3.1: Атмосферний склад

Last updated
Save as PDF

Page ID: 38314

Michael E. Ritter
University of Wisconsin-Stevens Point via The Physical Environment

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

Наша атмосфера - це динамічна суміш газів, які огортають Землю. Два гази, азот і кисень, складають більшу частину атмосфери за обсягом. Вони дійсно важливі для підтримки життя і руху ряду процесів поблизу поверхні Землі. Багато так звані «незначні гази» (відомі тут як «змінні гази») відіграють не менш важливу роль в системі Землі. До таких газів відносяться ті, які мають значний вплив на тепловий бюджет і доступність вологи по всій Землі. Атмосфера не є однорідною масою газів, але має шарувату структуру, визначену вертикальними перепадами температури.

Дві широкі області можна визначити, використовуючи склад повітря як засіб поділу атмосфери. Гетеросфера є зовнішньою сферою, де гази розподіляються в різних шарах гравітацією відповідно до їх атомної ваги. Простягаючись з висоти 80 км (50 миль), найлегші елементи (водень і гелій) знаходяться на зовнішніх краях атмосфери. Більш важкі елементи (азот і кисень) знаходяться біля основи шару.

Гомосфера лежить між земною поверхнею і гетеросферою. Гази майже рівномірно перемішуються через цей шар, хоча щільність зменшується з висотою над поверхнею. Виняток становлять лише «озоновий шар» від 19 до 50 км (12 до 31 милі) і близькі поверхневі коливання водяної пари, вуглекислого газу та забруднювачів повітря.

Постійні гази

Азот, кисень та аргон називаються «постійними газами», оскільки їх концентрація залишається практично однаковою протягом більшої частини недавньої земної історії. Азот (78%) - відносно інертний газ, що утворюється переважно вулканічною діяльністю. Це важливий компонент білка в м'ясі, молоці, яйцях і тканині рослин, особливо зернових і представників сімейства горохових. Він не може потрапляти безпосередньо організмами, але доступний рослинам, а потім тваринам, сполуками у ґрунті. Найбільше атмосферного азоту надходить в грунт азотфіксуючими мікроорганізмами.

Кисень (21%) важливий для дихальних процесів рослин і тварин. Також важливі хімічні реакції (окислення), які руйнують гірські матеріали (хімічне вивітрювання). Без кисню речі теж не можуть горіти. Вільний кисень в атмосфері є продуктом фотосинтезу рослин. Рослини засвоюють вуглекислий газ і в процесі фотосинтезу виділяють кисень.

Аргон (0,93%) являє собою безбарвний, відносно інертний газ без запаху, причиною його використання для електричних лампочок, люмінесцентних ламп. Він використовується для формування інертної атмосфери для дугового зварювання та вирощування напівпровідникових кристалів.

Змінні гази

Так звані «змінні гази» - це ті, що присутні в малих і змінних кількостях. До них відносяться вуглекислий газ, метан, озон, водяна пара та тверді частинки серед інших. Незважаючи на те, що вони представляють крихітну частину атмосфери в цілому, вони мають великий контроль над нашим оточенням.

Вуглекислий газ

Вуглекислий газ (СО ₂) становить всього 0,036% атмосфери за обсягом. Вуглекислий газ необхідний для фотосинтетичних процесів рослин. Величезні кількості вуглецю зберігаються в рослинній тканині, родовищах вугілля, торфу, нафти, газу. Вуглекислий газ приймається рослинами і під час фотосинтезу поєднується з водою і енергією, утворюючи кисень і вуглеводи. Зберігаються вуглеводи використовуються для підживлення дихання та росту рослин. Вуглець також зберігається у вапнякових породах, які утворилися внаслідок ущільнення багатих карбонатами оболонок океанського життя. Оскільки рослинність забирає стільки вуглекислого газу, ми часто називаємо рослини «раковиною» для нього.

Вуглекислий газ в атмосфері змінюється протягом року, трохи зменшуючись протягом літа, коли рослини листяться, а потім збільшується протягом зими, оскільки рослини переходять в спокій і зменшується фотосинтез. Зигзагоподібна картина вимірювань вуглекислого газу, зроблена в Мауна-Лоа, Гаваї на малюнку\(\PageIndex{1}\) нижче, ілюструє цю сезонність.

CO2 Магнітна навантаження — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Тимчасова варіація вуглекислого газу (Джерело: NOAA ESRL)

Сезонні зміни географії поглинання та викиду вуглекислого газу протягом 2004 року показані\(\PageIndex{2}\) на малюнку NOAA CarbonTracker. Чорно-білі точки - це місця, де збираються дані CO ₂. Комп'ютерна модель, заснована на цих даних та знанні поверхневих джерел та раковин, генерує закономірності для всієї земної кулі. Знову ж таки, велика зміна сезону до сезону обумовлена життям рослин. Блакитні кольори над північною півкулею протягом липня в середніх широтах виникають внаслідок того, що ліси та культури вбирають велику кількість СО ₂. Інтенсивні червоні зони виділення CO ₂ протягом липня, серпня та вересня в південній півкулі значною мірою обумовлені спалюванням біомаси. Деяке горіння є природним, наприклад, сухі трави савани, запалені ударами блискавки. Найбільше це пов'язано з тим, що люди спалюють поля при підготовці до посадки, або спалюванням лісів для нових сільськогосподарських угідь.

Відео: вуглецевий трекер NOAA (надано лабораторією досліджень земної системи NOAA)

Метан

Метан (CH ₄) - це парниковий газ, що сприяє приблизно 18% глобального потепління і протягом останніх кількох десятиліть зростає. Хоча метан становить набагато менше атмосфери (.0002%), ніж вуглекислий газ, він у 20 разів потужніший, ніж CO ₂ як парниковий газ. Метан є продуктом розкладання органічної речовини, причому основними природними джерелами є те, що відбувається з водно-болотних угідь, термітів, океанів та гідратів.

Основним джерелом метану є терміти. Терміти їдять деревину і виробляють метан в результаті розпаду клітковини в їх травних трактах. Вважається, що вони відповідають за 11% метану в атмосфері (деякі оцінки досягають 20% - 40%). Очищення дощових лісів сильно впливає на популяцію термітів і, в свою чергу, на вміст метану в атмосфері. Коли ділянка дощового лісу очищається, популяції термітів вибухають через достатнє джерело їжі, яке залишилося позаду.

посадка рису — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Пересадка рису в Індії (Джерело: G. Bizzarri, FAO)

Діяльність людини сприяла підвищенню метану в нашій атмосфері. Звалища, рисове рисове сільське господарство, системи природного газу та виробництво тваринництва, як видається, є значними учасниками антропогенних джерел метану.

Озон

Озон (O ₃) є корисним і шкідливим для життя на Землі. Значна частина озону в атмосфері знаходиться в стратосфері. Тут озон поглинає ультрафіолетове світло від Сонця, запобігаючи його потраплянню на поверхню. Без цієї ковдри люди піддавалися б серйозному сонячному опіку та потенційному ризику раку шкіри. Озон також знаходиться в найнижчому шарі атмосфери, тропосфері. Тут озон може виступати в ролі подразника очей і дихальних шляхів. Озон також спричиняє пошкодження клітин всередині листя рослин, викликаючи коричневі плями, погіршуючи поглинання вуглекислого газу та порушуючи роботу фотосинтетичного апарату. Така шкода може спричинити економічні втрати через зниження врожайності сільськогосподарських культур. Це також пошкоджує вуглецеву роль рослинності, залишаючи більше вуглекислого газу в атмосфері для посилення парникового ефекту та потенційного глобального потепління.

Вироблені людиною сполуки, такі як хлорфторуглеці та галогеніди, що містять хлор та бром, руйнують озон та порушують крихкий стратосферний озоновий шар над Антарктидою та Арктикою. Виснаження озону над Антарктидою відбувається навесні, коли сонячне світло повертається до Південного полюса, а температура все ще дуже холодна.

Відео: Вивчення озону (люб'язно NASA Explorer)

водяна пара

Водяна пара є надзвичайно важливим газом, що міститься в атмосфері. Він може варіюватися від 4% у парних тропіках до майже неіснуючих у холодних сухих регіонах Антарктики. Водяна пара є хорошим поглиначем вихідного випромінювання Землі і, таким чином, вважається парниковим газом. При перетворенні водяної пари в рідину при конденсації утворюються хмари. Хмари є хорошими поглиначами випромінювання, що виділяється земною поверхнею. Поглинання цієї енергії підвищує температуру повітря. Але хмари, як правило, світлі і, отже, відображають вхідне сонячне випромінювання від їх вершин. Відбите світло направляється назад в космос, ніколи не досягаючи землі, щоб зігріти Землю. Таким чином, хмари можуть мати як зігріваючий, так і охолоджуючий вплив на температуру повітря. Вважалося, що ці ефекти врівноважують один одного, але звіт Національного громадського радіо «Всі речі розглянуті» свідчить про те, що це може бути неправдою, змушуючи кліматологів переосмислити цю проблему.

Тверді частинки та аерозолі

Атмосферні частинки і аерозолі - це дуже дрібні частинки твердого або рідкого зважених в повітрі. Тверді частинки і аерозолі відіграють кілька важливих ролей в атмосферних процесах. Тверді частинки включають пил, бруд, сажу, дим та крихітні частинки забруднюючих речовин. Основними природними джерелами твердих частинок є вулкани, пожежі, видутий вітром грунт і пісок, морська сіль та пилок. Людські джерела, такі як заводи, електростанції, сміттєспалювальні заводи, автотранспортні засоби та будівельна діяльність, також вносять частинки в атмосферу.

аерозольний графік — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Джерела твердих частинок і аерозолів. (Надано Обсерваторія Землі НАСА (Джерело))

Частинки дуже ефективні при зміні енергетичних і вологових балансів земної системи. Частинки розсіюють сонячне світло, зменшуючи кількість і інтенсивність сонячного випромінювання, що досягає поверхні Землі. Найбільш вражаючі світанки та заходи сонця є результатом заломлення світла від частинок в атмосфері. Частинки також будуть відображати сонячне світло назад у простір, ніколи не дозволяючи йому дістатися до поверхні. Зменшення значної кількості вхідної сонячної радіації може призвести до зниження глобальних температур. Виверження гори. ^{Пінатубо в 1991 році спричинив зниження глобальних температур на 0,5° C.} Однак тверді частинки можуть поглинати довгохвильове випромінювання, випромінюване Землею, внаслідок чого атмосфера також нагрівається. Частинки служать ядрами конденсації для води. Для того, щоб вода переходила з газу на рідину, майже завжди потрібно ядро, до якого водяна пара може прикріпитися. Без твердих частинок мало води конденсувалася б, утворюючи хмари та опади.

захід сонця — Малюнок\(\PageIndex{5}\): Захід сонця над Атлантикою (Джерело: NOAA)

Вчені НАСА за допомогою супутникових даних і комп'ютерних моделей виявили, що чорна сажа від неповного згоряння може сприяти змінам морського льоду, снігу та атмосферних температур поблизу Північного полюса. Вони виявили, що терміни і розташування підвищення температури і втрати морського льоду в кінці 20 століття узгоджуються зі значним зростанням вироблених людиною аерозолів. Їх моделі припускають, що третина сажі надходить з Південної Азії, третина - від спалювання біомаси, а решта - з Росії, Європи та Північної Америки. Сажа, що осідає на снігу та морському льоду, зменшує відбивну здатність поверхні, внаслідок чого поглинається більше сонячного світла. Повітряна сажа зігріває арктичну атмосферу і впливає на погодні умови та хмари.

Відео: Зміна клімату та аерозолі

Доктор Джим Хейвуд, науковий співробітник з аерозольних досліджень в Met Office, розповідає про зміни клімату та аерозолі.

Оцініть розуміння попереднього матеріалу за допомогою «Озирнувшись назад: склад атмосфери» або пропустіть та продовжуйте читання

Озираючись назад - Атмосферний склад

Оцініть своє розуміння понять, пов'язаних з цим розділом глави, відповівши на запитання нижче, перш ніж продовжувати цю главу. Натисніть кнопку «Відповідь», щоб виявити правильну відповідь.

Визначте гомосферу та гетеросферу

Відповідь: Гомосфера: Сфера, яка лежить між поверхнею та гетеросферою, де гази рівномірно перемішуються. Гетеросфера: Зовнішня «сфера» атмосфери, де гази розподіляються в різні шари.

Перерахуйте «постійні (постійні)» гази.

Відповідь: азот, кисень, аргон

Який парниковий газ ефективніший при нагріванні атмосфери, вуглекислий газ або метан?

Відповідь: Метан

Які газові фільтри ультрафіолетове світло в стратосфері, вуглекислий газ, озон або метан?

Відповідь: Озон.

Сажа збільшує або зменшує відбивну здатність, що призводить до танення при осіданні на снігу?

Відповідь: Зменшується