Атмосфера. Атмосфера є зовнішньою газовою оболонкою Землі, що сягає від її поверхні в космічний простір приблизно на 3000 км

Атмосфера є зовнішньою газовою оболонкою Землі, що сягає від її поверхні в космічний простір приблизно на 3000 км. Історія виникнення та розвитку атмосфери досить складна й тривала, вона налічує близько 3 млрд. років. За цей період склад і властивості атмосфери неодноразово, змінювалися, але протягом останніх 50 млн. років, як вва­жають вчені, вони стабілізувалися.

Маса сучасної атмосфери становить приблизно одну мільйонну частину маси Землі. З висотою різко зменшують­ся щільність і тиск атмосфери, а температура змінюється нерівномірно й складно. Зміна температури в межах ат­мосфери на різних висотах пояснюється неоднаковим по­глинанням сонячної енергії газами. Найінтенсивніше тепло­ві процеси відбуваються у тропосфері, причому атмосфера нагрівається знизу, від поверхні океану та суші.

Атмосфера має дуже велике еколо­гічне значення. Вона захищає всі живі організми Землі від згубного впливу космічних випромінювань і ударів метео­ритів, регулює сезонні температурні коливання, врівнова­жує й вирівнює добові. Якби атмосфери не існувало, то коливання добової температури на Землі досягло б ±200 °С. Атмосфера є не лише життєдайним «буфером» між Космосом і поверхнею нашої планети, носієм тепла та вологи, через неї відбуваються також фотосинтез і обмін енергії — головні процеси біосфери. Атмосфера впливає на характер і динаміку всіх екзогенних процесів, що відбуваються в лі­тосфері (фізичне та хімічне звітрювання, діяльність вітру, природних вод, мерзлоти, льодовиків). Повітряна оболонка Землі, атмосфера, є однією з най­головніших умов життя. Без їжі людина може жити місяць, без води — тиждень, без повітря не може прожити й двох хвилин. Маса атмосфери колосальна — 5,15-10¹⁵ т. Проте атмосферне повітря можна вважати невичерпним природ­ним ресурсом лише умовно, адже людині для життя потріб­не повітря певної якості. А під впливом антропогенного фактора його хімічний склад і фізичні властивості дедалі погіршуються, на Землі вже практично не залишилося та­ких ділянок, де повітря зберігало б свою первісну чистоту та якість.

Розвиток гідросфери також значною мірою залежав від атмосфери через те, що водний баланс і режим поверхневих і підземних басейнів і акваторій формувалися під впливом режиму опадів і випаровування. Процеси гідросфери і ат­мосфери тісно пов'язані між собою.

Однією з найголовніших складових атмосфери є водя­на пара, яка має велику просторово-часову мінливість і зо­середжена переважно в тропосфері.

Важливою змінною складовою атмосфери є також вуг­лекислий газ, мінливість вмісту якого пов'язана з життє­діяльністю рослин, його розчинністю в морській воді та ді­яльністю людини (промислові й транспортні викиди).

Останнім часом дедалі більшу роль у атмосфері відігра­ють аерозольні пилуваті частки — продукти людської ді­яльності, які можна виявити не лише в тропосфері, але й на великих висотах (щоправда, в мізерних концентраціях). Фізичні процеси, що відбуваються в тропосфері, дуже впли­вають на кліматичні умови різних районів Землі.

Атмосфера складається з таких шарів:

Тропосфера (грец. «троп» — зміна) — це нижня частина атмосфери, яка прилягає до літосфери і в якій знаходиться понад 80 % усієї маси, її висота визначається інтенсивністю вертикальних потоків повітря, викли­каних нагріванням земної поверхні. Тому на екваторі її висота сягає 16-18 км, у помірних широтах —до 10—11 км, а на полюсах —до 8 км. З ви­сотою температура повітря закономірно знижується в середньому на 0,6 °С на кожні 100 м і на висоті 10-15 км досягає -60...-70 °С. Цей шар атмо­сфери істотно впливав на клімат Землі. У ньому містяться значні маси води (у вигляді водяної пари і хмар), пилу й диму, що перемішуються повітря­ними потоками на великі відстані.

(Стратосфера (лат. Stratum--шар) знаходиться вище від тропосфери і простягається на висоту 50 - 55 км над Землею. У ній міститься озоновий шар (25 - 40 км). Вміст озону в атмосфері є до 70 км. Завдяки наявності озонового шару темпера в стратосфері зростає залежно від висоти до 1000 °С.

Мезосфера (грец. «мезос» - середній) шар атмосфери, верхня межа якого сягає висоти 80 км. Головна її особливість зниження температу­ри до 75.- 90 °С (а за деякими даними -120 °С) у її верхній часини. Тут утворюються сріблясті хмари, що складаються з кристаликів льоду.

Іоносфера (термосфера: грец. «термес» —теплий) розмішується на ви­соті більш як 80 км. Температура в цій зоні значно підвищується (понад 1000 °С). Під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця гази пере­бувають у іонізованому стані. З іонізацією пов'язане світіння газів і ви­никнення полярного сяйва. Іоносфера має здатність багаторазово відби­вати радіохвилі (електромагнітні хвилі), що забезпечує дальній радіозв'я­зок на Землі.

Екзосфера (магнітосфера) оточує Землю на висоті понад 800 км. її товщина сягає 200—300 км, а температура перевищує 2000 °С. Далі атмосфера поступово переходить у міжпланетний космічний вакуум. Швидкість руху газів наближається до критичної величини — 11.2 км/с. У ній пере­важно містяться атомарний водень і гелій, які утворюють навколо Землі корону, що поширюється на висоту 20 тис. км.

Атмосфера, яка є нині на Землі, не завжди мала такий склад. Первісна атмосфера Землі, як свідчать геологічні ві­домості, кардинально відрізнялася від теперішньої. Вона була схожа на атмосфери деяких інших планет Сонячної системи, наприклад Венери, й складалася майже повністю з вуглекислого газу з домішками метану, аміаку тощо. Ни­нішня киснево-азотна атмосфера Землі є продуктом біо­сфери. Життя, що існує на нашій планеті, за мільйони років переробило первісну атмосферу.

Сучасна атмосфера складається з таких основних ком­понентів, %: азот (78,084), кисень (20,946), аргон (0,934) вуглекислий газ (0,027), малі домішки — водень, неон, ге­лій, метан, криптон тощо (в сумі близько 0,009). Крім того, в атмосфері є пари води, вміст яких коливається від 0,2 (в полярних широтах) до 3 % (поблизу екватора), а також аерозолі, тобто завислі в повітрі надзвичайно дрібні твер­ді й рідкі частки різних речовин, вміст яких сильно змінюється.

Атмосфера Землі складається з таких шарів (знизу вго­ру): тропосфера (до висоти 18 км), стратосфера (до 50), мезосфера (до 80), термосфера (1 000), екзосфера (1 900), геокорона (20 000 км). Останній шар атмосфери, геокорона, поступово переходить у міжпланетний вакуум. Основна ма­са повітря (90 %) зосереджена в нижньому шарі, тропосфе­рі. Надзвичайно велике значення для біосфери має ще озоносфера— шар атмосфери (стратосфери), збагачений озо­ном. Озоновий шар міститься на висотах 20—50 км і є щи­том, що захищає все живе на Землі від згубної дії жорсто­кого ультрафіолетового випромінювання Сонця.

Основні складові частини атмосфери — азот, кисень і вуглекислий газ — відіграють дуже важливу роль в біо­сфері. За мільйони років існування біосфери склалися пев­ні кругообіги цих газів. Так, цикл кругообігу азоту стано­вить кілька тисяч років, а вуглекислого газу — всього чоти­ри роки. За ці відрізки часу згадані гази зазнають перетво­рень, надходячи в тканини рослин і тварин, до складу різних мінералів, щоб потім знову повернутися в атмосферу.

Азот — основна складова частина атмосфери. Його ма­са становить 3,7-10¹⁵ т. Азот є обов'язковим компонентом білків, де його міститься 15—19 %. Проте основна маса ат­мосферного азоту знаходиться в малоактивній молекуляр­ній формі. Деякі організми, щоправда, навчилися зв'язува­ти в хімічні сполуки й малоактивний азот. Це азотфіксуючі бактерії, що живуть у особливих бульбочках на коренях бобових рослин. У основному ж рослини споживають спо­луки азоту, переважно нітрати й сполуки амонію. Вони ут­ворюються з оксидів азоту, що виникають у атмосфері за рахунок грозових розрядів і дії ультрафіолетового випро­мінювання Сонця. Деяка кількість сполук азоту надходить у атмосферу також у складі вулканічних газів. Антропоген­на діяльність призводить до значних змін у балансі сполук азоту. Велика кількість оксидів азоту викидається в атмос­феру внаслідок роботи автомобільних і авіаційних двигу­нів, електрозварювання тощо. Дуже багато цих сполук ут­ворювалося під час ядерних вибухів у атмосфері. Оксиди азоту дуже шкідливі, їх наявність у вихлопних газах зумов­лює утворення фотохімічного смогу в містах, кислотні дощі, руйнування захисного озонового шару атмосфери тощо.

Кисень — активний окислювач, що бере участь у хі­мічних реакціях у біосфері, гідросфері та літосфері. Його маса в атмосфері становить 1,5-10¹⁵ т. Основне джерела кисню, яким ми дихаємо й яким, сподіваємося, дихатимуть наші нащадки, це — фотосинтез зелених рослин. У клітинах рослин, де є активна сполука — хлорофіл, за допомогою» сонячної енергії з води й вуглекислого газу виробляється органічна речовина, а побічним продуктом цієї реакції е вільний кисень, що виділяється в атмосферу. Підраховано, що близько 80 % усього кисню в атмосферу постачає морський фітопланктон — мікроскопічні водорості, що жи­вуть у верхніх шарах океану, 20 % кисню виробляє назем­на рослинність, переважно тропічні ліси.

Людина дуже необдумано поводиться з цим неоціненним багатством природи, яким є кисень. Лише один сучасний пасажирський реактивний літак протягом восьми годин по­льоту з Європи в Америку поглинає від 50 до 75 т кисню, викидаючи в атмосферу десятки тонн вуглекислого газу й різних шкідливих сполук. А все людство щорічно витрачає таку кількість кисню, якої вистачило б на дихання 50 млрд. людей! Вже сьогодні промисловість США, ФРН, Японії споживає кисню набагато більше, ніж його є на їх власних територіях, тобто живуть за рахунок інших країн. Якщо до середини XIX ст. вміст кисню в атмосфері зали­шався постійним, бо його утворення дорівнювало витратам, то нині така рівновага порушена за рахунок його зростаю­чого поглинання антропогенним фактором. Людство ство­рило величезну кількість споживачів кисню й жодного йо­го виробника. Дедалі частіше вчені замислюються: чи до­статні резерви кисню в природі, чи надовго їх вистачить? На спалювання палива щорічно витрачається 23 % кисню, що надходить у атмосферу за рахунок фотосинтезу. Якщо до­дати, що діяльність людини призводить до зникнення лісів, пригнічення активності морського фітопланктону, можна зробити невтішний висновок щодо майбутнього стану кис­невого балансу в атмосфері. Вчені твердять, що за рахунок діяльності людини загальна кількість кисню в атмосфері щорічно зменшується на 10 млрд. т.

Вуглекислий газ — активна складова атмосфери, яка є обов'язковим компонентом фотосинтезу рослин. Цей газ утворюється під час спалювання органічних речовин, гниття, виділяється з вулканічними газами. Діяльність лю­дини (знищення лісів, розорювання цілинних земель, урба­нізація, а головне, спалювання мінерального палива й за­бруднення океанів) призводить до збільшення кількості СО₂ в атмосфері. За останні 120 років вміст цього газу в повіт­рі збільшився на 17 % (у середньому на 0,14 % за рік). За останнє десятиріччя це зростання вже становило 0,36 % за рік. Щоправда, більша частина СО₂, а саме 70 %, поглина­ється океанами й біосферою і лише ЗО % залишається в ат­мосфері. Деякі вчені, наприклад М. Будико, прогнозують подвоєння вмісту вуглекислого газу в атмосфері до середи­ни XXI ст., що викличе значне (приблизно на 2,5 %) підви­щення середньорічної температури за рахунок парникового ефекту.