Что 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 Анаксимен 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 на 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 название 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 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.
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. 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. 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 океанов 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 килограмма 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.
