Тема 2. ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АТМОСФЕРЕ

Лекция 2

План лекции

1.Состав и строение атмосферы.

2.Способы выражения концентраций компонентов в газовых смесях (атмосфере).

3.Тропосфера.

1. Состав и строение атмосферы

Атмосфера — газообразная оболочка планеты, состоящая из различных

газов, водяных паров и пыли. Компонентный состав атмосферы в целом представлен в табл. 1.

Таблица 1. Компонентный состав атмосферы

Квазипостоянные	Концентрация,	Активные примеси	Концентрация,
компоненты	об. %	(микрокомпоненты)	об. %
Азот	78	Вода	0–7
Кислород	21	Диоксид углерода	0,01–0,1
Водород	0,5 · 10−4	Озон	1 · 10−4
Аргон	0,93	Диоксид серы	1 · 10−4
Неон, ксенон, криптон	2,5 · 10−3	Метан	1,6 · 10−4

Земную атмосферу условно можно разделить на четыре основных слоя: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу

Тропосфера — ближайший к поверхности земли слой атмосферы. Толщина его неодинакова: над экватором — 16–18 км, над полюсами — 7–9 км. С высотой происходит понижение температуры в среднем на 6,5 °С/км.

Стратосфера достигает высоты 50–60 км. Характерной особенностью является повышение температуры на 1–2 градуса на каждый километр. Разогревание происходит вследствие взаимодействия озона с ультрафиолетом.

Мезосфера простирается от 50 до 85 км. В пределах этого слоя происходит понижение температуры с градиентом около 2,5 °С.

Термосфера достигает высоты 500 км.

Температурные характеристики слоев представлены в табл. 2.

Таблица 2. Характеристика слоев

	Слой	Тн, °С*	Тв, °С**	Градиент	Высота, км
				температур, °С
	Тропосфера	15	–56	–6,45	0–11
	Стратосфера	–56	–2	+1,38	11–50
	Мезосфера	–2	–92	–2,56	50–85
	Термосфера	–92	1200	+3,11	85–500

*Тн — температура на нижней границе слоя.

**Тв — температура на верхней границе слоя.

10

Верхние слои атмосферы отличаются высоким содержанием атмосферных ионов и свободных электронов, поэтому ее называют ионосферой. Причина повышения ионизации воздуха в ионосфере — разложение молекул газов атмосферы под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения. Ионосфера оказывает большое влияние на распространение радиоволн.

В нижних слоях заключено 95 % массы атмосферы, и именно в этих слоях протекают самые интенсивные физико-химические процессы — гидродинамические, тепловые, электромагнитные, химические, фотохимические. Концентрация и, соответственно, давление газов с возрастанием высоты уменьшаются.

Распределение давления (РH) по высоте Н описывается барометрической формулой

РH = P0ехр(−ρ0gH/P0),

(1)

где P0, ρ0 — соответственно давление и плотность на высоте уровня моря (Н = 0 км); g — ускорение силы тяжести.

Из формулы (1) следует, что давление с высотой уменьшается очень быстро. На высоте 5,8 км давление составляет всего 50 % от давления на уровне моря. Аналогичным образом уменьшается парциальное давление всех компонентов газовой смеси атмосферы, что следует учитывать при расчетах концентрации загрязняющих примесей в атмосфере:

nH = n0exp(−mg/kT),

где nH — концентрация компонента атмосферы на высоте Н; n0 — концентрация компонента на высоте Н0; m — масса молекулы; g — ускорение силы тяжести; k — постоянная Больцмана; Т — температура, К.

Атмосфера — очень подвижная динамическая система, которая находится в неравновесном состоянии. Поскольку все системы стремятся к равновесию, то атмосфера постепенно рассеивается в космическом пространстве, поэтому все планеты, в том числе и Земля, постепенно теряют свою атмосферу. Чем меньше планета, тем быстрее из атмосферы вылетают молекулы, скорость которых превышает вторую космическую скорость.

Любое загрязнение распространяется на большие расстояния. В горизонтальном направлении перемешивание осуществляется благодаря вращению Земли. Вертикальное перемешивание является результатом нагревания поверхности Земли и конвективных потоков. Нижний слой атмосферы — тропосфера

— очень хорошо перемешивается вследствие конвекции. Итак, основные характерные особенности атмосферы:

1.Максимальные концентрация и давление наблюдаются на высоте уровня моря.

2.С повышением высоты происходит уменьшение давления как атмосферы в целом, так и парциального давления отдельных компонентов, а также снижение температуры.

3.Перемешивание атмосферы происходит как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении.

11