«Болезни происходят частью от образа жизни, частью от воздуха, который мы вводим в себя и которым мы живем».
Гиппократ, Трактат «О воздухе, водах и местностях».
Земля — уникальная планета в Солнечной системе, способная поддерживать жизнь. Мы защищены от космических лучей, рентгеновского и радиоизлучения Солнца, потенциально опасных метеоритов, геомагнитным полем Земли и атмосферой, которая состоит из воздуха. Благодаря атмосфере и множеству содержащихся в ней газов мы можем дышать и оставаться в безопасности.
Воздух — является фундаментальным элементом нашей планеты, это необходимый ресурс, который обеспечивает жизнь в биосфере и пространство для существования различных форм жизни на Земле.
Гиппократ, один из основоположников научного (системного) подхода к болезням человека и их лечению говорил, что «Воздух — пастбище жизни и величайший властитель всего и во всем». В его трактате «О воздухе, водах и местностях» приводится идея о влиянии географических условий и климата, особенно, сезонов, на организм человека, свойства характера жителей и даже на общественный строй. Идея воздействия воздуха на организм человека является лейтмотивом в медицине во всей истории человечества. Древние римляне говорили «Dum spiro — spero», что означает «Пока дышу — надеюсь». Кислород необходим для дыхания живым существам: животные и люди вдыхают кислород, а выдыхают углекислый газ.
Атмосфера — (от греч. ἀτμός — пар, испарение и σφαῖρα — шар), воздушная (газовая) оболочка, состоящая из ряда газов и взвешенных в ней частиц примесей — аэрозолей, которая удерживается силой тяжести Земли и совершает совместное вращение с нашей планетой. Средняя масса атмосферы составляет около 5,157·1015 тонн или 1/1 200 000 массы Земли и имеет толщину около 500 километров, верхняя граница атмосферы заметна на расстоянии около 1000 км от поверхности. Столб воздуха оказывает давление на поверхность земли: среднее атмосферное давление на уровне моря — 1013,25 гПа (около 760 мм рт. ст.). Средняя по планете температура воздуха у поверхности Земли +15 °C, при этом температура изменяется примерно от +57°C в субтропических пустынях до — 89 °C в Антарктиде [14].
Свойства атмосферы на различных высотах неодинаковы, она условно разделяется на пять основных слоев: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. В промежутке между каждым из этих слоев находятся переходные зоны, называемые «паузами», где происходят изменения температуры, состава и плотности воздуха, поэтому вместе с паузами атмосфера Земли включает 9 слоев.
На верхней границе атмосферы воздух крайне разрежен, а температура достигает 1000–2000 °С. Плотность воздуха и давление убывают с высотой по закону, близкому к экспоненциальному. Атмосфера сокращается с каждым сегментом, пока постепенно не превращается в межпланетное пространство. На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы — около 20 %; масса мезосферы — не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу.
Вертикальное строение атмосферы
Тропосфера — нижний слой атмосферы, который прилегает к поверхности Земли, это основной и самый плотный слой атмосферы, он содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. Верхняя граница тропосферы (зависит от географической широты) находится на высоте 8–10 км в полярных, 10–12 км в умеренных и 16–18 км в тропических широтах; причем, зимой ниже, чем летом. В тропосфере постоянно происходят суточные и сезонные колебания температуры, а температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м и простирается до высоты 7–20 км над уровнем моря.
В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, обусловленные постоянным перемещением воздушных потоков, происходящим в разнообразных направлениях: горизонтальном, вертикальном, турбулентном, вихревом. Именно там постоянно присутствует значительное количество посторонних примесей (твердые, жидкие и газообразные загрязнения) и водяных паров, которые обуславливают в этом слое образование различного рода конденсатных явлений (облака, туманы, атмосферные осадки), там же развиваются циклоны и антициклоны. В тропопаузе (переходный слой от тропосферы к стратосфере) прекращается снижение температуры с высотой.
Стратосфера — слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11–25 км (нижний слой стратосферы) и повышение ее в слое 25–40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остается постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.
В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0°C). Повышение температуры означает, что в этом слое меньше турбулентности и восходящих потоков. В стратосфере в основном происходят горизонтальные перемещения воздушных масс, в силу чего попадающие в стратосферу загрязнения распространяются на большие расстояния (глобальный перенос). Формирование кислорода в атмосфере Земли привело к образованию озонового слоя на высотах примерно 8–30 км и наша планета приобрела защиту от губительного воздействия ультрафиолетового изучения.
Озоновый слой (озоновый щит) расположен на вершине тропосферы, содержит высокую концентрацию озона, который поглощает большую часть высокоэнергетических ультрафиолетовых лучей Солнца. В этом процессе он преобразует это излучение в тепло, делая стратосферу более горячей по мере продвижения вверх по слою. Произвольное изменение в атмосфере количества озона в сторону уменьшения тесно связано с выбросом в атмосферу различных химических веществ антропогенного происхождения, в особенности фреонов.
Разрушение слоя может иметь пагубные биологические последствия. На высотах от 15 до 25 км в холодных областях стратосферы (температура ниже –78°С) формируется очень редкое явление — перламутровые облака, которые за всю историю физики атмосферы наблюдались всего около сотни раз. Самолеты и реактивные самолеты летают в стратосфере, т. к. там трение меньше, что позволяет сократить расход топлива. Для этого атмосферного слоя характерны крайне низкие температуры до –140 °С.
Мезосфера — слой атмосферы, начинается в конце стратосферы на высоте 50 км и простирается до 80–90 км в высоту. Температура мезосферы с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25–0,3) °С/100 м. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около –90 °C), температура падает с высотой, и на его верхней границе — мезопаузе достигает летом 150–160 К, а зимой 200–230 К. Основным энергетическим процессом в мезосфере является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбужденных молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы. Мезосфера до сих пор остается загадкой, поскольку ее весьма трудно изучать. В мезосфере сгорают (растворяются) метеоры, при этом некоторые фрагменты остаются в мезосфере, поэтому в ней относительно много атомов металлов.
Мезопауза (переходный слой между мезосферой и термосферой, верхняя часть мезосферы) является самой холодной частью атмосферы Земли: средняя температура в равна −100 °C. В области мезопаузы на высотах от 75 до 90 километров наблюдаются серебристые облака (открыты в 1885 г.), которые подобно перистым, состоят из мельчайших кристалликов льда. Весьма вероятно, что ядрами конденсации для намерзания льда служат частицы метеорной пыли, проникающие в нашу атмосферу из космического пространства или образующиеся в результате разрушения в атмосфере метеорных тел. В северном полушарии при ясной погоде их можно наблюдать с конца мая до середины августа в часы навигационных сумерек.
До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную (однородную) хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, а концентрация более тяжелых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере и до −110 °C в мезосфере.
Линия Кармана — высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом, находится на высоте 100 км над уровнем моря. Граница атмосферы Земли и ионосферы находится на высоте 118 км — это показывает анализ параметров движения высокоэнергетических частиц, перемещающихся в атмосфере и ионосфере.
Термосфера — слой, который начинается на высоте от 80–90 км и простирается до 800 км, характеризуется быстрым повышением температуры, достигающей на высоте 250 км значений 800–1200 К. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве. В термосфере поглощается корпускулярная и рентгеновская радиация Солнца, тормозятся и сгорают метеоры, поэтому она выполняет функцию защитного слоя Земли.
Хотя этот слой считается частью атмосферы планеты, плотность воздуха в нем очень низкая, характерная для космического пространства. Атомы и молекулы, присутствующие в термосфере, сталкиваются с заряженными частицами из космоса, заставляя их выделять высокую энергию в виде света или прекрасных природных явлений — разноцветных полярных сияний. Кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200–250 км соответствует температуре ~150 °C, здесь температура снова начинает расти, причем, до значительных цифр (500–1000 °К в зависимости от солнечной активности).
Суточные колебания температуры здесь составляют сотни градусов! Но воздух здесь настолько разряжен, что понятие «температуры» в нашем понимании здесь мало что значит. Высота термопаузы в зависимости от солнечной активности меняется от 200 до 500 км. Выше 500 км определение температуры является еще более сложной задачей из-за крайней разреженности этих самых верхних границ земной атмосферы.
Экзосфера — верхний слой атмосферы Земли, зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Атмосферные газы (водород и гелий) в экзосфере чрезвычайно разрежены, идет утечка их частиц в межпланетное пространство (диссипация), что сводит к минимуму вероятность столкновения атомов. Не существует точной линии, определяющей конец экзосферы, эксперты условно помещают ее от 800 км до 3000 км над уровнем моря, где происходит постепенный переход от атмосферы в т. н. ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом, атомами водорода. Вакуумсфера, простирающаяся до высоты около 1000 км, характеризуется сильной степенью разрежения воздуха, этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества.
Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения. На высоте около 2000–3500 км экзосфера постепенно переходит в межпланетное пространство, где практически удается обнаружить лишь отдельные элементы воздушной среды.