Природничі науки. 2 частина. 11 клас. Гільберг

Атмосфера

Прозора оболонка Землі

Від космічного простору, пронизаного потужним, згубним для всього живого випромінюванням, нашу планету (а отже й нас з вами) захищає газова оболонка — атмосфера (від грец. ατμός — пара та Σφαίρα — сфера). Атмосфера — одна з геосфер, суміш газів і домішок (пилу, частинок льоду, водяної пари, продуктів згорання тощо), що оточують Землю, утримуються завдяки силі тяжіння й обертаються разом із Землею як одне ціле. Це визначення вже багато що говорить нам про атмосферу, бо вказує, по-перше, на її склад; по-друге, — на складний рух, у якому атмосфера бере участь. А ще нам потрібно дізнатись, як сформувалася атмосфера, детальніше дослідити її хімічний склад і фізичні властивості, біологічне значення, порівняти її структуру й функції відповідно до обраного параметра: фізичного, технічного, фізіологічного. Тож почнімо.

На відміну від гідросфери, яка властива лише нашій планеті, газові оболонки є й в інших планет Сонячної системи. Атмосфера може існувати лише за умови досить великої маси космічного об’єкта. Тому, наприклад, Меркурій і наш супутник Місяць, як й інші малі об’єкти Сонячної системи, не мають атмосфери. У Венери, Землі й Марса є атмосфери (мал. 8.1), які складаються з газів, що виділилися з надр цих планет під час їх утворення. Атмосфера Землі, як і гідросфера, утворилася внаслідок дегазації мантії. У планет-гігантів атмосфери є безпосереднім продовженням їхніх надр, оскільки ці планети не мають твердої чи рідкої поверхні.

Мал. 8.1. Уміст (%) карбон(ІV) оксиду в атмосфері Землі (а), Венери (б), Марса (в) та середня температура на цих планетах

Дізнатися більше про основні характеристики атмосфери Землі ви зможете, проаналізувавши малюнок 8.2 (зробіть це).

Мал. 8.2. Про атмосферу

Позначення хмар: Шаруваті - Stratus (St); Шарувато-купчасті - Stratocumulus (Sc); Купчасті - Cumulus (Cu); Перисто-купчасті - Cirrocumulus (Cc); Купчасто-дощові - Cumulonimbus (Cb); Перисті - Cirrus (Сі); Перисто-шаруваті - Cirrostratus (Cs); Високо-купчасті - Altocumulus (Ac); Високо-шаруваті - Altostratus (As)

В атмосфері виокремлюють шари залежно від вибраних параметрів (мал. 8.3, 8.4, 8.6).

Мал. 8.3. Шари атмосфери, виокремлені за ознаками зміни температури, відносної вологості та рухливості

Майже 80 % маси повітря зосереджено в тропосфері, що має товщину від 8-10 км над полюсами, до 16-18 км на екваторі. Температура в тропосфері знижується зі збільшенням висоти, а саме на 6 °С на кожні 1000 м. Тут міститься майже вся водяна пара атмосфери, формуються опади та відбувається горизонтальне й вертикальне переміщення повітря. Це самий теплий шар, оскільки сонячні промені відбиваються від земної поверхні та нагрівають повітря. Тропосфера є частиною біосфери.

Верхньою межею тропосфери є тропопауза. Її товщина становить майже кілометр. У ній, на відміну від тропосфери, спостерігають повільне підвищення температури з висотою.

Наступний шар — стратосфера. У нижній частині цього шару температура становить -55 °С, далі з висоти 25 км, температура зростає на 1-2 °С на кілометр висоти. Це явище зумовлене фотохімічними реакціями в межах тропопаузи, унаслідок яких виділяється тепло. На висоті 75-90 км спостерігають сріблясті хмари, утворені кристаликами льоду.

Особливістю стратосфери є озоновий шар. У стратосфері міжширотний теплообмін, протилежний тропосферному. Відповідно до такого розподілу температури змінюється і розподіл тиску, який упливає й на панівне переміщення повітряних мас (західний напрямок у тропосфері змінюється на східний у стратосфері). Такі явища відіграють значну роль у метеорології та суттєво впливають на повітроплавання.

Стратопауза відокремлює наступний шар — мезосферу, у якому відбувається швидке зниження температури, яка сягає -90 °С в мезопаузі — зоні мінімальної температури в атмосфері. Тут настільки холодно, що утворюються льодові хмари.

Вище починається термосфера, або тепла сфера, — зона надзвичайно розрідженого та нагрітого повітря. Температура на висоті 150 км становить близько +240 °С, а на висоті 600 км — +1500 °С. Температура підвищується тут переважно внаслідок поглинання сонячної радіації молекулами кисню, який у результаті цього розкладається на атоми.

Зовнішня частина атмосфери — шар розсіювання, що простягається до 2000-3000 км від поверхні Землі, називають екзосферою, у ній температура сягає +2000 °С. Швидкість руху атомів і молекул газів досягає тут другої космічної швидкості (11,2 км/с), що дає їм змогу долати земне тяжіння й розсіюватися в космічному просторі. Тому її й називають сферою розсіювання.

Мал. 8.4. Шари атмосфери, виокремлені за ступенем концентрації йонів

Шар атмосфери (у межах термосфери), у якому спостерігають відносно високу концентрацію позитивних молекулярних і атомних йонів та вільних електронів, називають ионосферою. Від ступеня йонізації залежить електропровідність атмосфери. У йоносфері вона в 1012 разів більша, ніж поблизу поверхні Землі. Радіохвилі в йоносфері поглинаються, заломлюються та відбиваються. Саме внаслідок відбивання в йоносфері коротких радіохвиль можливий дальній радіозв’язок. Оскільки положення цих шарів і концентрація йонів постійно змінюються, то змінюються й умови поглинання, заломлення, відбивання та поширення радіохвиль, а отже й якість зв’язку. У йоносфері епізодично спостерігають полярні сяйва та близьке до них за природою світіння нічного неба, а також різкі коливання магнітного поля, так звані йоносферні магнітні бурі (мал. 8.5).

Мал. 8.5. 1. Ніч була ясна й морозна. Північне сяйво запалило свої святкові вогні, розквіт небосхил гігантськими зеленувато-білими мерехтливими променями, пригасивши світло зірок. Хвилі холодного рожевого блиску омивали зеніт, а на горизонті рука титана спорудила блискучі арки (Джек Лондон. «Дочка північного сяйва»). 2. Розмаїття процесів різної природи в йоносфері

Мал. 8.6. Шари атмосфери, виокремлені за ознакою зміни газового складу

Висловте припущення щодо тлумачення назв цих шарів атмосфери, узявши до уваги, що грец. ομος — однаковий, εταίρος — інший, Σφαίρα — куля.

Згідно із законом Дальтона (Джон Дальтон, (1766-1844), Велика Британія) в атмосфері має бути гравітаційний поділ газу, тобто внаслідок збільшення висоти вміст важких газів має зменшуватися швидше, ніж легких, і тому на значній висоті мали б переважати легкі гази. Однак виявилося, що до висоти 90-100 км повітря інтенсивно перемішується, і тому до цієї висоти вміст основних газів атмосфери сталий, тому цей шар називають гомосферою. Чисте сухе атмосферне повітря є механічною сумішшю газів. Об’ємні частки (%) її складників такі: Ν2 — 78,08, О2 — 20,95, Аг — 0,93, СО2 — 0,03. Крім того, у гомосфері завжди міститься водяна пара, кількість якої залежить від стану погоди, характеру місцевості та багатьох інших чинників.

Вище від 100 км склад повітря істотно змінюється. Тут насправді відбувається гравітаційний поділ газів. Основним процесом, що зумовлює зміну складу повітря вище 100 км, є дисоціація або розкладання молекул під дією сонячної радіації. До складу повітря входять уже не молекули газів, а атоми та йони. На висотах 100-800 км головними компонентами атмосферного повітря є атоми Оксигену, Гідрогену, Нітрогену. На більших висотах переважають атоми Гідрогену та Гелію, а на висоті понад 3000 км — атоми Гідрогену. Цей шар називають гетеросферою.

Як нам відомо (див. В. 1), первинна атмосфера Землі до появи на ній біологічних форм життя складалася переважно з азоту, вуглекислого газу, водяної пари, водню та гелію. Уміст кисню в цій «добіотичній» атмосфері був незначним; його накопичення почалося близько 2,5 млрд років тому й відбувалося нерівномірно. Суміш газів, з яких складається атмосфера, називають повітрям. Хімічний склад повітря впродовж процесу еволюції стабілізувався, як припускають, кілька сотень мільйонів років тому. Більше про склад повітря ви дізнаєтеся, проаналізувавши дані, наведені в таблиці 8.1 (зробіть це).

Таблиця 8.1.

Назва газу

Хімічна формула

Частка (%)

Об’ємна

Масова

Азот

N2

78,084

75,5

Кисень

O2

20,95

23,1

Аргон

Ar

0,93

1,286

Карбон(ІV) оксид

CO2

0,0397

0,059

Неон

Ne

0,0018

0,0014

Гелій

Не

0,000524

0,000073

Метан

CH4

0,000179

0,000084

Криптон

Kr

0,000114

0,003

Водень

H2

0,000055

0,00008

Нітроген(І) оксид

N2O

0,0000325

0,000077

Ксенон

Хе

0,000009

0,000005

Озон

O3

0,000007

0,000005

Крім того, у повітрі міститься водяна пара, деяка кількість пилу, аерозольні частки.

Кожен з газів виконує певну функцію. Кисень забезпечує процеси дихання, горіння, повільного окиснення. Наприклад, за його участі відбувається хімічна ерозія та інші реакції в поверхневому шарі літосфери. Азот — малоактивна речовина (поясніть чому з огляду на будову його молекули), однак під час грози реагує з киснем:

азот + кисень —> нітроген(ІІ) оксид.

Далі відбувається низка хімічних реакцій, унаслідок яких у ґрунт потрапляють нітрат-аніони, їх убирає коренева система рослин:

нітроген(ІІ) оксид + кисень —> нітроген(ІV) оксид;

нітроген(ІV) оксид + вода —> нітратна кислота + нітритна кислота;

нітритна кислота + кисень —> нітратна кислота.

Перетворіть схеми реакцій на хімічні рівняння, класифікуйте їх за різними ознаками, проаналізуйте з погляду окиснення-відновлення.

Біологічна фіксація азоту відбувається, коли атмосферний азот перетворюється на амоніак ферментом нітрогеназой нітрогенофіксувальних мікроорганізмів. Найактивнішими фіксаторами атмосферного азоту є бульбочкові бактерії в симбіозі з бобовими рослинами. За рік вони можуть нагромадити на площі 1 га до 60-300 кг Нітрогену. Для підвищення азотфіксувальної здатності ґрунту вносять бактеріальні добрива. Нітрифікувальні мікроорганізми окиснюють амоніак до нітритної кислоти, а потім — до нітратної. Так після низки перетворень Нітроген стає складником білків — речовин, з яких складається все живе.

Карбон(ІV) оксид CO2 затримує до 18 % теплового випромінювання Землі. Він також поглинає та випромінює довгохвильову радіацію й разом з водяною парою, метаном, озоном в атмосфері бере участь у створенні парникового ефекту. Кількість вуглекислого газу в повітрі залежить від багатьох чинників. У північних широтах його менше, ніж у помірних, над океаном менше ніж над суходолом, удень менше, ніж уночі. Надходить він до атмосфери внаслідок виверження вулканів, розкладання органічних речовин, у процесі горіння та дихання тварин, а витрачається в процесі фотосинтезу рослин.

Уміст озону О3 в атмосфері дуже малий — від 2 • 10 % узимку, до 7 • 10-6 % улітку. Однак значення цього газу для життя на Землі дуже велике: він захищає організми від згубної дії короткохвильової ультрафіолетової радіації (УФР). Водночас озон дуже отруйний, він знищує плісняву та бактерії. Уміст озону поблизу поверхні Землі всього 0,07 • 10 %, у деяких районах під час смогу сягає 0,5 • 10-6 %. Уже така концентрація озону за півгодини призводить до загибелі деяких видів рослин. Дихальні шляхи людини озон подразнює за об’ємної концентрації 0,1 • 10-6 %. Концентрація 5 • 10 уже небезпечна для життя.

У високих шарах атмосфери озон постійно утворюється й розкладається. Утворюється під дією УФР з довжиною хвилі < 0,170 мкм: молекули кисню збуджуються і розкладаються на два атоми, які легко приєднуються до молекул кисню:

Розкладається під дією УФР більшої довжини хвиль, особливо 0,255 мкм та унаслідок взаємодії з атомарним киснем:

У нижніх шарах атмосфери озон утворюється під час грозових розрядів, а в лабораторіях виробляють з кисню за допомогою електричного розряду в спеціальних приладах — озонаторах. Озон поширений нерівномірно. Найменше його над екватором, найбільше — над субполярними широтами (70-80° пн. ш. і 60-70° пд. ш.) і далі до полюсів знову різко зменшується. Основна маса озону зосереджена в озоносфері — на висоті від 10 до 50 км. Максимальна концентрація озону — на висоті 20-25 км.

Останніми роками спостерігають деяке зменшення загального вмісту озону в атмосфері, особливо у стратосфері. Натомість у приземному шарі є тенденція до його збільшення, особливо в місцях концентрованого забруднення атмосфери. Озонова діра — це локальне зниження концентрації озону у стратосфері на 10-40 %. Викликає занепокоєння збільшення кількості людей, які потерпають від ракових захворювань шкіри. Це результат упливу ультрафіолетових променів Сонця, що проникають крізь зруйнований озоновий шар. Про чинники, які зумовлюють забруднення повітря та, як наслідок, руйнування озонового шару, ви дізнаєтеся, проаналізувавши малюнок 8.7 (зробіть це).

Мал. 8.7. Основні руйнівники озону: 1) оксиди Нітрогену, які утворюються внаслідок випробувань ядерної зброї, запусків ракет і космічних кораблів, польотів реактивних літаків, роботи підприємств, на яких виробляють і використовують нітратну кислоту, вихлопів двигунів внутрішнього згоряння; 2) хлорофлуоровуглеводні (ХФВ), які застосовують у холодильній техніці як холодоагенти, в аерозолях як пропеленти; 3) водяна пара, яка потрапляє до озонової оболонки як продукт згорання ракетного палива; 4) метан — продукт життєдіяльності великої рогатої худоби.

Властивості газів, що входять до складу атмосферного повітря, під тиском змінюються. Наприклад, кисень під тиском, що перевищує нормальний атмосферний удвічі, чинить отруйну дію на організм. Азот під тиском, що вп’ятеро перевищує нормальний, чинить наркотичну дію (азотне сп’яніння). Кожен складник повітря з підвищенням тиску до певних меж стає небезпечним для організму.

Аерозольні частинки — це завислий стан мінерального і вулканічного пилу, продуктів згорання (дим), кристаликів морських солей, спор і пилку рослин, мікроорганізмів. Склад аерозолів визначає рівень прозорості атмосфери.

Аерозолів в атмосфері дуже багато. У повітрі об’ємом 1 см3 у промислових центрах їх міститься десятки тисяч, у сільській місцевості — тисячі, у повітрі над океанами — сотні, а в атмосфері на висоті 5-10 км — кілька десятків. Аерозолі:

  • плавають в атмосфері тривалий час, найдрібніші не опускаються на поверхню Землі роками, їх переносять повітряні течії на десятки тисяч кілометрів;
  • зменшують надходження сонячної енергії до поверхні Землі;
  • можуть завдавати великої шкоди врожайності сільськогосподарських культур, лісовому господарству, продуктивності тварин, будівлям та здоров’ю людей.

Мал. 8.8. Парниковий ефект

Водяна пара і карбон(ІV) оксид є природними атмосферними фільтрами, що затримують довгохвильове теплове випромінювання земної поверхні. Унаслідок цього виникає парниковий ефект, який зумовлює загальне підвищення температури земної поверхні (мал. 8.8). Докладніше про це буде далі.