Жер атмосферасының салмағы қанша?

Көрінбейтін газдық қабықша ғарыштық сәулеленуден тірі ағзаларды қорғап, тіршілік үшін қажетті жағдайларды қамтамасыз етеді. Бұл мөлдір сфера салмақсыз болып көрінеді, себебі күнделікті өмірде оның қысымын сезбейміз. Алайда ауа молекулаларының әрқайсысы массаға ие, ал олардың жиынтығы әсерлі шаманы құрайды. Ғалымдар бұл ауалық қабаттың параметрлерін ұзақ уақыт бойы жоғары дәлдікпен есептеуді үйренді. Атмосфераның сандық сипаттамалары туралы сұрақ Жер жүйелерінің таңғажайып масштабтарын ашады. Бүгін біз бұл өмір үшін маңызды қабаттың массасын қалай анықтауға болатынын білеміз.

Ауалық қабықтың құрамы мен құрылымы

Жер атмосферасы планетаның гравитациясымен ұстап тұрған газдар қоспасынан тұрады. Негізгі үлесі азот пен оттегіге тиеді, олар аргон, көмірқышқыл газы және су буының аз мөлшердегі қоспаларымен толықтырылады. Газдық сфера біркелкі емес таралған: ең жоғары концентрация беткейде байқалып, биіктікке қарай біртіндеп сирейді. Ғарыштың шартты шекарасы Карман сызығы бойымен теңіз деңгейінен жүз километр биіктікте өтеді.

Құрылымның негізгі ерекшеліктеріне мыналар жатады:

• азоттың көлемдегі үстемдігі жетпіс сегіз пайызды құрайды; оттегі шамамен жиырма бір пайызды алады; қалған компоненттер іздер мөлшерінде кездеседі;
• қабаттарға бөлу температура градиенттері бойынша жүреді; тропосфера беткейге жақын орналасып, ауаның негізгі массасын қамтиды; стратосфера теңіз деңгейінен елу километр биіктікке дейін созылады;
• газ қоспасының тығыздығы биіктік өскен сайын экспоненциалды түрде азаяды; он километрлік белгіде қысым шамамен үш есе төмендейді; жоғарғы қабаттарда молекулалар бір-бірінен қашық қашықтықта орналасады.

Бұл сипаттамалар газдық қабықтың жалпы массасын есептеу үшін физикалық заңдарды қолдануға мүмкіндік береді.

Жалпы массаны есептеу әдістері

Атмосфераның салмағын анықтау Жер бетіндегі атмосфералық қысымды өлшеуге негізделген. Стандартты мән шаршы метрге шамамен жүз отыз бес мың паскальды құрайды. Бұл шама ауа бағанасының ауданның бірлігіне түсіретін күшін көрсетеді. Қысымды Жер шарының жалпы бетіне көбейтіп, ізделіп отырған сипаттаманы аламыз.

Есептеудің негізгі кезеңдері:

1. Теңіз деңгейіндегі қысымды барометр көмегімен өлшейді. Алынған мәнді планеталық бет ауданына көбейтеді. Нәтиже ньютонмен өрнектелген жалпы қысым күшін береді.
2. Массаға күшті аудару үшін Ньютонның екінші заңын қолданады. Алынған шаманы еркін түсу үдеуіне бөледі. Есептеулер жуықтап алғанда бес бүтін он бес жүздік квадриллион килограммға тең нәтиже береді.
3. Жергілікті жер бедері биіктігі мен маусымдық тербелістерге түзету енгізеді. Су буы аз ғана ауыспалы компонентті қосады. Бірақ жалпы шама бір пайыз шегінде тұрақты қалады.

Осындай есептеулер жерсеріктік бақылаулар мен аэростаттық өлшеулер мәліметтерімен расталады.

Масштабтарды салыстырулық талдау

Алынған сан қиялдау қиын, нақты мысалдарсыз түсінуге болмайды. Масштабты түсіну үшін ауалық қабықтың массасын таныс заттармен салыстыру пайдалы. Осындай салыстырулар планеталық жүйелердің шынайы пропорцияларын түсінуге көмектеседі. Олар Жер атмосферасының әдемілігі мен сынғыштығын бір мезгілде көрсетеді.

Қызықты салыстыруларға мыналар жатады:

• ауалық сфера массасы бес миллион миллиард тоннаға тең; бұл шама өзі планетаның массасынан миллион есе аз; газдық қабық Жер затының аз үлесін құрайды;
• барлық ауаны беткей бойымен біркелкі қабат ретінде таратсақ, оның қалыңдығы он метр болар еді; бұл кезде тығыздығы сумен салыстырымды болар еді; осындай модель газдардың таралуын көз алдына елестетуге көмектеседі;
• адамзат жыл сайын атмосфераға шамамен отыз алты миллиард тонна көмірқышқыл газын шығарады; бұл сан үлкен болып көрінсе де, жалпы массаның бір миллионнан азырақ үлесін құрайды; бірақ мұндай пропорциялар тіпті климатты өзгерте алады.

Осындай есептеулер климаттық жүйенің құрамындағы аз ғана өзгерістерге қаншалықты сезімтал екенін көрсетеді.

Массаның өзгеру динамикасы

Ауалық қабық жалпы массаның тұрақтылығына қарамастан статикалық жүйе емес. Жеке компоненттер тіршілік-геохимиялық циклдар арқылы планетаның басқа сфераларымен үздіксіз алмасады. Су буы мұхит бетінен буланып, жауын-шашын түрінде қайта оралады. Оттегі тірі ағзалар тарабынан тұтынылып, фотосинтез процесінде өсімдіктер шығарады.

Тербелістерге әсер ететін факторлар:

• жеңіл газдардың ғарышқа ұшып кетуі үздіксіз жүреді; сутегі мен гелий планетаны секундына бірнеше жүз грамм жылдамдықпен тастап кетеді; бұл процесс вулкандық әрекетпен теңгеріледі;
• метеориттік материал жыл сайын атмосфераға шамамен қырық мың тонна зат қосады; көп бөлігі тығыз қабаттарға кіру кезінде жанып кетеді; қалдықтар ғарыштық шаң ретінде беткейге жатады;
• адамзат әрекеті құрамды өзгертеді, бірақ жалпы массаны емес; жану материалдарын жағу көміртегіні сфералар арасында қайта таратады; заттардың жалпы мөлшері шамамен өзгеріссіз қалады.

Бұл процестер өте баяу жүреді, сондықтан тәжірибелік мақсаттар үшін атмосфераның массасын тұрақты шама деп есептеуге болады.

Жер атмосферасы өзінің көрінетін салмақсыздығына қарамастан, бес квадриллионнан астам килограмм массасы бар Жер масштабтары бойынша колоссалдық жүйе болып табылады. Бұл сан планета радиусының бір пайызынан да аз қалыңдықтағы салыстырмалы жұқа қабатта барлық осы масса шоғырланғанын еске түсіргенде әсіресе таңғаларлық. Газдық қабықтың сынғыш тепе-теңдігі беткейдегі барлық тіршілікті қолдап тұрады, табиғатта масштаб пен қызметтердің таңғажайып өзара байланысын көрсетеді. Біздің ауалық қорғанысымыздың шынайы параметрлерін түсіну оның құрамы мен қасиеттерін сақтауға деген жауапкершілікті күшейтуі тиіс.