АТМОСФЕРА

ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ

Ц то такое воздух? Из чего он состоит?

* В древности воздух считали одним из элемен­тов, т. е. тех простых веществ, из которых состоят все окружающие нас тела. Древнегреческий ученый Анакси-

2 М. В Беляков
Мен даже учил, что из воздуха создан весь мир. Только •в XVIII веке было установлено, что 'атмосферный воз­дух— это довольно сложная смесь различных газообраз­ных веществ.

В основном воздух состоит из азота, кислорода и ар­гона. Больше всего в воздухе азота; его содержится (по объему) 78,08%, а затем идет кислород — 20,95% и аргон — 0,93%. На долю этих трех газов приходится бо­лее 99,9% всего объема воздуха. Оставшуюся часть со­ставляют углекислый газ, водород, неон, гелий, озон, криптон и ксенон. Помимо этого, в атмосфере всегда присутствует водяной пар. Количество его непостоянно и колеблется от 0 до 4% по объему. Водяной пар играет большую роль в атмосферных явлениях, так как его сгу­щение дает начало облакам и осадкам. Превращения во­дяного пара сопровождаются поглощением или выделе­нием больших количеств тепла.

Кроме того, в воздухе всегда находятся различные примеси в виде твердых и жидких частичек.

Вначале определение состава воздуха производилось лишь у земной поверхности и на небольшой высоте. Каков состав воздуха высоко над землей, ученые не зна­ли, но предполагали, что газы располагаются в атмо­сфере в зависимости от их веса или плотности. Думали, что более тяжелые — азот и кислород — лежат ниже, а более легкие — гелий и водород — выше.

Одно из первых исследований состава воздуха на большой высоте было проведено в нашей стране при по­лете стратостата «СССР-1» 30 сентября 1933 года. Стра­тостат представлял собой огромный воздушный, шар, к которому была подвешена герметически закрытая кабина. В кабине поместились три воздухоплавателя — Прокофьев, Годунов и Бирнбаум. Стратостат поднялся на рекордную для того времени высоту в 19 кило­метров.

Во время полета были взяты пробы воздуха на различ­ных высотах. Анализ полученного воздуха дал неожидан­ные результаты. Оказалось, что процентное отношение газов, входящих в состав воздуха, до высоты 18 кило­метров не меняется; оно остается таким же, как и у зем­ной поверхности.

Позднее в разных местах земного шара ученые неодно­кратно брали пробы воздуха с этих и других высот и
убедились в том, что состав воздуха действительно остается неизменным до очень больших высот.

Достоверные сведения о составе более высоких слоев атмосферы получают с помощью ракет. Метеорологи запускают в атмосферу ракеты, приспособленные для взятия проб воздуха (и для других наблюдений). Теперь ракеты поднимаются уже «а сотни километров над зем­лей. В феврале 1958 года мощная советская одноступен­чатая ракета с научной аппаратурой, общим весом 1520 килограммов, поднялась на высоту 473 километра.

Ракетные исследования показали, что и на очень больших высотах состав воздуха почти не изменяется. Только начиная с 85 километров в нем несколько пони­жается доля наиболее тяжелого газа аргона, по сравне­нию с долей кислорода и азота.

О составе воздуха на больших высотах мы узнаем также при помощи других, косвенных способов, напри­мер с помощью особого способа исследования — спект­рального анализа.

В XVII веке великий английский ученый Ньютон открыл, что белый свет — это свет сложный. Поставив на пути солнечных лучей стеклянную призму, он увидел не­обычайную картину.- пучок белых лучей, пройдя через призму, превратился в радужную полоску. Края ее были красного и фиолетового цветов. Между ними можно бы­ло выделить оранжевый, желтый, зеленый, голубой и си­ний цвета.

Эта многоцветная полоса получила назва. ние спект­ра. Кстати, для запоминания порядка расположения цветов в спектре можно использовать фразу: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан». Нетрудно ви­деть, что каждое слово этой фразы начинается с той же буквы, что, и название соответствующего цвета.

Ньютон обнаружил только часть спектра. Позднее за фиолетовыми и красными лучами были найдены другие, не видимые простым глазом. Лучи, которые следуют после фиолетовых, были названы ультрафиолетовыми, а лучи, расположенные за красными,— инфракрасными.

Дальнейшие исследования спектров привели ученых к интересному и важному открытию. Оказалось, что спектр, получающийся от свечения раскаленных твердых тел, отличается от спектра, который дают раскаленные светящиеся газы или пары. Спектр света, идущего от

2*
Раскаленных твердых тел,— сплошной, он похож на раду­гу. А спектр света раскаленных газов (паров) состоит из отдельных тонких цветных линий на темном фоне, при­чем для каждого газообразного вещества расположение этих линий различно. Например, спектр паров натрия дает одну желтую линию, а водород четыре, из которых одна красная, одна синяя и две фиолетовые. Такие спектры спутать трудно!

Это было открытие большой важности. Изучая спект­ры различных веществ, ученые стали узнавать их хими­ческий состав.

При тщательном исследовании солнечного спектра выяснилось, что в нем на фоне радужной полоски замет­но еще много тонких темных линий. Ученые поняли, что эти темные линии появляются не случайно, что-то задер­живает часть световых лучей, не пропускает их.

Где же потерялись, например, красные лучи, если в красной части спектра мы находим много темных линий?

Оказалось, что если на пути красных лучей встре­чается вещество, которое само испускает такие же крас­ные лучи, то оно задерживает, поглощает их, и в спектре мы видим темные линии.

Подобные спектры называют спектрами поглощения, а сами линии — линиями поглощения[4]).

Изучение спектров поглощения позволило определить химический состав Солнца и звезд: темные линии погло­щения рассказывают ученым о том, какие химические элементы находятся на пути следования лучей света — во внешних оболочках Солнца и звезд.

Таким же путем исследуется и состав высоких слоев атмосферы.

Новый метод исследования и был назван спектраль­ным анализом. Честь его создания принадлежит немец­ким ученым Кирхгофу и Бунзену.

В высоких слоях атмосферы — от 100 до 1100 кило­метров над землей — временами наблюдается интересное природное* явление — полярное сияние (рис. 3). Поляр­ное сияние — это свечение разреженного воздуха. Такое свечение возбуждается электрически заряженными части­цами, поток которых идет от Солнца. Частицы, выбра­сываемые из недр Солнца, с огромной скоростью влетают в земную атмосферу и вызывают полярные сияния[5]). Исследование спектров полярных сияний показало, что

И на тех высотах, где происходит это интересное природ­ное явление,— воздух в основном состоит из азота и кислорода.

Чем же объяснить постоянство состава атмосферы?

Объясняется это-, надо думать, только одним — тем, что воздух все время перемешивается. Воздушный океан никогда не знает покоя.

Доказательством того, что газы в атмосфере переме­шиваются, может служить, в частности, и присутствие на большой высоте натрия, который попадает в атмосферу при испарении воды океано/в и морей. В 1936 году совет­скими учеными этот химический элемент был обнаружен на высоте 82 километров. Важной составной частью воз­духа является водяной пар. Поступает он в атмосферу за счет испарения воды с поверхностей морей и океанов, озер и рек, влажной почвы и растений.

В отличие от остальных составных частей воздуха, водяной пар в атмосфере может переходить в жидкое или твердое состояние. Об этих превращениях водяного пара в атмосфере мы расскажем дальше. А сейчас отметим только, что количество водяного пара с высотой очень быстро убывает. Почти вся вода сосредоточена в нижнем слое атмосферы. Исследования показали, что в самых верхних слоях атмосферы водяной пар отсутствует.

Особый интерес представляет газ озон. «Озон» значит по-гречески «сильно пахнущий». Резкий запах озона обнаруживается у поверхности земли при грозовых раз­рядах. Озон — это видоизменение атмосферного кисло­рода. В молекулах атмосферного кислорода содержится по два атома, а молекула озона состоит из трех атомов кислорода. Озон образуется под действием ультрафиоле­тового излучения Солнца (главным образом на высоте от 5 до 50 километров). При этом молекулы кислорода (О2) распадаются на атомы (О) и затем отдельные атомы присоединяются к молекулам (О2) и образуют трехатомные молекулы озона (Оз). В очень небольших количествах озон образуется и в нижних слоях атмосфе­ры, где при грозовых разрядах также происходит распад и восстановление молекул кислорода, но количество его здесь не постоянно и очень мало. На больших высотах, где образование озона происходит под действием непре­рывного ультрафиолетового излучения Солнца, его коли­чество увеличивается. Оно достигает максимума на высо­те 20—25 километров и делается практически незамет­ным на высоте 55—60 километров.

Общее количество озона в атмосфере невелико. Если бы можно было собрать его в один слой при нормальном атмосферном давлении и температуре 0°, то толщина этого слоя составила бы всего 2—3 миллиметра.

Несмотря на столь малое количество, озон играет очень большую роль в регулировании температуры в атмосфере и для жизни на Земле. Дело в том, что он очень сильно поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца. Благодаря озону ультрафиолетовые лучи Солнца попадают на земную поверхность в ничтожном коли­честве, а эти лучи оказывают сильное влияние на живые организмы. В умеренных количествах они вызывают пиг­ментацию кожи человека (загар) и убивают некоторые виды бактерий, а когда их много, то они задерживают рост растений и оказываются вредными для живых ор­ганизмов.

Если бы озон вдруг исчез из атмосферы, жизнь в со­временных формах на Земле не могла бы существовать, так как лучи Солнца совершенно изменили бы все биоло­гические процессы.

Кроме названных выше газов, в атмосфере, как уже упоминалось, всегда имеется большое количество приме­сей в виде мельчайших твердых и жидких частичек, как бы плавающих в воздухе. Чаще они так малы, что про­стым глазом их не видно. Более крупные частицы мы ви­дим, например, в луче солнечного света, проникающего через небольшие отверстия в темную комнату. Эти ча­стички по своему происхождению весьма разнообразны. Они рождаются повсюду. Разрушаются и выветриваются скалы и почва, тучи пыли поднимаются к небу. Над ши­рокими просторами морей носятся бесчисленные частич­ки морской соли. В атмосфере городов всегда находится много бактерий (в горах и над океанами их значительно меньше). Сильно засоряют атмосферу частицы дыма при сжигания угля и нефти в промышленных районах. В про­мышленных центрах Англии, сжигающей в год около 180 миллионов тонн угля, ежегодно оседает на каждый квадратный метр поверхности около 1,2—1,4 килолрамма сажи и пыли. В довоенные годы убыток, приносимый дымом в одном только Лондоне (расходы на усиленное освещение, порча одежды, зданий и пр.), оценивался в 77 миллионов рублей в год.

При извержении вулканов количество пыли и пепла бывает так велико, что затмевает солнечный свет. Так было, например, в 1883 году при извержении вулкана

Кракатау в Индонезии. Вулкан выбросил в воздух огром­ное количество пепла и пара. Пепел поднялся на высоту до 32 километров, сильно засорив атмосферу.

Пыль поступает в атмосферу также из межпланетного пространства и от разрушения попадающих в атмосферу метеорных тел. Это — так называемая космическая и метеорная пыль.

Любопытно отметить, что, хотя пыли в атмосфере от­носительно меньше над морями и океанами, чем над су­шей, сами моря и океаны также являются поставщиками твердых частиц в атмосферу. Происходит это потому, что при волнении на море ветер поднимает в воздух мелкие брызги и пену морских волн. Водяные капельки при этом испаряются, оставляя в воздухе громадное количество мельчайших частиц морской соли.

Понятно, что пыли больше всего у земной поверхно­сти. Чем выше, тем пыли меньше. Подсчет показывает, что в среднем число пылинок в одном кубическом метре воздуха на высоте от 100 до 6000 метров уменьшается в среднем с 45 000 до 20.

Некоторые частицы атмосферной пыли оказывают влияние на погоду. Они играют роль ядер, на которые осаждаются молекулы водяного пара, образуя облака и туманы. Такие частицы называются ядрами конденса­ции. Лучше всего конденсируются молекулы водяного пара на частицах, попадающих в воздух при сгорании угля, гниении органических веществ и т. д.