Введение

Она окружает нас со всех сторон. Мы дышим воздухом. Любуемся бескрайним голубым небом и белоснежными облаками. И воспринимаем атмосферу как естественную часть нашей жизни, не особенно задумываясь над её устройством и ролью в нашей жизни. А ведь довольно интересные факты начинают прорисовываться, когда пристальней приглядишься к тому, что тебя окружает с момента твоего рождения.

Состав атмосферы

Само слово атмосфера происходит от греческого слова atmos — пар и слова сфера. Она представляет собой всю массу воздуха, окружающую землю и вращающуюся вместе с нею. В древности люди представляли воздух в виде единого элемента. Анаксимен из Милета в 6 веке до нашей эры называл воздух первоматерией, а Эмпедокл и Аристотель одним из четырёх элементов стихий, в котором заключены все присущие материи свойства. Впервые, состав воздуха разъяснил французский химик Лавуазье в 18 веке. Он выяснил сложность состава воздуха и предложил назвать часть поддерживающую горение кислородом (oxygene), а удушающую часть азотом, что означало с древнегреческого «не поддерживающий горение».

Сегодня мы знаем, что состав атмосферы ещё более сложен. Она состоит в основном  из 78,1% азота, 21% кислорода и 0,9% аргона. В незначительных долях процента содержится так же — углекислый газ, водород, гелий, неон и другие газы. Ниже уровня 20 км в атмосфере содержится водяной пар (от 3%, в тропиках, до 2•10-5% в Антарктиде). А на высоте 20-25 км расположен озоновый слой. Щит, который предохраняет нас от вредного коротковолнового излучения.

Почему же состав атмосферы именно такой? Проясним этот вопрос, начав с азота. Его появление в атмосфере обусловлено в основном окислением аммиака с помощью кислорода. Сам же аммиак появился на поверхности земли в результате вулканической деятельности на ранних этапах формирования нашей планеты. Так как молекула азота обладает довольно высокой прочностью, азот вступает в химические реакции, только при специфических условиях. Эта химическая инертность и обусловила его большую долю в составе нашей атмосферы.

Но если с азотом вопрос более или менее прояснился, то откуда взялось такое количество кислорода? Ведь кроме его свободного присутствия в атмосфере очень большая его доля ушла на всевозможные окисления. Вспомним всё тот же азот. И тут на помощь процессу образования атмосферы приходят растения. Только с помощью фотосинтеза они производят до 3 миллионов килограмм кислорода в секунду. Но это не единственный путь его образования. В более  мелких масштабах кислород образуется за счет разложения воды в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетового излучения. Каждую секунду в результате этой реакции  образуется 8 килограмм кислорода. Это конечно не тот объем, но надо учитывать, то, что практически весь кислород производимый растениями в настоящее время расходуется на дыхание животных, окисление продуктов вулканической деятельности, горение и гниение мёртвых растений. А в последнее к этому процессу прибавилась и интенсивная  человеческая деятельность.

Если рассматривать дальше состав атмосферы, то мы увидим что остальные газы содержаться в ней в довольно незначительных количествах. Если с углекислым газом и так всё понятно без слов, так как он поглощается растениями в результате фотосинтеза. То по объёму других газов в атмосфере возникают вопросы. Почему, к примеру, атмосфера земли содержит так мало водорода или гелия, которые в больших количествах находятся в атмосферах больших планет? И ответ на это вопрос есть – это земное притяжение. Вернее его нехватка для прочного удержания этих газов.

Как вытекает из определения атмосферы, вся масса газов, составляющая её, вращается вместе с землёй. Для того чтобы покинуть атмосферу, молекулы газа должны иметь тепловую скорость близкую ко второй космической скорости (11.2 км/с). Из всех перечисленных газов только водород и гелий имеют высокие тепловые скорости молекул (1.1 и 0.8 км/с. при температуре 300 К). Кажется, что даже при таких скоростях они не могут покинуть атмосферу. Но если заглянуть в её верхние слои, то мы увидим, что температура там может составлять до 1200 К. Следовательно, и скорости будут там в два раза выше. К тому же всегда найдутся молекулы, которые движутся гораздо быстрее. Всё это способствует тому, что некоторая часть водорода и гелия всё же покидает атмосферу. Каждую секунду в космическое пространство отправляется до 1 килограмма водорода. Отсюда возникает интересный вопрос. Почему за всю историю земли данный газ не улетучился полностью? Ответ на этот вопрос то же есть. Оказывается, идет постоянное пополнение водорода. Но откуда он берётся в таких количествах? Ну, конечно же, из воды. Ранее было сказано, что вторым источником образования кислорода в атмосфере является разложение воды под действием излучения. Одним из продуктов этой операции является водород. Именно его образование из воды и позволяет поддерживать долю водорода в земной атмосфере.

Давление атмосферы

Так как атмосфера обладает, какой-то массой, то она должна вследствие силы притяжения оказывать давление на поверхность земли. Причём его значение довольно велико. Например, у самой поверхности земли на человека действует давление в 15.25 тон. Но мы не погибаем только из-за того, что оно распределено на наше тело с одинаковой силой по всем направлениям. В результате чего происходит уравновешивание противоположных сил, и мы не замечаем того груза, что давит на нас. Вернее почти не замечаем. Ведь атмосфера земли редко когда находиться в спокойном состоянии. Обычно, в результате вертикального перемещения воздушных масс возникают области повышенного или пониженного давления. Но так как разница давления в этих областях не настолько уж сильно отличается от обычных значений (на 0.03 – 0.05 атмосферы), это не может нанести нам, какого либо значительного вреда, за исключением случаев его резкого изменения. Тогда ухудшение самочувствия и головная боль большей категории людей обеспечены.

С высотой, давление атмосферы постепенно уменьшается. Равномерно это продолжается до высоты примерно 30 километров. Потом зависимость изменения давления от высоты резко затормаживается. Связано это с тем, что почти 99 процентов массы атмосферы сосредоточено ниже этого уровня. Причём практически половина этой массы находиться ниже пятикилометровой высоты, а три четверти ниже уровня в 10 километров.

С этим фактом связано интересное явление, которое затрагивает непосредственно нашу физиологию. Так, к примеру, поднимаясь высоко в горы, мы замечаем, что становиться трудно, дышать. У нетренированного человека уже на высоте 5 километров начинается кислородное голодание, и его работоспособность значительно снижается. На высоте 15 километров человек уже не в состоянии дышать. Но почему? Ведь кислород содержится в атмосфере вплоть до уровня в 115 километров. Что же мешает дыханию? Оказывается виновато в этом всё тоже атмосферное давление.

Как мы знаем, по мере подъема человека на высоту общее давление атмосферы снижается. Снижается так же и парциальное давление кислорода, то есть давление компонента газовой смеси, которое он бы оказывал, если бы один занимал весь объём смеси. Так как атмосфера состоит из смеси газов, в основном химически не взаимодействующих друг с другом, то давление воздуха складывается из суммы парциальных давлений каждого компонента. Парциальное давление кислорода в воздухе на уровне моря составляет 159 мм рт. ст. В лёгких это же значение составляет 103,38 мм рт. ст., а в венозной крови парциальное давление кислорода еще ниже и равно 40 мм рт. ст. Разница это давления и обеспечивает переход кислорода из воздуха в кровь. Чем меньше эта разница, тем меньше кислорода поступает в организм человека. На большой высоте от 5 до 15 километров, где парциальное давление кислорода довольно низкое, разница в давлениях уже не обеспечивает нормального функционирования организма. А если подняться ещё выше (15 км.) дыхательные функции у человека вообще прекращаются. Именно на этой высоте атмосферное давление равно примерно 87 мм рт. ст., что соответствует сумме парциальных давлений углекислоты и водяных паров в лёгких. Если же человека поднять ещё выше, на высоту от 15 до 19 километров, то начинается кипение воды в межтканевой жидкости организма. Давление воздуха на этой высоте будет равно примерно 47 мм рт. ст., что соответствует давлению паров воды в жидких средах. Нахождение на этой высоте вне герметичной кабины принесёт мгновенную смерть.