Состав, строение и свойства атмосферы

Состав

Атмосфера (газовая оболочка Земли) содержит ~ 5, 15*1015 тонн воздуха.

Основные компоненты атмосферного воздуха – N₂, O₂ (в сумме > 99%)/ Кроме них в заметном количестве присутствуют Ar (0.93%) и CO₂ (~0.035 % объема). Другие естественные примеси (He, H₂, Ne, Kr, CH₄) содержатся в воздухе в концентрации 0, 001 – 0, 0001% (об.). Перечисленные вещества присутствуют в атмосфере в постоянных концентрациях. Для множества других примесей в атмосфере характерна изменчивость концентрации во времени и в разных частях.

Важнейшим компонентом атмосферы являются пары вод ы, определяющие тепловой режим атмосферы.

Концентрация водяного пара переменна и по высоте, и широте. Основная масса паров воды сосредоточена в нижних слоях атмосферы (тропосфере) вблизи поверхности земли, их концентрация легко уменьшается с высотой.

В нижних слоях наблюдается так же большой широтный разброс концентрации паров воды - от тысячи долей % в арктических районах, до % в тропиках.

Единицы измерения концентраций примесей

Для измерения содержания примесей в атмосфере помимо % (объемных) часто используют другие единицы измерения содержания газообразных компонентов в смеси.

В частности широкое распространение получили единицы концентрации миллионные (миллиардные) доли - млн^-1 (млрд^-1) – часть на миллион (миллиард) – в англоязычном выражении ppm (ppb) – количество объемов примеси в 1 млн (млрд) объемов смеси – т.е.1 м³ /10⁶м³ (или 10^-6 м³/м³).

Очевидно взаимосвязь ppm с % объемн:

Так же для выражения массовой концентрации примесей используется единицы м²/м³ (и реже мкг/м³) - в них выражают ПДК загрязняющих веществ в воздухе, дают оценку уровня загрязнения атмосферы.

В практике достаточно часто возникает необходимость пересчета значений концентраций, выраженных в ppm, в массовые (мг/м³) и наоборот. Пересчет производится по формуле:

, где

, - концентрация, выраженная соответственно в м.д. и мг/м³

- молекулярная масса вещества,

- мольный объем

Формула легко выводится, если в заданной массовой концентрации содержания вещества в мг перевести в единицы объема (м³)

-

1 мг/м³ =n*ppm

1ppm=1 мг/м³ =

При н.у. (Т=273 К, р=1 ат=101, 3 кПа)

В принципе при большой погрешности для типичных условий в атмосфере пересчет концентраций можно производить, подставляю в формулу V₀, т.е.

Для получения точного результата расчета необходимо учитывать реальные температуру и давление. Знание мольного объема при фактических условиях определяется из уравнения состояния:

, откуда

Подставляя реальные значения P, V, T и те же значения при н.у. получаем

, откуда

И тогда

Или

Пример

Порог обнаружения запаха NH₃ составляет 32 мг/м³, максимально разовая ПДК в атмосферном воздухе 0, 2 мг/м³. Обнаружится ли органолептически (т.е. по запаху) аммиак в воздухе при концентрации 20 ppm. Представляет ли опасность для человека вдыхание воздуха с такой концентрацией аммиака (t_возд = 20⁰С, давление 730 мм.рт.ст.)

Для ответа на вопросы необходимо сравниваемые концентрации привести к одинаковым единицам измерения – очевидно проще это сделать для одной концентрации, выраженной в ppm, переведя ее в мг/м³

Помимо рассмотренных способов выражения концентрации примесей в воздухе иногда используют так называемую «счетную» концентрацию – количество молекул (частиц) вещества в 1 см³ или 1 м³ воздуха (размерность см^-3 или м^-3, т.е. молекул/см³ (м³). Чаще такой способ выражения концентрации принимают для аэрозольных частиц (количество частиц в 1 см³ и м³)

Теперь о строении и свойствах атмосферы

Атмосфера во всем объеме неоднородная по свойствам среда. Эта неоднородность проявляется прежде всего по высоте на уровнем земной поверхности. По высоте в атмосфере можно выделить несколько слоев (сфер), различающихся характером изменения температуры. Вертикальный температурный профиль выглядит так

Нижний слой, непосредственно прилегающий к Земле – тропосфера, затем стратосфера, мезосфера, термосфера (простирается до высоты ~ 1000 км, на которой происходит рассеяние вещества в открытый космос).

Сферы разделены узкими переходными зонами – паузами (по названию предыдущего слоя), в пределах которых меняется направления температурной кривой.

Характеристика слоев:

Тропосфера – характеризуется средним вертикальным градиентом температур -6, 5 град/км (т.е. понижение температуры). Верхняя граница ее лежит на высоте от 8 км в полярных широтах до 16-18 км на экваторе. К тропопаузе температура понижается до ~230К.

В стратосфере – до высоты ~25 км температуру остается почти постоянной, затем возрастает до 270 К (почти до 0⁰С) на нижней границе стратопаузы. Температурный градиент в стратосфере +1, 4 град/км.

Мезосфера, расположенная выше, характеризуется новым понижением температуры (~до -100⁰С на высоте 80 км)

В термосфере воздух сильно разряжен – здесь можно дать оценку лишь критической температуры – соответствующей кинетической энергии движения молекул – температура равномерно возрастает/

Помимо такого деления атмосферы на слои в ней выделяют так же слои с другими характерными признаками и другими названиями; слов, включающий тропосферу и нижнюю часть стратосферы, где преимущественно протекают химические реакции – хемосфера; слой выше 80 км, где значительное содержание заряженных частиц – ионосфера.

Давление в атмосфере в отличие от температуры, которая изменяется неоднозначно, монотонно и равномерно (и достаточно быстро) уменьшается с высотой – на верхней границе стратосферы (~ 50 км) оно уменьшается до 1 мм. рт. ст.

Распределение давления по высоте можно описать так называемой «барометрической формулой», которой может быть выведена из уравнения состояния идеального газа:

(1)

- эквивалентная запись формулы

где H – высота;

P₀ – давление при Н=0 (на уровне моря) (101, 3 кПа);

g – ускорение силы тяжести (9, 806 м/с²);

M – средняя молекулярная масса воздуха (28, 9)

R – универсальная газовая постоянная (8, 31 Дж/моль*К)

Уравнение вида (1) описывает изменение и некоторых других параметров атмосферы – например, изменение с высотой количества молекул газа в единице объема (т.е. изменение «счетной» концентрации)

, где

n₀ – количество молекул в единице объема на высоте Н₀

При н.у. (273 К, 101, 3 кПа) в 1 см³ газа содержит 2, 96*10¹⁹ молекул – число Лошмидта

, где

N_A – число Авогадро – число молекул 1 моля любого газа (6, 02 * 10²³)

V0 – мольный объем при н.у. (22, 4*10³ см³)

При фактическом значении Р и Т