Атмосфера Земли представляет собой многокомпонентную газовую систему, состоящую как из постоянных (основных), так и из переменных компонентов. Современные спектрометрические и газохроматографические методы позволяют с высокой точностью определить концентрации различных газов, а также проследить пространственно-временные колебания их содержания.
Основные компоненты атмосферы, составляющие около 99,9 % её объёма:
Все остальные газы относятся к категории малых (или минорных) и следовых (трассирующих) компонентов.
К переменным компонентам относятся вещества, концентрация которых может существенно меняться во времени и пространстве. Их динамика подвержена влиянию как природных процессов (вулканизм, биологические циклы, фотохимические реакции), так и антропогенных источников.
Важнейшие переменные компоненты:
Следовые газы, несмотря на их ничтожную концентрацию (от ppb до ppt), могут существенно влиять на климат, химию атмосферы и здоровье человека.
Тропосфера (0–10/12 км) характеризуется высокой переменностью состава. Водяной пар и аэрозоли сконцентрированы именно здесь. Большинство загрязняющих веществ также сосредоточено в тропосфере. Стратосфера (до 50 км) содержит основной озоновый слой, защищающий биосферу от ультрафиолетового излучения. Здесь уменьшается концентрация водяного пара и увеличивается стабильность химического состава. Мезосфера и термосфера содержат ионизированные формы газов, атомарный кислород и азот, высокоэнергетические ионы и радикалы.
1. Газовый состав и радиационный баланс Некоторые газы, такие как CO₂, CH₄, H₂O и N₂O, являются парниковыми, то есть они поглощают и переизлучают инфракрасное излучение, способствуя удержанию тепла в системе «земля-атмосфера».
2. Озон и ультрафиолетовое излучение Озон в стратосфере поглощает ультрафиолетовое излучение типа B и C, предотвращая его проникновение на поверхность Земли. В тропосфере же озон является компонентом фотохимического смога и токсичным веществом.
3. Углекислый газ как индикатор климатических изменений Содержание CO₂ в атмосфере непрерывно возрастает, что подтверждается данными обсерватории Мауна-Лоа и другими измерениями. Это один из ключевых антропогенных факторов глобального потепления.
4. Метан и его вклад в климатическую систему Несмотря на малую концентрацию, метан является сильным парниковым газом с потенциалом глобального потепления более чем в 25 раз выше, чем у CO₂ на 100-летнем горизонте.
Аэрозоли — это твердые и жидкие частицы, взвешенные в атмосфере. Их источники:
Аэрозоли влияют на альбедо Земли, участвуют в образовании облаков и являются центрами конденсации. Кроме того, они влияют на радиационный баланс через прямое (рассеяние и поглощение света) и непрямое (влияние на облачные свойства) действия.
Атмосфера является частью глобальных циклов углерода, азота, серы и других элементов.
Цикл углерода:
Цикл азота:
Цикл серы:
Многие химические реакции в атмосфере запускаются солнечным излучением. Особенно важны реакции в ультрафиолетовой и видимой области спектра, инициирующие диссоциацию и ионизацию молекул.
Примеры ключевых фотохимических процессов:
Фотохимические процессы играют решающую роль в формировании смога, разрушении озонового слоя и трансформации загрязняющих веществ.
Антропогенная деятельность приводит к значительным изменениям химического состава атмосферы. Основные загрязнители:
Химические превращения этих веществ приводят к образованию кислотных дождей, вторичных аэрозолей, фотохимического смога. Процессы окисления и фотолиза модифицируют первичные выбросы, влияя на их токсичность и климатическое воздействие.
Состав атмосферы существенно изменялся на протяжении геологической истории Земли. Первичная атмосфера, сформированная из газов мантии, была богата водородом, метаном и аммиаком. Позднее, в результате биологической активности (особенно фотосинтеза цианобактерий), в атмосфере накопился кислород (кислородная катастрофа ~2,4 млрд лет назад).
Изменения в составе атмосферы сопровождались эволюцией биосферы и климата. Палеоклиматические реконструкции (по данным кернов льда, осадочных пород и изотопных анализов) позволяют судить о концентрации CO₂, CH₄ и других газов на протяжении сотен тысяч лет.
Современные методы анализа включают:
Мониторинг атмосферы необходим для оценки климатических трендов, анализа загрязнения, прогнозирования погодных и экологических изменений, разработки стратегий адаптации и смягчения последствий глобального потепления.