последствия для здоровья людей очевидны: чем больше в воздухе мелких частиц, тем больше это вредит здоровью человека.

Разница между Гомосферой и Гетеросферой

Основное различие между Гомосферой и Гетеросферой состоит в том, что Гомосфера является нижней частью атмосферы, примерно до 100 км, тогда как Гетеросфера является верхней частью атмосферы.

Гомосфера и гетеросфера — это два слоя атмосферы. Они имеют разные концентрации газов в зависимости от высоты. Однако в составе газов в Гомосфере не наблюдается больших вариаций. Но, существует большая вариация в составе газов в Гетеросфере.  Таким образом, газы в Гомосфере находятся в форме однородной смеси, в то время как газы в Гетеросфере находятся в форме слоев.       

          Гомосфера — это самая нижняя часть атмосферы Земли, находящаяся между поверхностью Земли и гетеросферой. Она находится примерно на высоте 100 км от поверхности Земли. Главной особенностью гомосферы является наличие однородной смеси газов в результате турбулентного перемешивания или вихревой диффузии. Таким образом, объемный состав воздуха во всей гомосфере является однородным.                  

    Гомосфера содержит более 99% массы земной атмосферы. Гомосфера состоит из 78% азота, 21% кислорода и ничтожно малого количества других молекул, таких как аргон и диоксид углерода (углекислый газ). Хотя состав гомосферы остается неизменным, концентрация воздуха уменьшается с высотой. Гомосфера подразделяется на три слоя: тропосфера, стратосфера и  мезосфера.

Тропосфера — это самый нижний слой от поверхности земли, который находится на высоте около 11 км. Она содержит 99% от общей массы водяного пара и аэрозолей, состоящих из мельчайших частиц вещества и находящихся во взвешенном состоянии. Кроме того, поднимающийся теплый воздух в тропосфере заменяет более высокий и более холодный воздух, который смешивает газы вертикально. Следовательно, тропосфера является частью атмосферы, где происходят почти все погодные условия. Кроме того все пассажирские самолеты летают именно в тропосфере.

Стратосфера — это средний слой гомосферы, находящийся на высоте от 15 до 50 км. В этом слое температура повышается с увеличением высоты. Также озоновый слой находится в стратосфере, на высоте от 18 до 20 км. В стратосфере концентрация O3 намного выше, чем в остальной атмосфере. Таким образом, это блокирует проникновение большей части ультрафиолетового света в нижние слои атмосферы. Сверхзвуковые реактивные самолеты летают именно в этом слое гомосферы.

Мезосфера — это самый верхний слой гомосферы, простирающийся примерно от 50 до 80 км. В отличие от стратосферы, температура там уменьшается с увеличением высоты. Это связано с уменьшением поглощения солнечной радиации разреженной атмосферой и увеличением охлаждения за счет излучения CO2. Как правило, мезосфера заканчивается в мезопаузе, самой холодной части атмосферы Земли. Температура там достигает значения ниже -143 °C. В этом слое встречаются метеоры, которые представляют собой небольшие тела материи прилетевшие из космоса, попадающие в атмосферу Земли.                                              

                                   Что такое Гетеросфера 

Гетеросфера — это самый верхний слой атмосферы Земли. Она начинается на высоте около 100 км и простирается до внешних пределов атмосферы. В гетеросфере газы с увеличением высоты разделяются на слои с помощью молекулярной диффузии. Более тяжелые молекулы имеют тенденцию оставаться в нижних слоях гетеросферы, в то время как более легкие молекулы остаются в верхних слоях. Обычно азот, кислород, гелий и водород являются основными составляющими гетеросферы. Однако, в дополнение к диффузии, дневные и ночные циклы, солнечная активность, геомагнитная активность и сезонные циклы являются другими факторами, влияющими на распределение плотности в гетеросфере.

Гетеросфера подразделяется на два слоя: термосфера и экзосфера.

Термосфера — это нижний слой гетеросферы, находящийся на высоте от 80 до 460 км. Он находится прямо над мезосферой и ниже экзосферы, простираясь примерно от 90 км до 500-1000 км. В этом слое температура увеличивается с высотой в результате поглощения высокоэнергетической солнечной радиации.

Экзосфера — это верхний слой гетеросферы, где атмосфера превращается в космос. Поэтому, это тонкий, похожий на атмосферу объем, окружающий Землю или естественный спутник. Плотность этого слоя слишком мала, чтобы молекулы могли вести себя как газы при столкновении друг с другом. Тем не менее, они существуют, и имеют связь с гравитационным ядром. Кроме того, в экзосфере встречаются углекислый газ и водород.

Нижняя граница экзосферы называется экзобазой, протяженностью от 500 до 1000 км. Между тем верхняя граница экзосферы простирается до расстояния, на котором влияние давления солнечной радиации на атомарный водород превышает влияние гравитационного притяжения Земли. Как правило, это происходит на половине расстояния до Луны.

Сходство между Гомосферой и Гетеросферой

Гомосфера и гетеросфера — это два слоя атмосферы.  

Они различаются по высоте и составу газов. 

Разница между Гомосферой и Гетеросферой

Гомосфера относится к нижней части атмосферы, примерно до 97 км, в которой нет большого изменения в ее составе. Между тем, гетеросфера относится к верхней части атмосферы, и находится на высоте более 97 км, в которой ее состав значительно больше. 

Гомосфера встречается на расстоянии до 97 км от атмосферы, а гетеросфера находится на высоте более 97 км от Земли. 

Три части гомосферы это тропосфера, стратосфера и мезосфера, тогда как две части гетеросферы являются термосферой и экзосферой. 

Нет большего изменения в составе газов в гомосфере, но есть большее изменение в составе газов в гетеросфере.  В гомосфере в зависимости от высоты в состав газов сильно не меняется, тогда как состав газов в гетеросфере сильно меняется.

Гомосфера содержит более высокую концентрацию тяжелых газов, таких как азот и кислород, тогда как гетеросфера содержит более высокую концентрацию легких газов, таких как водород и гелий.

Газы в гомосфере встречаются в форме однородной смеси, а газы в гетеросфере встречаются в виде слоев. 

Ветер сильно смешивает газы в гомосфере, в то время как ветер не оказывает сильного влияние на смешивание газов в гетеросфере. 

Газы в гомосфере имеют более высокую реакционную способность, но, напротив, газы в гетеросфере показывают более низкую реакционную способность.

Заключение — Гомосфера против Гетеросферы

Гомосфера — это один из двух слоев атмосферы, находящийся на расстоянии до 97 км от поверхности Земли. Она содержит однородную смесь газов из-за постоянного перемешивания ветром. Также она содержит в основном тяжелые газы, такие как кислород и азот. Благодаря высокому перемешиванию она показывает более высокую реакционную способность между газами. Напротив, Гетеросфера — это второй слой атмосферы, находящийся над Гомосферой. Она содержит более легкие газы в виде слоев. Таким образом, он показывает более низкую реакционную способность между его газами. В итоге, основным отличием между Гомосферой и Гетеросферой является их высота и состав газов.

Атмосфера имеет слоистое строение по высоте и неоднородное по горизонтали. По вертикали выделяют пять основных слоев: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. Переходные слои от одной сферы к другой соответственно называются тропопаузой, стратопаузой, мезопаузой и термопаузой. Эти паузы называются по нижнему слою и являются задерживающими. Над экзосферой паузы нет, так как она постепенно переходит в космическое пространство.          

              Ионосфера – это самый верхний слой атмосферы, расположенный выше 50 километров. Он назван так из-за большого количества ионов, образующихся вследствие воздействия солнечной радиации. Именно они задерживают большую часть космического излучения.                         

               Этот слой атмосферы состоит из смеси газов. Их там очень мало, поэтому говорят об очень разряженном воздухе на такой высоте. Именно поэтому полеты в этом месте невозможны. Больше всего ионосфера Земли содержит нейтральных атомов азота и кислорода. Но основной ее состав – это квазинейтральная плазма, в которой количество положительно заряженных частиц примерно равно количеству отрицательно заряженных. Таких ионов становится все больше с удалением от Земли. Поэтому ионосферу еще иногда называют плазменной оболочкой Земли. Основной состав ионосферы от 50 до 100 километров выше поверхности Земли - это кислород, азот и натрий. Но после 100 км в ней начинают преобладать водород и гелий.                  

         Этот слой атмосферы был обнаружен в начале 20 века учеными Е. Эпплтоном, М. Барнетом, Г. Брейтом и М. Тьювом. Они установили, что на высоте после 50 километров существует слой газов, отражающих радиоволны. За ним начали наблюдать. Было установлено, что ионосфера постоянно разная. Даже в течение дня ее состав и другие характеристики меняются. Разное количество газов также в завсимости от высоты. Поэтому ионосферу поделили на три слоя.

Но полное представление об особенностях этой части атмосферы человечество смогло получить только во второй половине 20 веке. Изучали ее с наземных ионосферных станций. Потом начали исследовать ее изнутри. Сначала ракеты, потом спутники поднялись в верхние слои атмосферы. И люди смогли понять, что такое ионосфера. Состав ее был изучен благодаря применению с ракет масс-спектрометра.

 Это также позволило измерить другие параметры: температуру; концентрацию ионов; электропроводность; источники ионизации; особенности жесткого солнечного излучения.

 Исследуют ионосферу также с помощью радиометодов - изучения отраженных радиоволн. А в последнее время стали применяться спутники, на борту которых есть станции и зонды, исследующие ионосферу сверху. Это позволило составить представление о ее самом верхнем слое, недоступном для изучения с Земли.          

  Происхождение атмосферы. Происхождение и эволюция атмосферы

Состав атмосферы не всегда был таким, как сейчас. Предполагают, что первичная атмосфера состояла из водорода и гелия, которые были самыми распространенными газами в Космосе и входили в состав протопланетного газово-пылевого облака.

Результаты исследований М.И. Будыко с количественными оценками изменения массы кислорода и углекислого газа на протяжении жизни Земли дают основание считать, что историю вторичной атмосферы можно разделить на два этапа: бескислородной атмосферы и кислородной атмосферы – на рубеже примерно 2 млрд. лет тому назад.

Первый этап начался после завершения образования планеты, когда началось разделение первичного земного вещества на тяжелые (преимущественно железо) и относительно легкие (в основном кремний) элементы. Первые образовали земное ядро, вторые – мантию. Эта реакция сопровождалась выделением тепла, в результате чего стала происходить дегазация мантии – из нее стали выделяться различные газы. Сила тяготения Земли оказалась способной удержать их возле планеты, где они стали скапливаться и образовали атмосферу Земли. Состав этой начальной атмосферы существенно отличался от современного состава воздуха (табл. 1)

Таблица 1

Состав воздуха при образовании атмосферы Земли в сравнении с современным составом атмосферы (по в.А. Вронскому г.В. Войткевичу)

Кроме этих газов в атмосфере присутствовали метан, аммиак, водород и др.

Характерной чертой этого этапа было убывание углекислого газа и накопление азота, который к концу эпохи бескислородной атмосферы стал основным компонентом воздуха. Согласно исследованиям В.И. Бгатова тогда же появился в качестве примеси и эндогенный кислород, возникший при дегазации базальтовых лав. Кислород возникал и в результате диссоциации молекул воды в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетовых лучей. Однако весь кислород уходил на окисление минералов земной коры, и его не хватало на накопление в атмосфере.

Более 2 млрд. лет назад появились фотосинтезирующие сине-зеленые водоросли, которые для синтеза органического вещества стали использовать световую энергию Солнца. В реакции фотосинтеза использовался углекислый газ, а выделяется свободный кислород. Вначале он расходовался на окисление железосодержащих элементов литосферы, но около 2 млрд. лет назад этот процесс завершился, и свободный кислород начал накапливаться в атмосфере. Начался второй этап развития атмосферы – кислородный.

Сначала рост содержания кислорода в атмосфере был медленным: около 1 млрд. лет назад оно достигло 1% от современного (точка Пастера), но этого оказалось достаточным для появления вторичных гетеротрофных организмов (животных), потребляющих кислород для дыхания. С появлением растительного покрова на континентах во второй половине палеозоя прирост кислорода в атмосфере составляло около 10 % от современного, а уже в карбоне кислорода было столько же, сколько и сейчас. Фотосинтетический кислород вызвал большие изменения и в атмосфере, и в живых организмах планеты. Содержание углекислого газа в процессе эволюции атмосферы существенно снизилось, так как значительная его часть вошла в состав углей и карбонатов.

На водород и гелий, широко распространенный во Вселенной, в атмосфере Земли приходится соответственно 0,00005 и 0,0005%. Земная атмосфера, т.о., является геохимической аномалией в космосе. Ее исключительный состав формировался параллельно с развитием Земли в специфических, присущих только ей космических условиях: гравитационное поле, удерживающее большую массу воздуха, магнитное поле, предохраняющее ее от солнечного ветра, и вращение планеты, обеспечивающее благоприятный тепловой режим. Формирование атмосферы шло параллельно с формированием гидросферы и рассмотрено выше.

Первичная гелиево-водородная атмосфера была утеряна при разогреве планеты. В начале геологической истории Земли, когда происходили интенсивные вулканические и горообразовательные процессы, атмосфера была насыщена аммиаком, водяными парами и углекислым газом. Эта оболочка имела температуру около 100°С. При понижении температуры произошло разделение на гидросферу и атмосферу. В этой вторичной углекислой атмосфере зародилась жизнь. С прогрессивным развитием живого вещества развивалась и атмосфера. Когда биосфера достигла стадии зеленых растений, и они вышли из воды на сушу, начался процесс фотосинтеза, что привело к формированию современной кислородной атмосферы.

Взаимодействие атмосферы с другими оболочками.

 Атмосфера развивается со всей природой земной поверхности – с ГО. Растения и животные используют атмосферу для фотосинтеза и дыхания. Магнитосфера, ионосфера и озоновый экран изолируют биосферу от космоса. Верхняя граница ГО – биосферы лежит на высотах в 20-25 км. Атмосферные газы вверху покидают Землю, а недра Земли пополняют воздушную оболочку, поставляя до 1 млн. т. газов в год. Атмосфера задерживает инфракрасное излучение Земли, создавая благоприятный тепловой режим. В атмосфере переносится влага, образуются облака и осадки – формируются погодно-климатические условия. Она предохраняет Землю от падающих на нее метеоритов.

Охрана воздуха от загрязнения в России и мире.

Охрана воздуха от загрязнения в наши дни стала одной из первоочередных задач общества. Ведь если без воды человек может прожить несколько суток, без еды - несколько недель, то без воздуха не обойтись и нескольких минут. Ведь дыхание - это процесс непрерывный. Мы живем на дне пятого, воздушного, океана планеты, как часто называют атмосферу. Если бы ее не было, жизнь на Земле не смогла бы зародиться.

       Последствия изменения состава воздуха

Загрязнение воздуха опасно еще и тем, что у людей появляются разнообразные аллергические реакции. По мнению медиков, аллергия чаще всего вызвана тем, что иммунная система человека не может распознать синтетические химические вещества, созданные не природой, а человеком. Поэтому охрана чистоты воздуха играет немаловажную роль в предупреждении аллергических заболеваний человека.

Каждый год появляется огромное количество новых химических веществ. Они меняют состав атмосферы в больших городах, где в результате растет число людей, страдающих от болезней органов дыхания. Никого не удивляет, что над промышленными центрами почти постоянно висит ядовитое облако смога. Но даже покрытая льдами и абсолютно не заселенная Антарктида не осталась в стороне от процесса загрязнения. И не удивительно, ведь атмосфера - самая подвижная из всех оболочек Земли. А движение воздуха не могут остановить ни границы между государствами, ни горные системы, ни океаны.

Источники загрязнения

Теплоэлектростанции, металлургические и химические заводы являются главными загрязнителями воздуха. Дым из труб таких предприятий разносится ветром на огромные расстояния, приводя к распространению вредных веществ на десятки километров от источника.

Для крупных городов характерны автомобильные пробки, в которых простаивают тысячи машин с работающими двигателями. Выхлопные газы содержат угарный газ, окиси азота, продукты неполного сгорания топлива и взвешенные частицы. Каждое из них по-своему опасно для здоровья. Угарный газ мешает снабжению организма кислородом, вызывает обострение заболеваний сердца и сосудов. Твердые частицы проникают в легкие и оседают в них, становясь причиной астмы, аллергических заболеваний. Углеводороды и окись азота являются источником разрушения озонового слоя и вызывают фотохимический смог в городах.

В России основным нормативно-правовым актом в этой области является Федеральный закон "Об охране атмосферного воздуха". Им установлены нормативы качества воздуха (гигиенические и санитарные) и нормативы вредных выбросов. Законом требуется государственная регистрация загрязняющих и опасных веществ и необходимость специального разрешения на их выброс. Производство и использование топлива возможно лишь при сертификации топлива на атмосферную безопасность.

Если же степень опасности для человека и природы не установлена, выброс таких веществ в атмосферу запрещен. Запрещается деятельность хозяйственных объектов, не имеющих установки для очистки выбрасываемых газов и систем контроля. Транспортные средства с превышением концентрации опасных веществ в выбросах запрещено использовать. Закон об охране атмосферного воздуха также устанавливает обязанности граждан и предприятий. За выброс вредных веществ в атмосферу в объемах, превышающих существующие нормативы, они несут юридическую и материальную ответственность. При этом выплата наложенных штрафов не освобождает от обязанности установить системы очистки газообразных отходов.

Мероприятия по охране атмосферного воздуха

Защита атмосферы и снижение влияния деятельности человека на нее возможны лишь при условии организации и проведении мероприятий следующего типа:

·  Законодательные.

·  Технологические.

·  Санитарно-технические.

·  Планировочные.

Рассмотрим каждое из мероприятий по охране атмосферного воздуха более подробно.

Законодательные

Рассматриваемая группа мероприятий ставит своей целью урегулирование общественных отношений, а также поддержание правового порядка и оптимизацию способов защиты атмосферы. Конечная задача – обеспечение чистоты воздушной среды (охрана атмосферы).

При реализации мероприятий по охране атмосферного воздуха используются следующие федеральные законы:

·  «Об охране атмосферного воздуха», предписывающего меры по предупреждению и ликвидации выбросов.

·  «Об охране окружающей среды», устанавливающего права граждан на проживание в чистой природной среде.

·  «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения».

Последний закон затрагивает ряд вопросов, относящихся к правам и обязанностям представителей правительственных служб. Он также касается граждан и юридических лиц в части соблюдения производственных технологий. Нарушение законодательных мер влечет за собой административную и дисциплинарную ответственность.

Технологические

Мероприятия технологического характера направлены на понижение концентрации опасных веществ, попадающих в воздух при решении производственных задач. Один из вариантов снятия проблемы – перевод производств на функционирование по схемам с замкнутым циклом. При этом часть образующихся вредных газов утилизируется в специальных камерах.

Технологические мероприятия по охране атмосферного воздуха предполагают:

·  применение в производственных процессах более безвредных материалов;

·  очистка топлива и сырья от вредных примесей;

·  обеспечение герметичности оборудования, исключающее попадание в атмосферу опасных веществ;

·  переход на отопление природным газом (замещающим уголь или мазут).

Добавим к этому использование эффекта рекуперации, предполагающей повторное использование отработанных газов в процессе производства и поиск альтернативных (бездымных) видов топлива.

Санитарно-технические

Реализация мероприятий по санитарной охране атмосферного воздуха предполагает:

·         Строительство дымовых труб повышенной проектной высоты.

·         Использование в производстве особых очистных агрегатов.

·         Соблюдение санитарных норм.

·         Участие в федеральных программах по оздоровлению озонового слоя.

·         Усиление надзора за состоянием особо опасных объектов.

К мероприятиям этого класса относится изучение влияния вредных выбросов на здоровье людей, а также преобразование их в безопасный вид.

Методы изучения атмосферы.

1. Натурные наблюдения (основной метод). Они производятся:

- на опорных гидрометеостанциях (ГМС), которых насчитывается около 10 тыс., и временных, к которым относятся и станции на судах, находящихся в море.

-в экспедициях, которые проводят комплексные исследования атмосферы и океана с научно-исследовательских судов и на полярных станциях;

- с искусственных спутников Земли (ИСЗ).

2. Эксперимент. К числу метеорологических экспериментов относятся опыты осаждения облаков и рассеяние туманов путем различных физико-химических воздействий на них. Такие опыты предусматривают практические цели, но они позволяют также глубже разобраться в природе явления Насаждение лесных полос, создание водохранилищ, сооружение плотин в морских проливах, орошение местности и т.п. вносят некоторые изменения в состояние приземного слоя воздуха, тем самым и они в которой степени являются средствами метеорологического эксперимента.

3. Синоптический метод. На карту условными значками наносятся результаты натурных наблюдений опорной сети ГУС за один и тот же срок. Такая карта называется синоптической. Она позволяет видеть, как распределились условия погоды и каковы были свойства атмосферы и характер атмосферных процессов в этот момент над большой территорией. Составляя синоптические карты для последовательных сроков наблюдений можно проследить развитие атмосферных процессов во времени и пространстве и делать выводы о будущей погоде. В основу этого метода положено учение о погодообразующих системах атмосферы: воздушных массах, атмосферных фронтах, циклонах, антициклонах.

4. Теоретический метод. На основе законов физики составляются системы дифференциальных уравнений, описывавших атмосферные процессы. Подставляя в эти уравнения исходные натурные данные, полученные из наблюдений, решив систему уравнений, можно найти количественные значения атмосферных параметров на будущее, т.е. спрогнозировать их значение.

5. Климатология. Оперирует многолетними данными, например: средняя температура, среднее количество осадков, дни с туманами и т.п. Если нанести на карты результаты статистической обработки многолетних наблюдений, то получим климатологические карты. Климатологические карты облегчают дальнейший анализ фактов, позволяют делать выводы о пространственном распределении особенностей или типов климата. Главное их назначение – выбор наиболее выгодных морских путей и сроков промысла.

  Изучение Земли из космоса.

Искусственные спутники Земли и космические ракеты открыли самые широкие возможности для изучения верхней атмосферы и космического пространства путем постановки прямых экспериментов и проведения непосредственных измерений на больших высотах. Отличительной особенностью искусственных спутников как средства научного исследования является возможность длительного изучения ряда физических явлений над всеми районами земного шара. С помощью космических ракет удается осуществить изучение процессов, происходящих как в окрестности Земли, так и вне Земли, т. е. в космическом пространстве, где влияние земного магнитного поля практически равно нулю. Последнее имеет существенное значение, так как структура околоземного пространства во многом связана с наличием геомагнитного поля. Вне магнитного поля Земли мы можем изучать космическое пространство и процессы, происходящие в нем в "чистом" виде, без его искажающих влияний.

Кто изучает атмосферу? Для составления прогноза погоды необходимо использовать информацию, собранную с нескольких точек всей планеты одновременно. Изучается температура воздуха, атмосферное давление, а также скорость и сила ветра. Наука, изучающая атмосферу, называется метеорологией. Она рассматривает строение и все протекающие в атмосфере процессы. По всей Земле расположены специальные метеорологические центры. Нередко информация об атмосфере, метеорологии и метеорологах нужна и школьникам. Чаще всего этот вопрос им приходится исследовать в 6 классе. Как изучают атмосферу, и какие специалисты занимаются сбором и обработкой данных об изменениях в ней? Атмосферу изучают метеорологи, климатологи и аэрологи. Представители последней профессии занимаются изучением различных показателей атмосферы. Морские метеорологи – это специалисты, которые наблюдают за поведением воздушных масс над Мировым океаном. Ученые, изучающие атмосферу, обеспечивают информацией об атмосфере морской транспорт. Эти данные нужны и сельскохозяйственным предприятиям. Также существует такая отрасль науки об атмосфер, как радиометеорология. А в последние десятилетия получило развитие еще одно направление – спутниковая метеорология.