Атмосфера — наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом.

Современная земная атмосфера представляет собой многокомпонентную воздушную оболочку Земли с массой менее 10 -6 от массы Земли[2].

Основной группой компонентов атмосферы является механическая смесь газов в атомарном, молекулярном или кластерном состояниях. Атмосферные газы в условиях земной атмосферы находятся как в нейтральном, так и в ионизированном состоянии. Современная атмосфера является азотно-кислородной, так как объемное содержание нейтральных молекул азота N₂ (78%) и кислорода О₂ (21%) в нижних слоях атмосферы является подавляющим. Тем не менее функциональная роль многих других атмосферных газов остается столь большой, что их также относят к числу основных газов. В это число входят водяной пар, углекислый газ СО₂, озон О₃. Другие атмосферные газы естественного и индустриального происхождения принято называть малыми газовыми примесями.

Второй важной группой компонентов атмосферы являются атмосферные аэрозоли — взвешенные в воздухе частицы твердого тела или капель жидкости природного и антропогенного происхождения. Аэрозоль с жидкими (туманы, облака) и твердыми частицами (пыль, дымы, смоги) постоянно присутствует в атмосфере, но варьирует в широких пределах по размерам (от кластеров до дождевых капель) и по концентрации. Эти вариации вызываются процессами аэрозолеобразования и трансформации аэрозоля как естественного, так и индустриального происхождения.

Третью важную группу атмосферных компонентов составляют физические поля, постоянно присутствующие в атмосфере и определяющие многие свойства и структуру земной атмосферы. По заметному влиянию на атмосферные процессы, а через них или непосредственно на условия жизни и хозяйственную деятельность человека на планете, можно выделить:

— электростатическое поле, магнитное поле Земли,

— космические лучи как особый сверхкороткий диапазон электромагнитных волн.

Все компоненты земной атмосферы имеют неоднородное распределение вдоль земной поверхности и по высоте. Более того, изменяются основные физические параметры этих компонентов, неоднородность которых по высоте выражена более четко, чем по горизонтали.

Вертикальная протяженность атмосферы по некоторым физическим компонентам доходит до 60-70 тыс. км без четкой верхней границы. Атмосфера постепенно переходит в межпланетную среду, но ее определяющая масса сосредоточена в тонком слое, прилегающем к земной поверхности. Примерно 50 % всей массы атмосферы содержится в слое до высоты 5 км, 75 % — до высоты 10, 90 % — до 16, 99% — до 30 км. Убывание массы атмосферы с ростом высоты близко к экспоненциальной зависимости. В сотни раз быстрее по вертикали, чем по горизонтали изменяются и многие другие физические параметры. Поэтому при рассмотрении вопросов о строении атмосферы на первое место выступает неоднородность ее свойств по вертикали. атмосфера воздух антропогенный загрязнение

Из многих признаков, на основе которых атмосферу делят на слои (сферы), наиболее употребительным является изменение температуры воздуха в зависимости от высоты.

Тропосфера — нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9-17 км). В нем сосредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар. Характеризуется падением температуры в среднем 6,5°С на 1 км при возможных отклонениях до 3°С на 1 км в ту и другую сторону. Именно в тропосфере образуются туманы и все наиболее важные виды облаков, формируются осадки, грозовая деятельность. В полярных и умеренных широтах высота тропосферы достигает 8-12 км, а в тропиках 16-18 км.

Стратосфера — следующий над тропосферой слой атмосферы, в нижней части которого температура остается постоянной и равной примерно минус 56°С (до высоты около 20 км), а затем увеличивается с возрастающим (?2,8° С/км) градиентом до одинаковой и равной минус 2,5° С для всех широт. Рост температуру в верхних слоях стратосферы обусловлен поглощением ультрафиолетового излучения озоном.

Мезосфера — следующий над стратосферой слой атмосферы, в котором температура понижается с градиентом около 3,5 °С/км и на высоте 80-95 км составляет в среднем 88 °С. В этом слое атмосферы, как и в более низких, еще доминируют процессы турбулентного перемешивания и за счет этого отсутствуют гравитационное разделение легких и тяжелых газов.

Термосфера — слой атмосферы над мезосферой. Температура здесь растет за счет поглощения коротковолнового ультрафиолетового солнечного излучения кислородом, который при этом диссоциирует. Особую роль здесь начинает играть молекулярная диффузия газов в поле тяготения и как результат — значительное изменение с ростом высоты соотношения легких и тяжелых газов. Заметное влияние на термосферу в высоких широтах оказывает и диссипация электромагнитной энергии, связанная со взаимодействием солнечного ветра (потоком плазмы от Солнца) и магнитного поля Земли.

Экзосфера — самый верхний и разряженный слой атмосферы. Плотность газов в этом слое столь мала, что становится возможным «убегание» из атмосферы наиболее легких газов (водорода и гелия), отдельные молекулы которых имеют для этого достаточные скорости в соответствии с распределением Максвелла. Часто с точки зрения особенностей газового состава экзосфера рассматривается как верхняя часть атмосферы. При таком подходе нижняя часть атмосферы, в которой происходит полное турбулентное перемешивание азов и доля основных (О₂ и N₂) не меняется с ростом высоты, называется гомосферой. Средняя часть атмосферы, в которой происходит диффузионное разделение газов в поле тяготения и с увеличением высоты начинают доминировать более легкие газы (сначала атомарный кислород, затем гелий и водород), называется гетеросферой.

Еще одни важным признаком, по которому в атмосфере выделяются слои, являются заряженные компоненты. Последние по разным причинам присутствуют на всех высотах, обуславливая электропроводимость атмосферы, грозовые и другие явления атмосферного электричества. Но в верхних слоях атмосферы выделяются несколько слоев повышенной концентрации заряженных частиц (которые принято называть ионосферой).

Главные атмосферные процессы, как внутренние, так и по взаимодействию с внешними факторами, являются признаками, положенными в основу часто употребляемого в литературе деления атмосферы по высоте на нижнюю (тропосферу и стратосферу), среднюю и верхнюю. Наконец, область околоземного пространства, которая под действием магнитного поля Земли обтекается солнечным ветром и имеет несферическую форму, часто рассматривается как продолжение атмосферы и называется магнитосферой Земли.

2. Влияние атмосферы на развитие и образование биосферы

Современный газовый состав атмосферы — результат длительного исторического развития земного шара.

Наибольшее значение для различных экосистем имеют три газа, входящие в состав атмосферы: кислород, углекислый газ и азот. Эти газы участвуют в основных биогеохимических круговоротах[4].

Кислород играет важнейшую роль в жизни большинства живых организмов на нашей планете. Он необходим всем для дыхания. Кислород не всегда входил в состав земной атмосферы. Он появился в результате жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов (автотрофов). Под действием ультрафиолетовых лучей кислород превращался в озон. По мере накопления озона происходило образование озонового слоя в верхних слоях атмосферы. Озоновый слой в атмосфере, как экран, надежно защищает поверхность Земли от ультрафиолетовой радиации, гибельной для живых организмов.

Круговорот кислорода в биосфере необычайно сложен, так как с ним вступает в реакцию очень много органических и неорганических веществ, в том числе водород, соединяясь с которым кислород образует воду.

Углекислый газ (диоксид углерода) участвует в процессе фотосинтеза при образовании органических веществ. Именно благодаря этому процессу замыкается круговорот углерода в биосфере. Как и кислород, углерод входит в состав почв, растений, животных, участвует в многообразных механизмах круговорота веществ в природе.

Азот — незаменимый биогенный элемент, поскольку он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Атмосфера — неисчерпаемый резервуар азота, однако основная часть живых организмов не может непосредственно использовать этот азот: он должен быть предварительно связан в виде химических соединений.

Круговорот азота тесно связан с круговоротом углерода. Несмотря на то что круговорот азота сложнее, чем круговорот углерода, он, как правило, происходит быстрее.

Другие составные части воздуха не участвуют в биохимических круговоротах, но наличие большого количества загрязнителей в атмосфере может привести к серьезным нарушениям этих циклов.

Загрязнение атмосферы — различные негативные изменения в ее составе, связаны главным образом с изменением концентрации второстепенных компонентов воздуха.

Различают два главных источника загрязнения атмосферы: естественный и антропогенный. Естественный источник — это вулканы, пыльные бури, выветривание, лесные пожары, процессы разложения растений и животных. К основным антропогенным источникам загрязнения атмосферы относятся предприятия топливно-энергетического комплекса, транспорт, различные машиностроительные предприятия[5].

Заключение