Состав атмосферы Земли¶

Атмосфера Земли — газовая оболочка, окружающая планету и удерживаемая её гравитационным полем. Она представляет собой механическую смесь газов, в которой во взвешенном состоянии находятся твёрдые и жидкие частицы, а также водяной пар переменной концентрации. Масса атмосферы составляет около 5,15·10¹⁸ кг, при этом основная её часть сосредоточена в нижних слоях. Состав атмосферы определяет климат, условия для жизни и протекание большинства физических и химических процессов у поверхности планеты.

¶Основные газовые компоненты

Атмосфера имеет относительно постоянный состав в пределах гомосферы — слоя, простирающегося примерно до высоты 100 км. Ниже этой границы интенсивное перемешивание воздуха выравнивает соотношение главных газов.

Азот и кислород в сумме дают около 99 % объёма сухого воздуха. Азот химически малоактивен и выполняет роль инертного разбавителя; кислород обеспечивает дыхание живых организмов и процессы горения. Аргон — инертный газ, накапливающийся в атмосфере в результате радиоактивного распада калия-40 в земной коре.

¶Переменные компоненты

Ряд газов присутствует в атмосфере в изменчивых количествах, зависящих от времени, места и природных или антропогенных факторов.

• Водяной пар (H₂O) — наиболее изменчивый компонент. Его объёмная доля колеблется от 0,2 % в полярных областях до 2,5 % в тропиках у поверхности. Пар переносит скрытую теплоту, участвует в образовании облаков и осадков.
• Углекислый газ (CO₂) — влияет на парниковый эффект. Его концентрация выросла с примерно 280 ppm в доиндустриальную эпоху до более чем 420 ppm в 2020-х годах вследствие сжигания ископаемого топлива.
• Озон (O₃) — содержится главным образом в стратосфере, где образует озоновый слой, поглощающий жёсткое ультрафиолетовое излучение. У поверхности озон является загрязнителем.
• Метан, оксиды азота, оксид углерода, диоксид серы — примеси как естественного, так и техногенного происхождения.

¶Аэрозоли и твёрдые частицы

Помимо газов, в атмосфере присутствуют аэрозоли — взвешенные твёрдые и жидкие частицы размером от нескольких нанометров до десятков микрометров. К ним относятся пыль, пыльца растений, морская соль, вулканический пепел, продукты горения и промышленных выбросов. Аэрозоли служат ядрами конденсации для водяного пара и влияют на радиационный баланс, отражая и поглощая солнечное излучение.

¶Изменение состава с высотой

Выше 100 км начинается гетеросфера, где гравитационное разделение газов становится заметным: лёгкие газы (водород, гелий) преобладают на больших высотах. В верхней атмосфере под действием ультрафиолета и космических лучей молекулы диссоциируют на атомы, образуя атомарный кислород и ионизированные слои — ионосферу.

¶Историческое формирование

Первичная атмосфера Земли, возникшая при формировании планеты, состояла преимущественно из водорода и гелия и была потеряна из-за слабой гравитации и солнечного ветра. Вторичная атмосфера образовалась при дегазации недр и вулканической активности и содержала водяной пар, CO₂, аммиак и метан. Кислород появился значительно позже — около 2,4 млрд лет назад — в результате фотосинтеза цианобактерий, что привело к так называемой кислородной катастрофе и изменению состава до современного соотношения.

¶Значение состава

Состав атмосферы определяет возможность существования жизни: наличие кислорода обеспечивает аэробное дыхание, озоновый слой защищает биосферу от ультрафиолета, а парниковые газы поддерживают среднюю температуру поверхности около 15 °C вместо −18 °C при их отсутствии. Изменение концентрации малых газовых примесей под влиянием человеческой деятельности является предметом изучения климатологии и основой международных соглашений об ограничении выбросов.

¶Методы изучения

Состав атмосферы исследуют с помощью наземных станций мониторинга, аэрологических зондов, самолётных и спутниковых измерений, а также анализа пузырьков воздуха в ледяных кернах, позволяющего восстановить состав древней атмосферы. В России наблюдения ведутся сетью гидрометеорологических станций Росгидромета.

Источники: Хргиан А. Х. «Физика атмосферы»; Матвеев Л. Т. «Курс общей метеорологии»; данные Всемирной метеорологической организации; материалы Росгидромета.