Атмосферные газовые ресурсы

Атмосфера (от греч. atmos — пар и sphdira — шар) — это воздушная среда вокруг Земли, вращающаяся вместе с ней. Атмосфера включает в себя слой воздуха в подпочве, почве и над ее поверхностью. Масса атмосферы примерно равна 5,51 • 10¹⁵ т. Эта огромная величина равна только одной миллионной части всей массы нашей планеты. Наибольшей плотности воздух достигает у земной поверхности, где его кубический метр весит около 1290 г. С высотой его плотность и вес быстро уменьшаются, и в 20 км от поверхности Земли 1 м³ воздуха весит только 90 г, а в 40 км — всего 4 г.

Газовый состав атмосферы.

Состав воздуха, из которого состоит атмосфера, относительно постоянен. В атмосфере у поверхности Земли содержится 78,1% азота, 21% — кислорода, 0,9% — аргона, в незначительных долях процента присутствуют углекислый газ, водород и инертные газы (рис. 2.2).

В нижних слоях атмосферы на высоте до 20 км содержится водяной пар (у земной поверхности — от 3% в тропиках до 2 • 10^_5% в Антарктиде). Количество водяного пара с ростом высоты быстро снижается. Газовый состав остается почти неизменным до высоты 100—110 км. Выше воздух также сохраняет в основном свой состав, но под действием ультрафиолетовых лучей Солнца молекулярный кислород распадается на атомы, а с высоты 200 км и азот подвергается расщеплению на атомы.

Азот — газ, являющийся основной составляющей воздуха, не поддерживает дыхания и горения, но необходим для роста растений, жизни животных и человека. Азот вырабатывается микроорганизмами, находящимися в земной коре.

Рис. 2.2. Изменение газового состава воздуха с высотой атмосферы:

N₂ — молекулярный азот; 0₂ — молекулярный кислород;

N — атомарный азот; О — атомарный кислород; 0₃ — озон.

Кислород — самый важный для жизнедеятельности компонент воздуха. Он является составной частью всех животных и растительных организмов, входя в состав белков, жиров и углеводов. Кислород необходим для дыхания и горения. Без пищи человек может обходиться 5 недель, без воды — 5 дней, без атмосферного кислорода — 5 мин.

Кислород вырабатывается зелеными растениями в процессе фотосинтеза — 100 млрд т ежегодно. Но основная роль принадлежит фитопланктону, который выделяет примерно 70% всего атмосферного кислорода. Полное обновление кислорода планеты осуществляется с помощью живых организмов в течение 5200—5800 лет.

За миллионы лет доля накопленного природой в атмосфере кислорода составила около 21%, но его запасы, ранее считавшиеся неисчерпаемыми, сейчас катастрофически уменьшаются в результате интенсивного хозяйственного воздействия. Воспроизводство его природой сильно замедлилось из-за уничтожения лесов планеты. За предшествующие 100 лет содержание кислорода в воздухе уменьшилось на 240 млрд т, а в настоящее время уменьшается на 10 млрд т ежегодно, причем 95% этого объема используется в техногенных процессах. Например, межконтинентальный перелет одного самолета требует сжигания 100 т кислорода. Ученые предупреждают о возможной угрозе мирового кислородного голода. Если количество кислорода в атмосфере снизится до 16%, будут остановлены основные природные процессы — дыхание, горение, гниение, т. е. прекратится жизнь.

Озон образуется в атмосфере из молекулярного кислорода, к которому присоединяется атомарный кислород при электрических разрядах в атмосфере (например, во время грозы) и под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца.

Углекислый газ поступает в воздух в результате процессов сжигания топлива, гниения и разложения органических веществ, дыхания людей и животных. Однако существенного накопления углекислого газа в атмосфере не происходит, так как растения поглощают его в процессе фотосинтеза. Ежегодно растения извлекают из атмосферы более 160 млрд т углекислого газа. В результате процентная доля углекислого газа в атмосфере незначительна и составляет 0,03%. В последние годы отмечается некоторое увеличение содержания углекислого газа в атмосфере, что вызывает отрицательные экологические последствия.

Значение атмосферы. Атмосферный воздух — важнейший природный ресурс. Его первое назначение — снабдить людей, животный и растительный мир жизненно необходимыми газовыми элементами (кислородом, углекислым газом). Он используется в хозяйственной жизни, обеспечивая производственные процессы кислородом, азотом, водородом и нейтральными газами.

Атмосфера выполняет также защитную функцию — защищает поверхность Земли от космического, радиационного и ультрафиолетового солнечного излучения, от метеоритов и прочих космических тел, подавляющая масса которых сгорает в атмосфере. Пробить «броню» многокилометровой толщи воздуха могут лишь метеориты с массой, равной десяткам и сотням тонн. Более мелкие метеориты сгорают в атмосфере, не достигая поверхности Земли.

Атмосферный воздух способствует поддержанию теплового режима на планете. Он может смягчить температурные перепады (воздух — плохой проводник тепла и холода). Воздушные потоки перераспределяют тепло между различными областями земной поверхности, сглаживая различия в тепловом режиме и смягчая условия существования организмов. Атмосфера «согревает» нашу планету, поглощая тепло, излучаемое Землей в мировое пространство, и частично возвращая его в виде встречного излучения. Если представить, что на Земле не было бы атмосферы, днем Солнце раскаляло бы поверхность планеты до температуры 100 °C, а ночью поверхность Земли остывала бы до -100°С; такие перепады температуры в диапазоне 200 °C сделали бы существование жизни на Земле невозможным. Только около 50% солнечной энергии, достигающей внешних границ атмосферы, проникает сквозь нее и доходит до поверхности Земли. Остальная энергия отражается и поглощается атмосферными газами и облаками.

Благодаря наличию атмосферы на Земле осуществляется круговорот воды, которая испаряется с поверхности планеты, конденсируется в воздухе и выпадает в виде атмосферных осадков.

Расселение некоторых видов живых организмов происходит в результате переноса спор, семян, самих организмов воздушными потоками. В атмосферном воздухе распространяется звук со скоростью 340 м/с.

Атмосфера рассеивает солнечные лучи, в результате чего создается постепенный переход от света к тени (сумерки). В ночное время она излучает световые лучи и служит источником освещения земной поверхности. Ночное свечение атмосферы (люминесценция) — это свечение разреженных газов воздуха на высотах от 80 до 300 км. Оно обеспечивает 40—45% общей освещенности земной поверхности в безлунную ночь, в то время как звездный свет составляет около 30%, а на свет, рассеиваемый межзвездной пылью, приходятся остальные 25—30%. С поверхности Земли увидеть свет, испускаемый атмосферой, практически невозможно, так как его трудно отделить от света других источников. Ночное свечение атмосферы хорошо просматривается из космоса в виде тонкого светящегося пояса, окружающего Землю над горизонтом.

Разновидностью свечения атмосферы являются полярные сияния. На Земле они наблюдаются в высоких широтах только ночью при отсутствии облаков. Из космоса полярные сияния видны всегда и при этом одновременно над большими территориями.

Рассеивание солнечного света атмосферными газами, главным образом лучей с короткой длиной волны, т. е. фиолетовых, синих и голубых, придает небу голубоватый цвет. С повышением высоты над поверхностью Земли уменьшаются плотность воздуха и степень его загрязнения различными примесями, что влияет на рассеивающую способность атмосферы, поэтому цвет неба темнеет и переходит в темносиний, а еще выше — в черно-фиолетовый.