6.1: Склад і структура атмосфери

Last updated
Save as PDF

Page ID: 28854

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

До кінця цієї глави студенти зможуть

Опишіть склад і структуру атмосфери.
Поясніть важливість озонового шару, його виснаження та конкретні кроки, вжиті для його вирішення.
Розрізняють забруднення повітря в приміщенні та на вулиці та те, як вони порівнюються між промислово розвиненими та менш промислово розвиненими країнами
Визначте природні та антропогенні джерела забруднення повітря
Поясніть вплив забруднення повітря на здоров'я людини та екосистем
Поясніть, як працює законодавство про чисте повітря та опишіть його результати

Атмосфера відноситься до шару газів, який оточує Землю і утримується на місці гравітаційним тяжінням Землі (гравітацією). Суміш газів в атмосфері утворює складну систему, організовану в шари, які разом підтримують життя на Землі. Хоча існують численні гази, як показано в таблиці\(\PageIndex{1}\), чотири верхніх газів складають 99,998% від обсягу чистого сухого повітря (незабрудненого повітря, що не містить водяної пари). З цього сухого складу атмосфери азот, на сьогоднішній день, є найбільш поширеним (78%).

Знімок екрана (68) .png — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Викиди від цієї електростанції в Нью-Мексико містили надмірну кількість діоксиду сірки. Зображення з служби національних парків (суспільне надбання).

Азот розріджує кисень і запобігає швидкому або миттєвому горінню на поверхні Землі, оскільки газ кисню є необхідним реагентом процесу горіння. Азот також необхідний і використовується живими істотами для виробництва білків, хоча як азотний газ, N ₂, він недоступний для більшості живих істот. Кисень використовується всім живим, щоб зробити молекули, необхідні для життя. Це також важливо для аеробного дихання, а також горіння або горіння. Аргон - нереактивний газ, і ми використовуємо його в лампочках, у двокамерних вікнях, а також для збереження безцінних документів, таких як оригінальна Декларація незалежності та Конституція. Вуглекислий газ - це важливий газ, який використовується рослинами та іншими організмами для отримання цукру (їжі) за допомогою фотосинтезу. Цей процес також важливий для іншого життя, оскільки під час фотосинтезу молекули води розщеплюються, а їх кисень вивільняється назад в атмосферу. Вуглекислий газ також виступає в якості ковдри, яка перешкоджає виходу тепла в космічний простір (докладніше про це в розділі 7). Атмосфера рідко, якщо взагалі, зовсім суха. Водяна пара (вода в «газовому» стані) зазвичай присутній приблизно до 4% від загального обсягу залежно від місця розташування. У пустельних районах Землі (30° N/S), коли дме сухий вітер, внесок водяної пари в склад атмосфери буде близько нуля.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Середній склад чистого сухого повітря в нижній атмосфері
Газ	Символ	Контент
Азот	N ₂	78.08%
Кисень	О ₂	20,95%
Аргон	Ар	0,93%
Вуглець	СО ₂	0,03% (це і вищезазначені три додають до 99,998%)
Неонові	Ne	18,20 частин на мільйон
Гелій	Він	5,20 проміле
Криптон	Кр	1,10 проміле
Діоксид сірки	ТАК ₂	1,00 проміле
Метан	СН ₄	2,00 проміле
Водень	Н ₂	0,50 проміле
закис азоту	N ₂ О	0,50 проміле
Xenon	Xe	0,09 проміле
Озон	О ₃	0,07 проміле
Діоксид азоту	НІ ₂	0,02 проміле
Йод	Я ₂	0,01 проміле
Окис вуглецю	КО	Трасування
Аміак	NH ₃	Трасування

Джерело: Національна служба погоди www.srh.noaa.gov/jetstream/at... tmos_intro.htm

Атмосфера Землі розділена на чотири різних шари на основі теплових характеристик (зміни температури), хімічного складу, руху та щільності (рис.\(\PageIndex{2}\)). Тропосфера - найнижчий шар, що простягається від поверхні приблизно до 18 км над поверхнею залежно від місця розташування (варіюється від 6 км до 20 км). Відбувається безперервний потік і закручування повітря постійно через конвекційні потоки, що перерозподіляють тепло і вологу по всій земній кулі. Це призводить до короткочасних та локальних моделей температури та вологи, які ми називаємо погодою. Оскільки гравітація утримує більшість молекул повітря близько до поверхні Землі, тропосфера є найщільнішою з усіх шарів, що містить близько 75% загальної маси атмосфери. Щільність газів у цьому шарі зменшується з висотою, тому повітря стає тоншим. У відповідь температура в тропосфері також знижується з висотою. Коли людина піднімається вище, температура падає з середнього близько 17° C (62° F) на рівні моря приблизно до -51° C (-60° F) на тропосфері, різкій межі у верхній частині тропосфери, що обмежує змішування між тропосферою та верхніми шарами.

Знімок екрана (69) .png — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Середній температурний профіль через нижні шари атмосфери. Висота (в милі і кілометрах) вказується уздовж кожного боку. Джерело: Національна служба погоди *www.srh.noaa.gov/jetstream/at... atmprofile.htm*

Стратосфера - це шар, який простягається від тропопаузи приблизно до 50 км до 53 км над поверхнею Землі в залежності від місця розташування. Пропорції більшості газів у цьому шарі аналогічні пропорціям тропосфери за двома основними винятками: 1) у стратосфері майже немає водяної пари і 2) стратосфера має майже в 1000 разів більше озону (O ₃), ніж тропосфера. Маючи всього близько 19% від загальної маси атмосфери, щільність стратосфери значно нижче тропосфери. Однак температура в цьому регіоні зростає з висотою в результаті тепла, яке утворюється при утворенні озону (докладніше про озон в розділі 6.2). Це тепло відповідає за підвищення температури від середнього -51° C (-60° F) при тропопаузі до максимуму близько -15° C (5° F) у верхній частині стратосфери. Це підвищення температури з висотою означає, що тепліше повітря знаходиться над більш холодним повітрям. Це запобігає «конвекції», оскільки немає вертикального руху газів вгору. Наслідок цього незначного змішування газів у стратосфері робить її відносно спокійною, але також означає, що як тільки речовини, такі як забруднюючі речовини, потрапляють в цю зону, вони можуть залишатися призупиненими протягом багатьох років. Вершина стратосфери пов'язана межею, відомою як стратопауза.

Над стратосферою знаходиться мезосфера, яка простягається приблизно на 85 км над поверхнею Землі. Мезосфера не має молекул озону, а інші гази, такі як кисень і азот, продовжують ставати менш щільними з висотою. В результаті цього не так багато ультрафіолетового і рентгенівського випромінювання від сонця поглинається молекулами в цьому шарі, тому температура знижується з висотою. І стратосфера, і мезосфера вважаються середньою атмосферою.

Між приблизно 85 км і 600 км лежить термосфера. Цей шар відомий як верхня атмосфера. На відміну від мезосфери, гази в цьому шарі легко поглинають надходить високоенергетичне ультрафіолетове і рентгенівське випромінювання від сонця. Через це поглинання температура в термосфері збільшується з висотою і може досягати 2,000° C (3,600° F) поблизу верхньої частини залежно від сонячної активності. Однак, незважаючи на високу температуру, цей шар атмосфери все одно відчував би дуже холодний для нашої шкіри через дуже тонку атмосферу. Висока температура вказує на кількість енергії, поглиненої молекулами, але з такою малою кількістю в цьому шарі, загальна кількість молекул недостатньо для нагрівання нашої шкіри. Немає різкої межі, яка позначає кінець атмосфери. Тиск і щільність просто продовжують зменшуватися з відстанню, поки вони не стануть невідрізними від майже вакууму космічного простору.