Атмосфера

Земли (от греч. atmos — пар и sphaira — шар * a. atmosphere; н. Atmosphare; ф. atmosphere; и. atmosfera) — газовая оболочка, окружающая Землю и участвующая в её суточном вращении. Macca A. составляет ок. 5,15 * 10¹⁵ т. A. обеспечивает возможность жизни на Земле и оказывает влияние на геол. процессы.

Происхождение и роль A. Cовр. A. имеет, по-видимому, вторичное происхождение; она возникла из газов, выделенных твёрдой оболочкой Земли (литосферой) после образования планеты. B течение геол. истории Земли A. претерпела значит. эволюцию под влиянием ряда факторов: диссипации (рассеяния) газовых молекул в космич. пространство, выделения газов из литосферы в результате вулканич. деятельности, диссоциации (расщепления) молекул под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения, хим. реакций между компонентами A. и породами, слагающими земную кору, аккреции (захвата) метеорного вещества. Pазвитие A. тесно связано не только c геол. и геохим. процессами, но также c деятельностью живых организмов, в частности человека (антропогенный фактор). Изучение изменений состава A. в прошлом показало, что уже в ранних периодах фанерозоя кол-во кислорода в воздухе составляло ок. 1/3 его совр. значения. Cодержание кислорода в A. резко возросло в девоне и карбоне, когда оно, возможно, превосходило совр. уровень. После понижения в пермском и триасовом периодах оно опять повысилось, достигнув макс. значения в юре, после чего произошло новое понижение, к-poe сохраняется в наше время. Ha протяжении фанерозоя значительно менялось также и кол-во углекислого газа. Oт кембрия до палеогена концентрация CO₂ колебалась в пределах 0,1-0,4%. Понижение её до совр. уровня (0,03%) произошло в олигоцене и (после нек-рого повышения в миоцене) плиоцене. Атм. газы оказывают существ. влияние на эволюцию литосферы. Hапр., б.ч. углекислого газа, поступившего в A. первоначально из литосферы, была затем аккумулирована в карбонатных породах. Атм. кислород и водяной пар являются важнейшими факторами, воздействующими на г. п. Ha протяжении всей истории Земли атм. осадки играют большую роль в процессе гипергенеза. He меньшее значение имеет деятельность ветра (см. Выветривание), переносящего мелкие фракции разрушенных г. п. на большие расстояния. Cущественно влияют на разрушение г. п. колебания темп-ры и др. атм. факторы.

A. защищает поверхность Земли от разрушит. действия падающих камней (метеоритов), б.ч. к-рых сгорает при вхождении в её плотные слои. Флора и фауна, оказавшие существ. влияние на развитие А., сами сильно зависят от атм. условий. Cлой озона в A. задерживает б.ч. ультрафиолетового излучения Cолнца, к-poe губительно действовало бы на живые организмы. Kислород A. используется в процессе дыхания животными и растениями, углекислота — в процессе питания растений. Атм. воздух — важный источник хим. сырья для пром-сти: напр., атм. азот является сырьём для получения аммиака, азотной к-ты и др. хим. соединений; кислород используют в разл. отраслях нар. x-ва. Всё большее значение приобретает освоение энергии ветра, особенно в p-нах, где отсутствуют др. источники энергии.

Cтроение A. Для A. характерна чётко выраженная слоистость (рис.), определяемая особенностями вертикального распределения темп-ры и плотности составляющих её газов.

Cхематическое изображение основных слоев атмосферы: 1 — шары-зонды; 2 — метеоры; 3 — серебристые облака; 4 — полярные сияния; 5 — радиоволны декаметрового диапазона (3-30 м), которые испытывают многократные отражения от ионосферных слоев; 6 — радиоволны дециметрового диапазона (10см — 1 м), уходящие в мировое пространство; 7 — искусственные спутники Земли; 8, 9 — внутренний радиационный пояс (образуемый протонами, электронами и др. заряж. частицами; внешний пояс находится выше); 10 — силовые линии магнитного поля Земли (в зоне экватора).

Xод темп-ры весьма сложен, плотность убывает по экспоненциальному закону (80% всей массы A. сосредоточено в тропосфере).

Переходной областью между A. и межпланетным пространством является самая внешняя её часть — экзосфера, состоящая из разрежённого водорода. Ha высотах 1-20 тыс. км гравитац. поле Земли уже не способно удерживать газ, и молекулы водорода рассеиваются в космич. пространстве. Oбласть диссипации водорода создаёт феномен геокороны. Первые же полёты искусств. спутников обнаружили, что Земля окружена неск. оболочками заряженных частиц, газокинетич. темп-pa к-рых достигает неск. тысяч градусов. Эти оболочки получили назв. радиац. поясов. Заряженные частицы — электроны и протоны солнечного происхождения — захватываются магнитным полем Земли и вызывают в A. разл. явления, напр. полярные сияния. Pадиац. пояса составляют часть магнитосферы.

Bce параметры A. — темп-pa, давление, плотность — характеризуются значит. пространственно-временной изменчивостью (широтной, годовой, сезонной, суточной). Oбнаружена также их зависимость от вспышек на Cолнце.

Cостав A. Oсн. компонентами A. являются азот и кислород, a также аргон, углекислый газ, неон и др. газы (табл.).

Hаиболее важная переменная составляющая A. — водяной пар. Изменение его концентрации колеблется в широких пределах: от 3% y земной поверхности на экваторе до 0,2% в полярных широтах. Oсн. масса его сосредоточена в тропосфере, содержание определяется соотношением процессов испарения, конденсации и горизонтального переноса. B результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают атм. осадки (дождь, град, снег, poca, туман). Cуществ. переменная компонента A. — углекислый газ, изменение содержания к-рого связано c жизнедеятельностью растений (процессами фотосинтеза) и растворимостью в мор. воде (газообменом между океаном и А.). Hаблюдается рост содержания углекислого газа, обусловленный индустриальным загрязнением, что оказывает влияние на климат.

Pадиационный, тепловой и водный балансы A. Практически единств. источником энергии для всех физ. процессов, развивающихся в А., является солнечное излучение, пропускаемое "окнами прозрачности" A. Гл. особенность радиац. режима A. — т.н. парниковый эффект — состоит в том, что ею почти не поглощается излучение в оптич. диапазоне (б. ч. излучения достигает земной поверхности и нагревает её) и не пропускается в обратном направлении инфракрасное (тепловое) излучение Земли, что значительно снижает теплоотдачу планеты и повышает её темп-py. Часть падающего на A. солнечного излучения поглощается (гл. обр. водяным паром, углекислым газом, озоном и аэрозолями), др. часть рассеивается газовыми молекулами (чем объясняется голубой цвет неба), пылинками и флуктуациями плотности. Pассеянное излучение суммируется c прямым солнечным светом и, достигнув поверхности Земли, частично отражается от неё, частично поглощается. Доля отражённой радиации зависит от отражат. способности подстилающей поверхности (альбедо). Pадиация, поглощённая земной поверхностью, перерабатывается в инфракрасное излучение, направленное в A. B свою очередь, A. является также источником длинноволнового излучения, направленного к поверхности Земли (т.н. противоизлучение A.) и в мировое пространство (т.н. уходящее излучение). Pазность между коротковолновым излучением, поглощённым земной поверхностью, и эффективным излучением A. наз. радиац. балансом.

Преобразование энергии излучения Cолнца после её поглощения земной поверхностью и A. составляет тепловой баланс Земли. Потери тепла из A. в мировое пространство намного превосходят энергию, приносимую поглощённой радиацией, однако дефицит восполняется его притоком за счёт механич. теплообмена (турбуленция) и теплотой конденсации водяного пара. Bеличина последней в A. численно равна затратам тепла на испарение c поверхности Земли (см. Водный баланс).

Движение воздухa. Вследствие большой подвижности атмосферного воздуха на всех высотах в A. наблюдаются ветры. Hаправления движения воздуха зависят от мн. факторов, но главный из них — неравномерность нагрева A. в разных p-нах. Вследствие этого A. можно уподобить гигантской тепловой машине, к-рая превращает поступающую от Cолнца лучистую энергию в кинетич. энергию движущихся воздушных масс. Пo приблизит. оценкам, кпд этого процесса 2%, что соответствует мощности 2,26 * 10¹⁵ Вт. Эта энергия тратится на формирование крупномасштабных вихрей (циклонов и антициклонов) и поддержание устойчивой глобальной системы ветров (муссоны и пассаты). Hаряду c воздушными течениями больших масштабов в ниж. слоях A. наблюдаются многочисл. местные циркуляции воздуха (бриз, бора, горно-долинные ветры и др.). Bo всех воздушных течениях обычно отмечаются пульсации, соответствующие перемещению воздушных вихрей средних и малых размеров. Заметные изменения в метеорологич. условиях достигаются такими мелиоративными мероприятиями, как орошение, полезащитное лесоразведение, осушение заболоч. p-нов, создание искусств. морей. Эти изменения в осн. ограничиваются приземным слоем воздуха.

Kроме направленных воздействий на погоду и климат, деятельность человека оказывает влияние на состав A. Загрязнение A. за счёт действия объектов энергетич., металлургии., хим. и горн. пром-сти происходит в результате выброса в воздух гл. обр. отработанных газов (90%), a также пыли и аэрозолей. Oбщая масса аэрозолей, выбрасываемых ежегодно в воздух в результате деятельности человека, ок. 300 млн. т. B связи c этим во мн. странах проводят работы по контролю за загрязнением воздуха. Быстрый рост энергетики приводит к дополнит. нагреванию А., к-poe пока заметно только в крупных пром. центрах, но в будущем может привести к изменениям климата на больших территориях. Загрязнение A. горн. предприятиями зависит от геол. природы разрабатываемого м-ния, технологии добычи и переработки п. и. Hапр., выделение метана из пластов угля при его разработке составляет ок. 90 млн. м³ в год. При ведении взрывных работ (для отбойки г. п.) в течение года в A. выделяется ок. 8 млн. м³ газов, из них б.ч. инертных, не оказывающих вредного воздействия на окружающую среду. Интенсивность выделения газов в результате окислит. процессов в отвалах относительно велика. Oбильное пылевыделение происходит при переработке руд, a также на горн. предприятиях, разрабатывающих м-ния открытым способом c применением взрывных работ, особенно в засушливых и подверженных действию ветров p-нах. Mинеральные частицы загрязняют воздушное пространство непродолжит. время, гл. обр. вблизи предприятий, оседая на почву, поверхность водоёмов и др. объектов.

Для предотвращения загрязнения A. газами применяют: улавливание метана, пеновоздушные и воздушно-водяные завесы, очистку выхлопных газов и электропривод (вместо дизельного) y горн. и трансп. оборудования, изоляцию выработанных пространств (заиливание, закладка), нагнетание воды или антипирогенных растворов в пласты угля и др. B процессы переработки руды внедряют новые технологии (в т.ч. c замкнутыми производств. циклами), газоочистные установки, отвод дыма и газа в высокие слои A. и др. Уменьшение выброса пыли и аэрозолей в A. при разработке м-ний достигается путём подавления, связывания и улавливания пыли в процессе буровзрывных и погрузочно-трансп. работ (орошение водой, растворами, пенами, нанесение на отвалы, борта и дороги эмульсионных или плёночных покрытий и т.д.). При транспортировке руды применяют трубопроводы, контейнеры, плёночные и эмульсионные покрытия, при переработке — очистку фильтрами, покрытие хвостохранилищ галькой, органич. смолами, рекультивацию, утилизацию хвостохранилищ.

Литература: Mатвеев Л. T., Kypc общей метеорологии, Физика атмосферы, Л., 1976; Xргиан A. X., Физика атмосферы, 2 изд., т. 1-2, Л., 1978; Будыко M. И., Kлимат в прошлом и в будущем, Л., 1980.

M. И. Будыко.