Дәріс № 8

Тақырыбы: Атмосфера. Атмосфера құрылымы. Атмосфераның химиялық құрамы. Дәрістің мақсаты: Атмосфера құрылымы, атмосфераның химиялық құрамымен таныстыру.

Жоспары:

1. Атмосфера құрылымы.

2. Атмосфераның химиялық құрамы.

Атмосфера- әртүрлі газдардың қоспасынан, су буларынан және шаңнан тұратын, планетаның газ тәрізді қабығы. Жердің космоспен зат алмасу атмосфера арқылы жүзеге асады. Жер космостық шаң мен метеориттік материалды алып, ең жеңіл газдарды сутек пен гелийді жоғалтады.

Атмосфераның маңызды компонентінің біріне озон О₃ жатады. Оның түзілуі мен ыдырауы күннің ультракүлгін сәулелерімен сіңіруіне байланысты. Озон Жердің инфрақызыл сәулелерінің 20% ұстап қалады және ауаның жылыту әсерін күшейтеді. Озон қабатын 122-124км. биіктікте орналасады «озон экраны» деп атайды.

Атмосфералық ауа төмендегідей күрделі экологиялық функцияларды атқарады:

• Жердің жылулық режимін реттейді, жылудың жер бетіне тегіс таралуын қамтамасыз етеді;

• Газ қабаты, жердің шамадан тыс қызып суынуынан сақтайды. Соның арқасында жер бетінде суықтан ыстыққа шұғыл ауысу болмайды. Егерде жер ауа қабатымен қоршалмаса, онда күнделікті температураның тербелу амплитудасы 200⁰С болушы еді. Бүгінгі күні жердің орташа температурасы 15⁰С;

• Жер бетінде тіршілік ететін барлық организмдерді рентген, ультракүлгін және басқа сәулелерден қорғап тұрады. Атмосфераның жоғары қабаттарында бұл сәулелердің бір бөлігін ыдыратып сіңіреді;

• Бізді жұлдыздардан сынып түскен бөлшектерден қорғайды, жердің тартылыс күшімен жерге қарай құлайтын метеориттер ауамен жанасып бөлшектеніп, көп бөлігінің атмосферада жанып кетуіне үлес қосады;

• Жердің жарық режимін анықтайды, күн сәулесін миллиондаған ұсақ сәулелерге шашыратып, жер бетіне бірқалыпты таратады. Нәтижесінде, Адамдар өмір сүре алатын қалыпты жарық түзіледі;

• Ауа қабатының болуы аспанға көгілдір түс береді. Ауа құрамындағы негізгі элементтердің молекулалары қысқа толқынды сәулелерде таралады. Олар күлгін, көк, көгілдір сәулелер;

• Дыбыстың таралу ортасы болып табылады. Ауа қабаты болмаған жағдайда жер бетінде тыныштық орнаушы еді;

• Өздігінен тазару қабілеті бар. Атмосферадағы аэрозольдар жауын-шашын ретінде, жер бетіндегі ауа қабатында турбулентті ауысу нәтижесінде ластанған заттар жер бетіне жиналады.

Атмосфераның құрылысы бірнеше қабат құрлымынан тұрып, тропосфера, стратосфера, мезосфера және термосферадан тұрады. 1000 км және одан әрі қарай экзосфера болып онда атмосфералық газдар әлем кеңістігіне таралады. Осы қабатта бірте-бірте планета аралық кеңістікке ауысады.

Атмосфераның Жер бетіне ең жақын қабаты тропосфера. Бұл қабаттың орта ендікте теңіз деңгейінен биіктігі 10-12 км, экваторда 16-18 км, полюстерде 7-10 км. Осы қабатта жауын-шашын, бұлттар түзіліп, найзағайлар, күн-күркіреуі жүреді. Тропосфераның жоғарғы жағында 40 км созылған стратосфера қабаты орналасқан. Онда ылғалдылық біршама төмен, атмосферадағы озонның көп бөлігі осы қабатта жинақталған, озон-күннің ультракүлгін сәулелерін сіңіріп, атмосфераны қызып кетуден сақтайды.

Стратосферадан кейін 50 км биіктікте мезосфера қабаты орналасқан. Мұнда температура төмендеп 80 км биіктікте 70⁰C-қа түседі Мезосферадан жоғары термосфера орналасқан. Температура +1600⁰C жетеді.

Тропосфера– атмосфераның төменгі негізгі қабаты. Жер бетінен биіктігі полюстерде 8-10километр, қоңыржай ендіктерде 10-12 километр, экватор тұсында 16-18 километр. Бүкіл атмосфера ауасының 4/5 бөлігі, су буының көпшіідгі осында шоғырланған. Тропосферада бұлт пайда болады, циклондар, антициклондар тұрады. Грекше тропос – бұрылыс деген мағына береді. Троспосферада ауа әрқашанда алмасып тұрады. Бұнда су буының конденсациясы, тұман және бұлттар, жаңбыр, қар, найзағай, борандар осында қалыптасады. Одан кейін тропосфера мен стратосфераның арасындағы қалыңдығы 2 километрдей өтпелі қабат “тропопауза” орналасқан.

Стратосфера – тропосферадан да биіктікте орналасқан атмосфераның қабаты ( лат.“стратум” – қабат). Ол 10-15 километрде басталып, 80 километрге дейін жетеді. Оның төменгі шекарасындағы температура – 55⁰ С. 1951 жылы халықаралық келісімге сәйкес 40 километрге дейінгі биіктікті стратосфера деп, ал 40-80 километр биіктікті мезосфера деп атау қабылданған. Стратосферада атмосфераның 20% ауасы бар. 200 километрге дейін температурасы 70⁰ С болады да, 55 километрден жоғары температура жоғарылайды. Бақылаушы адамаға стратосферадағы аспан түсі көгілдір емес, ол қою көгілдір болып көрінеді. Себебі, бұнда ылғал мүлдем болмағандықтан, күн сәулелері шағылыспайды. Кейде бірен – саран күміс сияқты бұлттар қалыптасады.

Стратосферадан кейін озоносфера қабаты таралады. Озон қабаты (гр. “озон”- иісті ). Күннің ультракүлгін радияцияларының жолындағы қорғаныш кедергі болып табылады. Жер атмосфераның қалыңдығы 8 километрдей болса, озон қабатының қалыңдығы небары 3 миллиметр. Ол оттегінің 3 атомынан тұрады. Ол жердегі тіршілік үшін өте маңызды. Себебі, ультра күлгін сәулемен сәулеленудің зардабы мутацияға әкеп соғады, бұдан терінің ракпен ауруы артады. Сондықтан озон қабатын сақтау проблемасы ғылыми саладан саясат пен экономиканың проблемасына айналып отыр. Ол Күн сәулесінің тура түспеуіне кедергі жасайды да, Жер бетінде тіршіліктің болуына жол береді. О₂ немесе оттегінің 3 атомдық молекуласын біз озон газы деп білеміз. Қазір озон қабатының жағдайы үлкен алаңдатушылық туғызуда. Себебі, соңғы зерттеулердің нәтижелері бойынша озон қабатында уақыт және кеңістік бойынша үлкен ауытқулар байқалуда. Поляр аймақтарында Антарктида тұсында “озон тесігі” байқалған. Оның орналасу көлемі өзгеріп отырады; Бақылаулар бойынша озон молекулаларын бұзатын ұшақтардан бөлінетін азот тотықтары, антропогенді фреон (мұздатқыштарда, парфюмерия өнеркәсіптерінде қолданады), вулкан атқылағандағы хлорлы, көмірсутекті қоспалар. Негізінен атмосферада иондар әрекеті болады. Атмосферада үнемі электрлі зарядталған молекулалар пайда болып отырады. Оларды жеңіл иондар дейді. Иондар атмосферадағы аэрозольдерге қосылып, жиналып әрі күшейіп ( ауыр иондар пайда болады), атмосфераға электр өткізгіштік қасиет береді. Төменгі атмосферада 1 см³ ауада бірнеше жүз жеңіл иондар, бірнеше мың ауыр иондар болады. Биіктік өскен сайын, әсіресе 80-100 километрден жоғары қарай, ион мөлшері 1 см³ миллионға дейін өседі.

Мезосфера – атмосфераның үшінші қабаты. Ол 50 –60 километрден 80-90 километрге дейінгі биіктікке созылады. Сонымен атмосфераның аралық қабаты болып табылады. Оны кейде стратопауза деп атайды. 75-85 километр биіктікте температура мезосферада төмендеп, одан кейін шұғыл көтеріле бастайды.

Атмосфераның төртінші қабаты термосфера деп аталады. Ол 80-90 километрден 800 километрге дейін созылады. Бұнда температура бірнеше жүзднген тіпті 1000⁰ С –қа дейін жетеді. Биосферада ол қорғаныш қызметін ғана атқарады. Рентген жарықтарын жұтып күн системасының зиянды әрекетінен жер шарын қорғайды.

1000 километрден жоғары сыртқы атмосфера басталады немесе оны экзосфера деп атайды. Ол 2000-3000 километрге дейін созылады.Атмосфера құрамы бойынша мына қабаттарға бөлінеді: гомосфера және гетеросфера. Гомосфера – жер бетінен 100 километр биіктікке дейін орналасқан. Мұнда атмосфералық газдардың %-тік құрамы бірыңғай, ауаның молекулярлық массасы өзгермейді. Гетеросфера – 100 километрден жоғары қарай орналасқан атмосфераның қабаты. Мұнда О₂ мен N атомды жағдайда, ауаның %-тік құрамы өзгере бастайды және ауаның молекурлярлық массасы кеми береді. Газдар тығыздығы бойынша қабаттарға бөліне бастайды. Шамамен 200 километр биіктікке дейін атмосфера құрамында N басымдылығы сақталады, одан жоғары қарай атомды жағдайдағы О₂ басым. Ал 1000 километр жоғары қарай – атмосфера зарядталған гелий, сутек атомдарынан тұрады. Жер бетімен әсерлесуі бойынша атмосфера :

1. Шекаралық қабат– биіктігі жер бетінен 1-1,5 километрге дейін таралған ауа қабаты;

2. Еркін атмосфера – шекаралық қабаттан жоғары қарай орналасқан қабат.

Жердің жасанды серіктері(ЖЖС) мен ғарыштық кемелердің ұшу жағдайлары бойынша атмосфера:

1. Нағыз атмосфера (тығыз қабат)

2. Жер маңындағы ғарыштық кеңістік.

2. Атмосфераның химиялық құрамы.

Атмосфераның химиялық құрамы 90 км биіктікке дейін тұрақты. Күннің ультракүлгін сәулелерінің әсерінен 90 км-ден жоғары жатқан атмосфера қабаттарында бұл тұрақтылық бұзылады, осыған орай оның химиялық құрамы да тұрақсызданады.

Жер бетіне жақын орналасқан ауаның құрамы күрделі. 400-600 км биіктікке дейінгі атмосфераның құрамы 1-кестеде келтірілген көрсеткіштерімен сипатталады.

1-кесте. Атмосфераның төменгі қабатының құрамы

Атмосфераның төменгі қабатындағы компонент	Мөлшері		Атмосфераның төменгі қабатындағы компонент	Мөлшері
	Масса- лық, %	Көлем- дік, %		Масса- лық, %	Көлем- дік, %
Азот	75,52	78,09	Азот оксиді	2,5∙10^-3	2,5∙10^-4
Оттек	23,15	20,94	Сутек	3,5∙10^-6	5∙10^-5
Аргон	1,28	0,93	Метан	0,8∙10^-4	1,5∙10^-4
Көміртек диоксиді	0,046	0,033	Азоттың диоксиді	8∙10^-5	1,5∙10^-4
Неон	1,2∙10^-3	1,8∙10^-3	Озон	10^-6-10^-5	2∙10^-6
Гелий	7,2∙10^-5	5,2∙10^-4	Күкірт диоксиді		2∙10^-8
Криптон	3,3∙10^-4	1∙10^-4	Көміртек оксиді		1∙10^-5
Ксенон	3,9∙10^-5	8∙10^-6	Аммиак		1∙10^-6

Атмосфераның негізгі құрамына азот, оттек, аргон және көмір қышқыл газы жатады. Аргоннан басқа инертті газдар өте аз мөлшерде кездеседі.

Атмосфераның маңызды компоненттерінің бірі-озон. Оның түзілуі және ыдырауы бүкіл тірі организмдерге зиянды әсер ететін Күннің ультракүлгін сәулелерінің сіңірілуіне байланысты.

Космонавтар жүргізген зерттеулер нәтижелеріне сүйінсек, 250-300 км биіктікте атмосфераның негізгі компоненті- атомарлық оттек, 500-600 км-ден жоғары биіктікте атмосфераның негізгі құрамы- гелий мен суттек, ал атмосфераның ең сыртқы жоғарғы қабатын(1600 км жоғары) құрушы компонент – атомарлық сутек.

Ауаны көп компоненттен тұратын газды ерітінді деп айтуға болады. Оның құрамдық бөлімдерін негізгі үш топқа бөлуге болады: тұрақты, өзгеріп тұратын және қосалқы. Біріншіге оттек (21,0%), азот (78,01%) және инертті газдар (шамамен 1%) жатады. Ауа сынамасын қай жерден алсақ та осы газдардың атмосферадағы көлемі тұрақты болып келеді. Жалпы молекулалық массасы- 28,98. Екінші топқа көмір қышқыл газы (0,02-0,04%) мен су буы (4%-ке дейін) жатады. Ал қосалқы компоненттердің табиғаты және мөлшері сынама алынған жердің жағдайына байланысты келеді. Мысалы, оларға жер бетінен көтерілетін космостан түсетін қатты бөлшектер, сондай-ақ, әртүрлі өсімдіктер, жәндіктер мен микроорганизмдер жатады. Сонымен қатар ауада радиоактивті сәулелердің және космос сәулелерінің әсерінен түзілетін табиғаты әр түрлі иондар. Атмосфераның жоғарғы сиреген кең атырабы көбінесе иондардан тұрады.

Атмосфераның озон мен иондардан тұратын қабаттары космостық және рентген сәулелерінің әсерін төмендетеді, ультракүлгін, инфрақызыл сәулелердің және т.б. төменгі ауа қабатына өтуін шектейді.

Табиғаттың негізгі биогеохимиялық циклдеріне қатысатын атмосфераның ең маңызды газды компонентері болып үш рет газ оттек , көмір қышқыл газы және азот саналады.

Оттек адамзатқа және жан-жануарға, былайша айтқанда, тіршілікке қажетті заттегі. Себебі бұл газ олардың бәрінің дем алуын қажет заттегі. Себебі бұл газ олардың бәрінің дем алуына қажет. Мысалы, тамақсыз адам 5 аптаға, сусыз 5 күнге дейін өмір сүре алады, ал ауасыз 4-5 минут қана. Адам тәулігіне 23-24 л ауаны пайдаланады.

Организмде жүретін барлық биохимиялық тотығу процестеріне ауаның сыртқы салмағын аңғармаймыз, өзімізді жеңіл ұстаймыз, егерде организмде ол жетіспесе, сонда ғана сезе бастаймыз, мысалы, судың астында немесе таудың биігінде. Ауаның ежептәуір салмағы бар екені жоғарыда тоқталғанбыз. Орта есеппен адам денесіне түсетін салмақ 1471000 H немесе 15 тонна. Ауаның салмағы тығыздықпен қатар температураға байланысты келеді. Мысалы, 760 мм тығыздықта 1 м³

құрғақ салмағы -25°С 1424 кг

0°С 1293 кг

20°С 1205 кг

225°С 708 кг

сұйық ауаныкі -192°С (қайнау температурасы)-960 кг.

Атмосфера арқылы біз әртүрлі дыбыстарды естиміз. Атмосфера болмаса біз сөйлей де алмас едік, құстардың әнін де, желдің дыбысын да естімес едік.

Атмосферадан алынып жұмсалған оттектің мөлшері фотосинтез процесінің нәтижесінде толықтырылып отырылады, табиғаттағы тепе-теңдікдің бұзылмауы осыған байланысты. Жылына фотосинтез арқылы 170 млрд тонна оттекке айналып отырады. Ауадағы оттектің 40%-ын жер бетіндегі өсімдіктер, ал 60%-ын гидросферадағы планктондар толықтырады. Кейінгі кездегі ормандар көлемінің еүрт қысқарылуы, шөлейт жерлердің көбеюі және мұхиттардың, теңіздердің, көлдер мен өзендердің ластануы оттекті түзетін өсімдіктердің кемуіне, яғни оттек қорының азаюына әкеліп соғады.

Атмосферадағы оттектің мөлшері азайған сайын көмір қышқыл газының мөлшері артып отырады. Соңғы 100 жылда атмосферадағы бұл газдың көлемі 20-25%-ға жоғарлады, яғни қазір атмосфераның құрамында 0,03-0,04% көмір қышқыл газы болса, 2030 жылы оның мөлшері 0,05-0,07% -ға көтерілуі мүмкін. Көмір қышқылының мөлшері 0,07% дан асатын болса, адам организімінің дем алу қабілеті күрт төмендеп, қауіпті жағдайға ұшырайды.

Атмосферадағы көмір қышқыл газының біршама көбеюі өсімдіктердің өнуіне қолайлы әсер келтіреді. Көшетхана ауасында оның мөлшері жоғарланған сайын фотосинтез процесінің жүруі жақсарып, көкөніс өнімділігі артады. Бірқатар елдерде(Англия, Швеция, Германия, және т.б.) лаборатория жағдайында жүргізілген зерттеулер нәтижесінде көміртек диоксидінің концентрациясы жоғары болған кезде өсімдіктер жапырағы бетінің, өсімдік биомассаның, сондай-ақ түсімділіктің артатынын көрсетті. Мысалы, көмір қышқыл газының концентрациясын екі есе көбейткенде мақтаға қатысты өнімділіктің арту көрсеткіші 124 % -ға дейін , ал ұқызанақ пен баклажандыкі -40 %, бидай, күріш және күнбағызтың түсімі 20% көтерілді. Бірақ-та, жалпы атмосферадағы көмір қышқыл газының және басқа антропогендік қоспалардың (метан, озон, азот оксиді, фреон) когцентрациялары артатын болса, табиғаттағы күрделі құбылыстардың бірі «көщетхана эффектісінің » орын алуына әкеп соғады.

Ластану нәтижесінде пайда болған көмір қышқыл газы шоғырланған қабат жерге бағытталған қысқа толқынды күн радияциясын өткізгіш келеді, ал жер бетінің шығарған ұзын толқвынды жылу сәулесін жоғары қарай өткізбейді, осыған байланысты космос кеңістігіне өтетін жер жылуының мөлшері азайып, ол ауаның төменгі қабатында ұсталып жердің температурасын жоғарылатады.

Ауада көміртек диоксиді негізінен қазба отынды(көмір, мұнай, табиғи газ) жағудан қорланады. Көміртек диоксиді ең көп шығаратын елдерде АҚШ (22% шамасында), Ресей (шамамен 16%), Қытай (11%-дың үстінде).

Көшетхана эффектісінің әсерінен жер бетінің температурасы қазіргімен салыстырғанда (планетаның орта температурасы 15,5°С) 2030 ж. 2,5°С жоғарлауы мүмкін.

Атмосфераның төменгі қабатындағы температураның жоғарлауы Антрактида мен Гренландия мұздықтарының еруіне, Әлемдік мұхит деңгейінің көтерілуіне және де құрлықтың ойпат жерлерін судың басып кетуіне, тектониялық процесстердің күшеюіне, ауа райының өзгеруіне әкеп соғады. Бұл жағдай дүние жүзінің көптеген елдерінде күрделі экологиялық проблемаларға себеп болып, бірқатар апатты жағдайларға соқтыруы мүмкін. Сондықтан ЮНЕСКО, ФАО, ЮНЕП бойынша ғаламдық жылыну құбылыстарына жол бермеу тұрғысында жан-жақты зерттеулер жүргізілуде.

Атмоферадағы оттектің белгілі бір мөлшері күннің ультракүлгін сәулесінің әсерінен озонға айналып отыратыны белгілі. Озон стратосфераның жоғарғы бөлігінде щоғырланып (22-24 км биіктікте), қалыңдығы 2-4 мм болатын қабат түзеді. Осы қабат биосфераның жоғарғы шекпрасы болып есептелінеді. Озон қабатынан жоғары орналасқан атмосфера қабаттарында тіршілік нышаны кездеспейді. Жер бетіндегі барлық организмдердің тіршілігіне қауіпті күннің ультракүлгін сәулелерін сіңіріп отыратынына байланысты озон қабатын «қорғаныш қабаты» немесе «озон қалқасы» деп те атайды.

1980 жылдың басында Антрактидадағы ғылыми жұмыстарға негізделген станцияларда жүргізілген зерттеулерден атмосферадағы озон құрамының төмендегені байқалған. Осы құбылыс «озон тесігі » деген атауды алған. 1981 жылы көктемде Антрактиданың үстіндегі озон тесігі барысынша үлкейіп, оның ауданы шамамен 7 млн. км^2-ді (ғарыштық түсіру бойынша) құрады.

Озон қабатында басталған бұзылу процестеріне себеп болып отырған шығарындыларға мұздатқыштардан бөлінетін фреондар мен космостық аппараттар және ұшақтардың органикалық отынының толық жанбаған өнімдері және ядролық сынақтарда бөлінген заттектер жатады. Осы заттектер атмосфераның жоғарғы қабаттарына көтерілгенде қарқынды түрде озонды бұзатын хлор немесе басқа галогендердің атомын түзетін фотохимиялық ыдырауға ұшырайды, ал олар әрі қарай озонның оттекке айналу процесін катализдейді.

Стратосферадағы фотохимиялық ыдырау радикалдық механизмен жүзеге асады:

СFCI₃ → CFCI₂ + CI CFCI₂ → CFCI₂ + CI

CI + O₂→CIO + O₂ немесе СIO + O → CI + O₂

O₃ + O → 2O₂

Фреондар атмосферада ыдырамай 70-100 жыл бола береді. Озон мен оттек реакцияға түскенде хлор атомы катализатордың рөлін атқарады. Хлордың әр атомы 100 мың озон атомын ыдыратуы мүмкін. Дүние жүзі бойынша шамамен 1,3 млн. т озон ыдыратушы заттектер алынып отырған. Оның көлемінің 35%-ын АҚШ, 40% Еуропа елдері, 10-12% Жапония, 7-10% Ресей өндіреді.

Атмосфераны сарқылмайтын азот қоры деп те айтуға болады. Азот айырбастауға жатпайтын биогенді элемент, себебі ол ақуыз бен нуклеин қышқылдарының құрамына кіреді. Бірақта, тірі организидер атмосферадағы азотты өзінің тіршілігіне бос күйінде емес, тек әртүрлі қосылыс түрінде ғана пайдалана алады. Экожүйе атмосфералық азотты көбінесе найзағай кезінде электр өрісінің әсерінен түзілетін оксид түрінде қабылдайды.

Сулы ортада немесе топырақта болатын кейбір бактериялар түрі мен көкшіл –жасыл балдырлар атмосфераның азотын өз бойына сіңіру арқылы жинақтап биогеохимиялық циклдарға қажетті түрге айналдырыпотырады. Осымен қатар өсімдіктерге қажетті азот қомылыстары топырақтағы оргагикалық қалдықтардың ыдырауынан пайда болды. Табиғаттағы азот алмасу процесі көміртек алмасу процесімен тығыз байланысты.

Өнеркәсіпте және көлікте жанған кезде түзілетін азот оксидтері (N₂O, NO, NO₂) атмосфераны ластайтын қауіпті көздерінің бірі. Күн сәулесінің әсерінен олар күрделі химиялық реакцияға қатысып, нәтижесінде уытты фотооксиданттар (озон, азот қышқылы) түзілуіне әкеп қосады. Атмосферада азот оксидтерінің, фотооксиданттардың концентрациясы жоғары болған кезде адам улануы мүмкін.

Соның салдарынан өкпесі ісінеді, сімейлі қабығында жара пайда болды, басы ауырады, ұйқысы қашады. Құрамының азотты бар зиянды шығарындылардың мөлшерін іштен жанатын қозғалтқыштар шығаратын газды жағу үшін катализатор қолданып, ал өнеркәсіпте кәсіпорындардың түтін шығаратын құбырларында азотсыздыратын қондырғыларды орнату арқылы азайтуға болады.

Ауадағы зиянды заттектердің мөлшері олардың турбулентті ағыспен шашырауына, жауын-шашынға немесе гравитациялық күш арқылы төмен түсуіне байланысты. Атмосфераның ластануыны мен негізгі биогенді элементтер айналымы арасында анық байланыс бар.