Воздух представляет собой газовую смесь, из которой состоит атмосфера Земли, простирающаяся до высоты около 1000 км и плавно переходящая в межпланетное пространство. Слово «atmos» по-гречески означает пар. Атмосфера Земли уникальна по своему составу, так как нигде больше в Солнечной системе не обнаружено такое высокое содержание кислорода, как в нашем воздухе. Помимо воздуха атмосферу составляют лишь аэрозоли в виде туманов (включая облака), дыма и пыли. Эти составляющие атмосферы имеют незначительную массу, но сравнению с массой воздуха. Самым очевидным отличием атмосферы от других оболочек Земли является агрегатное состояние. При имеющемся в земных условиях атмосферном давлении воздух оказывается наименее плотной и наиболее прозрачной оболочкой Земли. От гидросферы и земной коры газовая оболочка Земли отличается падением плотности по мере удаления от поверхности Земли. Уменьшение плотности воздуха по высоте приводит к отсутствию четкой верхней границы атмосферы. По сравнению с гидросферой Земли и земной корой воздух имеет наиболее постоянный относительный состав. Это обеспечивается достаточно большой скоростью перемещения воздушных масс в горизонтальном и вертикальном направлениях.
Важнейшее значение воздуха состоит в том, что он непосредственно служит средой, в которой существуют все наземные живые организмы. Колебания физического состояния и состава воздуха немедленно отражаются на жизнедеятельности и самочувствии. Наиболее важна энергетическая роль одной из главных составляющих воздуха — кислорода. Кислород, поглощаемый кровью из воздуха в процессе дыхания, служит окислительным компонентом экзотермических процессов в живых организмах. Восстановительные компоненты (углеводы, жиры) поступают с нищей. На окисление каждого грамма углеводов расходуется приблизительно 1,1 г кислорода, а на окисление 1 г жиров — 3 г кислорода. Конечно, доступность кислорода и отсутствие у него непосредственной стоимости освобождают человека от таких забот, которые связаны с обеспечением пищей.
Состав воздуха характеризуется наличием основных компонентов с постоянным содержанием и примесей, содержание которых сильно варьирует в разных регионах и местностях. В табл. 7.1 приведен состав воздуха, включающий 11 газов. Содержание азота и кислорода настолько сильно превышает содержание прочих газов, что во многих задачах принимают, что воздух состоит из азота и кислорода («условный воздух»).
По естествознанию «Атмосфера Земли»
... Атмосферный воздух Каждый газ воздуха выполняет в географической оболочке определенные функции. Свободный кислород обеспечивает дыхание и горение. Кислород ... в атмосфере мало, но это утеплитель Земли, т.к. пропускает коротковолновую солнечную радиацию, ... кислород биогенного происхождения. Большое влияние на изменение состава атмосферы оказывает человеческая деятельность (увеличивается содержание ...
Многие физические свойства воздуха зависят от этих двух газов. Среди газов с низким содержанием наибольшее значение имеют пары воды и углекислый газ. Содержание паров воды (влажность воздуха) подвержено сильному изменению в зависимости от местности и погоды. Углекислый газ является необходимым веществом для фотосинтеза. Его значение для биосферы Земли фундаментально. На содержание углекислого газа серьезным образом влияет возрастающий масштаб потребления топлива. За последние 50—60 лет доля С0 2 в воздухе увеличилась на 0,005%, а относительно исходного содержания самого С02 — на 15%. Это газ, создающий парниковый эффект. Увеличение его содержания в атмосфере влечет за собой глобальное потепление, сопряженное с различными опасностями для биосферы.
Таблица 7.1
Усредненный состав воздуха.
|
Газ. |
Содержание, % но объему в сухом воздухе. |
|
Азот N 2 |
78,08. |
|
Кислород () 2 |
20,94. |
|
Аргон Аг. |
0,934. |
|
Вода Н 2 () (пары).
|
0,5−4. |
|
Углекислый газ С0 2 |
0,036 (3,6 10 2).
|
|
Неон Ne. |
1,82 10 3 |
|
Гелий Не. |
5,2 10 4 |
|
Метан СН 4 |
1,7 10 4 |
|
Криптон Кг. |
1,14
|
|
Водород Н 2 |
5−10 5 |
|
Ксенон Хе. |
С?>
|
Большинство атмосферных газов находятся в состоянии обмена с земной корой, гидросферой и биотой (под биотой подразумевается совокупность живых организмов).
Для молекул самых легких газов, водорода и гелия, достаточно велика вероятность приобретения скорости, необходимой для улетучивания в межпланетное пространство. Атмосфера постепенно теряет эти газы. В то же время водород постоянно образуется за счет фотохимической диссоциации воды, а гелий (в виде а-частиц) является продуктом распада урана, тория и промежуточных элементов в цепочках их превращений. Гелий понемногу выделяется из горных пород, содержится в подземных водах в местах залегания урановых руд [https:// , 10].
В целом атмосфера находится в стационарном состоянии, которое в отношении углекислого газа и некоторых примесей нарушается воздействием антропогенного фактора. Важной характеристикой атмосферных газов является время пребывания в атмосфере, равное, в случае стационарного состояния, отношению общего содержания в атмосфере к годовому поступлению и в то же время годовому стоку:
где т — время пребывания в атмосфере, А — общее содержание газа в атмосфере, FBX и FBbIX — годовое поступление и годовой сток.
Рассмотрим в качестве примера метан. Его общее содержание в атмосфере оценивается в 4,8- 10 9 т. Ежегодно с поверхности болот, из угольных пластов и в районах добычи природного газа в атмосферу попадает приблизительно 5*108 т метана. Отсюда можно получить время пребывания метана в атмосфере — 9,8 лет. Сток метана обусловлен его медленным окислением атмосферным кислородом, участием метана в горении вместе с тем топливом, которое сжигается для хозяйственных целей и в постоянно бушующих лесных пожарах.
Одним из существенных факторов атмосферных химических процессов является фотодиссоциация кислорода:
Атомы кислорода реагируют с молекулами 0 2 , образуя озон 03 , который постепенно превращается в обычный кислород. На высоте 15—20 км устанавливается баланс между образованием под действием излучения и разложением озона, т. е. стационарное состояние. Баланс может нарушаться переносом в этот слой атмосферы некоторых антропогенных веществ (фторированных углеводородов и др.) от поверхности Земли. Подобного рода молекулы, не свойственные для чисто природных процессов, ускоряют разложение озона, что вызывает появление «озоновых дыр». Это весьма тревожное явление, данные о котором доходят до средств массовой информации. Ничтожные количества озона, появляющиеся и в нижних слоях атмосферы, воздействуют на различные материалы, постепенно разрушая их. Хорошо известно старение и растрескивание резиновых изделий. Это результат воздействия атомов кислорода, молекул озона и других активных частиц.
Приведенные примеры характеризуют участие атмосферных газов в процессах, протекающих в самой атмосфере и на твердых поверхностях, граничащих с воздухом. Физика и химия атмосферы составляют отдельную отрасль наук о Земле, экологии и химии, практическое значение которых постоянно возрастает в результате роста потребления энергии, промышленных выбросов в атмосферу, быстрого роста населения Земли.
