Воздух — газовая смесь атмосферы¶
Воздух — газовая смесь, окружающая Землю и образующая основную часть атмосферы. При нормальных условиях (0 °C, 101,325 кПа) воздух представляет собой прозрачную, бесцветную и безвкусную смесь газов, плотность которой составляет около 1,293 кг/м³. Воздух является средой дыхания для большинства живых организмов, участником множества химических реакций и важнейшим компонентом природных процессов — от круговорота воды до горения топлива.
¶Химический состав
Основные компоненты воздуха приведены в таблице:
| Компонент | Объёмная доля | Молярная масса |
|---|---|---|
| Азот (N₂) | 78,08 % | 28,0134 г/моль |
| Кислород (O₂) | 20,95 % | 31,9988 г/моль |
| Аргон (Ar) | 0,93 % | 39,948 г/моль |
| Углекислый газ (CO₂) | 0,042 % (≈420 ppm) | 44,0095 г/моль |
| Неон (Ne) | 18,18 ppm | 20,1797 г/моль |
| Гелий (He) | 5,24 ppm | 4,0026 г/моль |
| Метан (CH₄) | 1,87 ppm | 16,0425 г/моль |
| Криптон (Kr) | 1,14 ppm | 83,798 г/моль |
| Водород (H₂) | 0,55 ppm | 2,0159 г/моль |
| Ксенон (Xe) | 0,087 ppm | 131,293 г/моль |
Кроме перечисленных компонентов, воздух содержит переменное количество водяного пара (от 0 до 4 % объёма), а также примеси: аэрозоли, пыль, пыльцу, споры микроорганизмов, диоксид серы, оксиды азота, озон и другие вещества. Содержание CO₂ и водяного пара в атмосфере меняется со временем и географически, что напрямую влияет на парниковый эффект и климат.
¶Физические свойства
Воздух как смесь газов подчиняется основным газовым законам. При 0 °C и давлении 760 мм рт. ст. его плотность равна 1,293 кг/м³, при 20 °C — 1,204 кг/м³. Молярная масса сухого воздуха — около 28,97 г/моль. Воздух хорошо сжимается, его удельная теплоёмкость при постоянном давлении составляет 1,005 кДж/(кг·К), при постоянном объёме — 0,718 кДж/(кг·К). Коэффициент адиабаты для сухого воздуха — 1,4, что соответствует двухатомным газам.
Важной характеристикой является влажность воздуха. Абсолютная влажность — масса водяного пара в единице объёма; относительная влажность — отношение фактического давления пара к давлению насыщенного пара при данной температуре. При достижении 100 % относительной влажности происходит конденсация пара — образуются туман, облака, роса.
Воздух преломляет свет, создаёт мерцание звёзд (обусловлено турбулентностью атмосферы), рассеивает солнечное излучение, окрашивая небо в голубой цвет (эффект Рэлея). Звук в воздухе при 20 °C распространяется со скоростью около 343 м/с.
¶Структура атмосферы
Воздух распределён по слоям атмосферы, свойства которой меняются с высотой:
- Тропосфера (0–12 км в средних широтах) — содержит около 80 % массы атмосферы и практически весь водяной пар; здесь формируется погода.
- Стратосфера (12–50 км) — расположен озоновый слой, поглощающий ультрафиолетовое излучение.
- Мезосфера (50–85 км) — температура падает до −90 °C; здесь сгорают метеорные тела.
- Термосфера (85–800 км) — температура растёт до 1500–2000 °C из-за поглощения жёсткого излучения Солнца; здесь находятся ионосфера и большая часть искусственных спутников.
- Экзосфера (выше 800 км) — постепенный переход в межпланетное пространство.
С повышением высоты давление и плотность воздуха экспоненциально убывают. На высоте около 20 км давление падает примерно в 40 раз, на высоте 50 км — в тысячу раз.
¶Роль в природе и жизни человека
Воздух обеспечивает дыхание животных и растений: кислород используется в аэробном дыхании, а углекислый газ — в фотосинтезе. Вместе с водой и почвой воздух образует биосферу. Круговорот воды в атмосфере переносит влагу от океанов к континентам, формируя осадки.
Воздух участвует в горении — окислительных реакциях, при которых кислород связывается с горючими веществами, выделяя тепло. Без свободного доступа воздуха горение прекращается, что лежит в основе работы огнетушителей и способов тушения пожаров.
Для человека воздух имеет и техническое значение: сжатый воздух применяется в пневмоинструментах, транспорте (пневмоподвеска, тормоза), горнодобыче, медицине (кислородные концентраторы, барокамеры). В промышленности воздух служит сырьём для получения азота и кислорода методом криогенной дистилляции.
¶Загрязнение воздуха
Загрязнение атмосферного воздуха — одна из ключевых экологических проблем. Основные источники загрязнений: промышленные предприятия, теплоэнергетика, автотранспорт, сельское хозяйство. К вредным примесям относятся диоксид серы, оксиды азота, мелкодисперсные частицы PM2.5 и PM10, озон в приземном слое, тяжёлые металлы, бензапирен.
В России мониторинг качества атмосферного воздуха осуществляется в рамках государственной системы наблюдений; в ряде городов действуют программы «Чистый воздух», направленные на снижение выбросов. Загрязнение воздуха связано с ростом заболеваемости дыхательных путей, сердечно-сосудистых болезней и преждевременной смертности, по данным Всемирной организации здравоохранения.
¶История изучения
На протяжении долгого времени воздух считался одним из четырёх классических стихий. В 1643 году итальянский учёный Эванджелиста Торричелли показал, что воздух имеет вес, создав первый барометр. В 1662 году Роберт Бойль установил закон обратной пропорциональности давления и объёма газа. В 1774 году Йозеф Пристли и независимо от него Вильгельм Шееле выделили из воздуха кислород, названный Франсуа Лавуазье «кислородом» (от греч. «образующий кислоты»). В 1756 году шотландский химик Джозеф Блэк ввёл понятие «углекислого газа». Антуан Лавуазье впервые дал точный количественный состав воздуха, определив соотношение азота и кислорода.
История изучения атмосферы