Атмосфера физикасы

Атмосфера физикасы

Атмосфера (гр. ατμός — «ауа» және гр. σφαῖρα — «шар») - жердің ауа қабығы. Атмосфера – ауа, химиялық қоспалар мен су буынан тұратын күрделі жүйе. Ол биосферадағы физико-химиялық және биологиялық процестердің жүріуінің шарты және метеорологиялық режимнің маңызды факторы. Атмосферадағы жекелеген құрамдастардың қатынасы оның радиатцияға, жылу және су режиміне, өздігінен тазартуға қабілетін анықтайды. Атмосфераның газдық құрамы, су буы және әр түрлі қоспалар жер бетіне күн радиациясының өту деңгейін және жер маңы кеңістігіндегі жылуды ұстап тұруды анықтайды. Егер атмосферада қоспалар болмаса, онда жер бетіндегі орташа жылдық температура +15º С емес, -18ºС болар еді. Атмосфераның орташа қалыңдығы - 150 км.

Атмосфераның төменгі шекарасы жер беті болып табылады. Оның төменгі қабаты азот, оттегі мен сирек кездесетін көміртегінен, аргоннан, сутегіден,гелийден тағы басқа газдардан тұрады. Бұған су буы да араласады. Атмосфера түсінің көк болып келуі газ молекулаларының жарық сәуле шашуына байланысты. Жоғарылаған сайын атмосфера бірте-бірте сирей береді, қысымы төмендеп, оның құрылысы да өзгереді.

Атмосфера 3 қабаттан тұрады.

Тропосфера (көне грекше: τρόπος — «бұрылыс», және көне грекше: σφαῖρα — «шар») - ауаның жер бетіне жақын ең тығыз шоғырланған қабаты. 12 км биіктікке дейінгі атмосфераның төменгі қабаты. Тропосфера - бүкіл ауаның 4\5 бөлігі. Тропосферада бұлт, жауын-шашын, жел және тағы басқа құбылыстар орын алып отырады.

Тропосфераның жоғарғы шекарасы географиялық ендіктер мен жыл мезгілдері бойынша өртүрлі биіктікте орналасуы мүмкін. Орташа есеппен тропосфера полюстер үстінде 9 км-ге, қоңыржай ендіктерде 10—12 км-ге, ал экватор үстінде 15—17 км-ге дейін созылады. Тропосфераның қалыңдығы:

1. Экваторда - 17-18 км

2. Қоңыржай ендіктерде - 10-12 км

3. Полюстерде - 8 км

Орташа қалыңдығы - 11 км

Тропосферада ауа температурасы шамамен әр 100 м сайын 0,6°С-қа төмендейді. Мәселен, тропосфераның жоғарғы бөлігінің орташа жылдық температурасы солтүстік полюсте — 55°С болса, экваторда бұл көрсеткіш — 70°С-қа төмендейді.

Тропосфера тропопауза деп аталатын өтпелі жұқа қабат (қальңдығы 1—2 км) арқылы атмосфераның келесі қабаты — стратосфераға ауысады.

Стратосфера (лат. stratum - «қабатталған»)  - тропосфераның үстінен 80 км-ге дейінгі биіктікте орналасқан атмосфера қабаты. Бұл қабат бүкіл атмосфера салмағының 20%-ын құрайды. Мұнда күннің ультрафиолетті сәулеленуін күшті сіңіретін озон қабатының болуына байланысты жоғарыдан келетін температураның төмендеуі тоқталады. 30 км биіктік шамасына дейін температура өзгермей 50° шамасында сақталып тұрады, ал одан әрі қарай биіктікте біртіндеп жоғарылай отырып, 60 км биіктікке барғанда тіпті 75°-қа дейін артады. Статосферада су буы және бұлт атаулы мүлдем дерлік болмайды. 1951 жылы халықаралық келісім бойынша стратосфера деп тек 40 км биіктікке дейінгі қабатты атап, ал 40-тан 80 км-ге дейінгі қабаттымезосфера (орта қабат) деп атау керектігі келісілді. Стратосферада озон қабаты түзіледі.

Мезосфера (гр. mesos — « ортаңғы» және гр. σφαῖρα — «шар») - атмосфераның 50 — 80 километр биіктіктегі ортаңғы қабаты. Стратосфера (мезосфера асты) мен ионосфера (мезосфера үсті) қабаттарының аралығында. Мезосферада жоғарылаған сайын температура төмендей береді: 50 километр биіктікте 70°С шамасында.[2][3]

Күн энергиясы — Жер шарындағы тіршіліктің арқауы және көптеген табиғи процестердің қозғаушы күші. Жер шары Күннен жылына 5628 -1021 Дж/см2 энергия алады, бұл жалпы күн энергиясының 2 миллиардтан бір бөлігі ғана. Соған қарамастан бар болғаны 36 сағ ішінде Күннің Жерге беретін жылуының мөлшері дүниежүзіндегі барлық электрстансыларының жыл бойы өндіретін энергиясына пара-пар болады.

Атмосфераның қасиеттері және оның адамға әсері

Атмосфераның маңызды қасиеттеріне оның жылдам араласуы мен үлкен ара қашықтыққа орын ауыстыруы, басқа сфералармен, әсіресе мұхитпен байланысы жатады. Мұхитпен жанасуы нәтижесінде мұхит атмосферадағы көміртегінің қос оксиді мен оксидін, күкіртті газ және басқа қосылыстарды сіңіреді. Атмосферадағы қосылыстардың басым бөлігін өсімдіктер сіңіреді және зат алмасудың топрақ звеносына кіреді. Жылдам араласқыш қасиеті мен оның ластануды таратуы, сонымен қатар локальді ластануды ғаламдық ластануға айналдырушыфактор болып табылыды. Адам атмосфераның әр түрлі параметрлеріне және қасиеттеріне, оның химиялық құрамына, жылу режиміне, орын ауыстыру, радиоактивтілік, электромагниттік фон және т.б. әсер етеді.

Ерте кездерден ақ ауаның ластануына қарсы шаралар қолға алына бастады. XVIIIғасырда Англияда ірі қалаларда, Лондонда, көмірді отын ретінде қолдануға шектеу қойылды. Осы кездерден бастап жер үсті суларының ластануына қарсы, мысалы тұрмыстық қалдықтармен, шарлар қолдана бастады.

Адам ауаның құрамына кіретін негізгі химиялық элементтер- азот пен оттегінің концентрациясының өзгермеуі олардың концентрациясының жоғары ( азот-78,09%, оттегі- 20,95%) болуына байланысты. Бірақ мұны біз көмірқышқыл газына қатысты деп айта алмаймыз.Оның концентрациясы біртіндеп артып келеді, бұл көмірқышқыл газының атмосферада аз балу жағдайында келін түскен мөлшерінің анағұрлым жоғары болуына байланысты.

Сонымен қатар атмосфераның міндетті емес заттарының конценрациясы елеулі өзгеріске ұшырауда. Бұларға ең алдымен көптеген ластаушылар, соның ішінде тіршілік үшін бөгде заттар жатады. Адам қызметінің нәтижесінде атмосфераға атамосфера үшін бөтен немесе атмосфераға тән заттардың концентрациясының өзгеруіне байланысты ластаушы зат болып табылытын жүздеген заттар келіп түседі. Адамның атмосфераға әсерінің байқалуы, оның биосфералық процестерге белсенді түрде араласа бастауынан, орманды жою, жерді жырту, эрозия, құрғату, суару, қалалар мен өндіріс орындарын және т.б. салу нәтижесінде басталады.

Атмосфера — Жер шарының ауа қабығы, ол салмақ күшіне байланысты ғаламшармен бірге айналып, қозғалысқа түседі. Жалпы массасы 5-1015 т шамасында болатын атмосфера түрлі газдардан, су тамшылары мен шаң-тозаңнан тұрады. Атмосфераның төменгі бөлігі Жер бетімен шектесіп жатыр. Ал жоғары шекарасы ретінде соңғы ғылыми деректер бойынша 1000 км биіктік алынады, бұдан әрі қарай ауа өте сиреген күйде болады.

Шамамен 100 км-ге дейінгі биіктік аралығында ауа құрамы мынадай газдардан: азот — 78%, оттек — 21%, инертті газдар — 1%-ға жуық (оның 0,93%-ы аргон), көмірқышқыл газынан — 0,03%-ы тұрады. Ауа құрамындағы криптон, ксенон, неон, гелий және сутек газдары өте аз мөлшерде болады. Атмосфераның төменгі қабатында ауа құрамы салыстырмалы түрде тұрақты болады, тек өнеркәсіпті аудандар мен ірі қалалар үстінде көмірқышқыл газының үлесі он есеге дейін артуы мүмкін. Лас ауаның құрамында бөгде қосылыстар да кездеседі. Шамамен 200—1000 км биіктікте ауа құрамында оттек басым, ол ультра- күлгін сәулелер әсерінен атомдарға ыдыраған күйінде болады. 1000 км-ден биікте сиреген атмосфера негізінен гелий мен сутектен турады, сутек зарядталған атомдар күйінде таралған.

Атмосфера құрамындағы әрбір газдың атқаратын қызметі бар. Азот нәруызды (белок) заттар мен нуклеин қышқылдарының құрамына енеді, ал оның қосылыстары өсімдіктерді Минepaлды қорекпен қамтамасыз етеді. Оттексіз тірі организмдердің тыныс алуы мүмкін емес, сондай-ақ жану мен тотығу процестері де жүрмейді. Жасыл өсімдіктер көмірқышқыл газын пайдаланып, органикалық заттар түзеді. Атмосфера газдары тау жыныстарының химиялық үгілуіне қатысады. Ал шамамен 25—30 км биіктіктегі озон қабаты Күннен келетін ультра-күлгін сәулелерді ұстап қалу арқылы тірі организмдерді бұл сәулелердің зиянды әсерінен қорғайды. Ауа құрамындағы жай көзге көрінбейтін су булары белгілі жағдайда су тамшылары түрінде бөлініп шығып (конденсациялану), олардың тұтасуынан бұлттар қалыптасады. Атмосфераның құрылысы. Биіктеген сайын ауаның физикалық қасиеттері (температурасы, тығыздығы, қысымы және т.б.) өзгереді, сондықтан атмосфераны тропосфера, стратосфера, жзосфера, термосфера, экзосфера деп аталатын қабаттарға бөледі.

Атмосферада күн сәулелерін озон, көмірқышқыл газы мен бұлттар, су тамшылары мен шаң-тозаң жұтады. Жалпы алғанда, атмосферада Күннен келетін радиацияның 15—20%-ы жұтылады. Осылайша күннің сәулелік энергиясының біразы атмосферада жылуға айналса, басым бөлігі жер бетін жылытуға жұмсалады. Кез келген қызған денелер жылу бөлетіні сияқты, жер бетінен көтерілген жылу атмосфераның төменгі қабатын жылытады. Жиынтық радиацияның кері шағылу мен жер бетінің жылулық сәулеленуіне жұмсалғаннан қапған бөлігін радизциялық баланс немесе қапдық радиация деп атайды. Радиациялық баланс мөлшері экватордан полюстерге қарай кемиді. Қоңыржай ендіктерде қыс кезінде радиациялық баланс теріс мәнге ие, ал экватордан, шамамен, 40' ендіктер аралығында бұл көрсеткіш жыл бойы оң болады.

Ауа температурасының атмосферада таралуы мен онъщ үздіксіз өзгерістері атмосфераның жылу режімі деп аталады, ол атмосфера мен қоршаған орта арасындағы жылу алмасуы нәтижесінде жүзеге асады. Тропосферада жұтылған радиация тәулігіне ауа температурасын 0,5°С-ка ғана жоғарылата алады. Сондықтан атмосфераның жылу режімінде атмосфера мен жер беті арасындағы жылу мен ылғал алмасуы маңызды рөл аткарады. Ауа температурасының өзгеруіне Жер шарының басқа бөліктерінен келетін ауа массаларының келуі (адвекция) де әсер етеді. Бұл туралы келесі тақырыптан таныса аласыңдар.

Атмосфера құрамында жалпы көлемі 13 мың км3 болатын су буы бар, оның атмосферадағы үлесі ұдайы өзгеріл отырады. Ауаның ылғал сыйымдылығы оның температурасына байланысты болады. Температурасы неғүрлым жоғарылаған сайын ауа өзінің құрамында соғұрлым көп су буын ұстай алады, ал суық ауа ылғалға қанығу шегіне аназғұрлым жылдам жетеді. Жылы, ылғалды ауа жоғары көтерілген кезде суының, конденсацияланады. Яғни, ауа құрамындағы су буы бөлінен шығып, тамшы күйіне өтеді. Су тамшылары мен мұз кристалдарының тұтасуынан бұлттар пайда болатынын білесідцер. Су буынын конденсациясы жүзеге асатын ауа температурасын шық нүктесі деп атайды[

Ауаның құрамы, температурасы, тығыздығы және т б. бір жерден екінші жерге барғанда және биіктік бойынша өзгереді. Атмосфераның бұл қасиеттері, әсіресе биіктік бойынша үлкен өзгеріске ұшырайды. Температураның және газ құрамының өзгерісіне қарай атмосфера биіктік бойынша үш қабаттан тұрады. Ең төменгі қабат тропосфера (грекше тропос-бұрылыс, өзгеріс) деп аталады. Бұл жер бетінен 8 – 9 км ал экватордан 18 км –ге созылады. температура 55° С – қа дейін төмендейді. Тропосфера ауасы күн сәулесі қыздырған жер бетінен жылу алады. Сондықтан неғұрлым жоғарылаған сайын соғұрлым суық болады. Әрбір км – ге биіктеген сайын температура орта есеппен 6 С –ге төмендейді. Оның үлесіне бүкіл ауаның 80 % –ы тиеді. Су буы да бұлттар, жауын- шашын, жел яғни бұл сферада ауа райы қалыптасады. Тропосфераның жоғарғы жағында стротосфера (грекше стратум – қабатталған ) қабаты жатады. Оның жоғарғы шекарасы 50 – 55 км биіктікке дейін барады. Мұнда су буы жоққа тән. Оның төменгі бөлігінде біраз биіктікке дейін температура біршама тұрақты, ал жоғарғы жағында айтарлықтай тез өзгереді. Стротосфераның 20 км ден 30 км –ге дейінгі биіктік аралығында озон шоғырланған. Жұқа озон ауаның қызып кетуін тудыратын ультракүлгін күн сәулесін жұтады. Атмосфераның жоғарғы қабатын мезосфера және термосфера қабаттары құрайды. Ауаның температурасы алдымен 80-90 км биіктікке дейін қайтадан төмендейді. Одан әрі температура тез көтеріліп 1000 -2000 С –қа өседі. Мұнда күннен атмосфераның төменгі қабаттарына дейін жетпейтін ерекше зарядтар таралады да, газ бөлшектерін электрлендіреді. Олар күн сәулесін жақсы жұтып алатындықтан, қатты қызады. Күннен таралған электр зарядтары атмосфераның биік қабаттарында поляр шұғыласы құбылысын тудырады.  
Атмосфераның маңызы. Жер бетіндегі өтіп жатқан түрлі құбылыстар, өзгерістер, тіршілік атаулы ауамен байланысты. Атмосфера күн сәулесін шашыратып түсіреді. Сондықтан жер беті күндіз күн сәулесінен қатты қызбайды, түнде, өте қатты суымайды. Ол жылылықты ұстап тұрады. Сонымен қатар атмосфера ғаламшарды метеориттерден қорғайды метеориттер жерге жетпей-ақ жанып кетеді. Ауа – тіршілік көзі. «Ауа – өмір тынысы» деп халық бекер айтпаған. Тыныс алу тоқтаса, өмір де тоқтайды. Ең қымбат, қасиетті нәрсені «ауадай қажет» деп, ауаны ерекше бағалаймыз. «Ауаны қылышпен кеспе» деген ырым бар. Тіршіліктің төрт тірегін қастерлеу халық салты, өмір заңы. Біздің планетамыздағы тіршілік атмосфера қабатына тығыз байланысты. Ауаның құрамындағы оттегімен тыныс аламыз. Ауа болмаса жер бетін айдағы сияқты құлазыған қу шөл алып жатар еді.  
Атмосфераны зерттеу. Атмосферадағы түрлі құбылыс, өзгерістерді зерттеудің зор маңызы бар. Атмосфераны зерттейтін ғылымды метеорология деп атайды. Жер бетіндегі көптеген метеорологиялық станциялар тәулігіне кемінде 4 рет арнаулы аспап-тар көмегімен атмосферадағы өзгерістерді бақылап отырады. Адам аяғы жетуі қиын жерлерде автоматты радиометеостанциялар жұмыс істейді. Жердің жасанды серіктері, ғарышкерлердің ұзақ мерзімді орбиталық станцияларда жүргізген мәліметтердің де маңызы зор. 

Күн сәулесінің  әсерінен олар күрделі химиялық реакцияға қатысып, нәтежиесінде уытты фотооксидантты (озон, азот қышқылы) түзілуіне үлес косады. Атмосферада азот оксидтерінің фотооксиданттардың концентрациасы жоғары болған кезде адам улануы мүмкін. Соның салдарынан өкпесі ісінеді, сілемейлі қабығында жара пайда болады, басы ауырады, ұйқсы қашады. Құрамында азоты бар  зиянды шығындылардың мөлшерін іштен қанатын қозғалтқыштар шығаратын газды жағу үшін каклизатор қолданып, ал өнеркәсіпкәсіпорындардың түтін шығаратын құбырларында азоатсыздандыратын қондырғыларды орнату арқылы азайтуға болады.

Ауадағы зиянды заттектердің мөлшері олардың турбулентті ағыспен шашырауына, жауын-шашынға немесе гравитациялык күш арқылы төмен түсуіне байланысты. Атмосфераның ластануы мен негізгі биогенді элементтер айналымы арасында анық байланыс бар. 
Атмосфераны ластайтьн заттектерді топтастыру Қоршаған ортаға енген немесе шектен тыс мөлшерде пайда  болған және ортаны ластайтын кез-келген физикалық агенттерді, химиялық  затгектерді  және   биологиялык  микроорганизмдерді ластағыштар  деп атайды. 
Ластағыш заттектердің коршаған ортаға әсері физикалық, химиялық қасиеттеріне, олардың ыдырауы арқылы пайда болған  өнімдердің қасиеттеріне және қоршаған ортаға тасталған әр түрлі өндіріс шығарындыларының мөлшеріне байланысты. Ластағыштардың  атмосферада таралуын анықтайтын ең негізгі параметрге  олардың атмосферада болатын уақыты жатады. Осыған байланысты ластаушы заттектердің өзі немесе шығарындылар үш түрге бөлінеді:

* әлемдік көлемде ластайтындар — кай жерде шығарылса да  қоршаған ортада әлемдік аумақта тарайтын кабілеті барлар,  атмосферада көп уақыт бойы  (бірнеше жыл немесе айлар)  сақталатьн шығарынды (тастанды) заттектер (көмір кышқыл  газы, фреондар, жартылай ыдырау мерзімі бір айдан жоғары 
радионуклидтср); 
* аймактық. (региондьқ) көлемде ластайтындар (бірнеше мемлекеттердің территориясы немесе бір елдің едәуір әкімшіліктік  бөлігі кіруі мүмкін) — үлкен аймақты ластайтын, бірақ-та оның мөлшері осы жердің шекарасынан асқасын тез төмендегеніне қарамай ластанудың іздік мөлшерде жан-жаққа таралып, шектеулі уақыт (әдетте бірнеше тәулік) бойы атмосферада сақталатын  шығарынды заттектер (күкірт пен азот оксидтсрі, пестицидтер, ауыр металдар); 
* жергілікті көлемде ластайтындар (бір жердің шеңбсрінен  аспайтын) — атмосферада аз уақыт қана сақталатын шығарынды  заттектер (ірі дисперсиялык аэрозольдар, күкіртті сутек және басқа заттектер, сонымен қатар жоғарыда келтірілген түрлердің  өкілдері, мысалы, аласа көздерден шығатын күкірттің, азотгың, т.б. оксидтсрі). 
Әр түрлі көздерден шығарындының шығу ұзақтығына байланысты олар үздіксіз және бір дүркінді болып бөлінеді. Апатты жағдайлардағы шығарындылар бір дүркінділер тобына жатқызылады. Атмосфераға газ тәрізді ластағыштар мен аэрозольдар түтін мұржалары, аэрациялық шаң тартқыштар және әр түрлі желдеткіш қондырғылары арқылы тасталады. Биіктігіне карай ластаушы заттектер шығаратын көздер биік (Н > 50 м), орта биіктіктегі (Н = 10-50 м), аласа (Н = 2-10 м), жер үстіндсгі (Н < 2 м) болады’. Ластаушы компоненттердің ауада таралуы мен концентрациясы көздердің биіктігіне байланысты келеді.