Воздух — механическая смесь многих газов. По объему в этой смеси азот составляет 78,08 %, кислород — 20,95 %, аргон — 0,93 % и углекислый газ — 0,03 %. На остальные газы (неон, гелий, криптон, водород и т. д.) остается менее 0,01 %. Состав воздуха не зависит от места и времени, он удивительно постоянен.
По законам физики атмосфера должна была расслоиться по удельному весу газов, но этого не происходит, так как до высоты 100–120 км действует турбулентное (произвольное) перемешивание воздуха. Эту часть атмосферы называют областью полного перемешивания или гомосферой. Выше 100–120 км располагается зона, в которой скорость диффузного разделения газов выше, чем скорость турбулентного перемешивания. Поэтому здесь до высоты 200–250 км преобладает азот, а от 200–250 до 500–700 км — атомарный кислород. В годы «спокойного» Солнца с высоты 500–600 км, а в годы его активности — с 1000–1500 км основными составляющими воздуха явяются гелий и водород. Этот «слоеный пирог» атмосферы (от 100–120 км высоты) из-за множественности слоев называют гетеросферой (рис. 8). Самая внешняя зона атмосферы состоит исключительно из атомарного водорода и называется водородной геокороной: Следы ее прослеживаются на несколько земных радиусов.
Рис. 8. Строение земной атмосферы.
1 — уровень моря; 2 — тропосфера; 3 — тропопауза; 4 — стратосфера; 5 — стратопауза; 6 — мезосфера; 7 — мезопауза; 8 — термосфера; 9 — главный максимум ионизации; 10 — экзосфера; 11 — ионосфера
В атмосфере всегда содержатся пар и различные газообразные загрязнения: выделения вулканов, промышленных предприятий, средств транспорта. Впрочем, последние источники загрязнения пока что «портят» воздух только в самых нижних, приземных слоях областей, локализованных около промышленных центров и крупных жилых массивов. В этом отношении атмосфера находится в несколько лучшем положении, чем почвенный покров литосферы и гидросфера.
Важную роль играют водяной пар, озон и углекислый газ, содержащиеся в атмосфере. В полярных районах в приземном слое влаги содержится около 0,2 %, а в экваториальных — около 3 %. Увеличение концентрации влаги уменьшает объем других газов, поэтому в районах с большой влажностью воздуха в одном и том же объеме меньше азота, кислорода и других газов, чем в сухих районах. Плотность водяного пара быстро убывает с высотой: вдвое — на высоте 2 км, в 10 раз — на уровне 6 км, в 100 раз — на высоте около 8 км, а выше 10–15 км она ничтожно мала. Водяной пар непрерывно поступает с поверхности Мирового океана. На испарение 1 г воды расходуется 2255 Дж тепла. Турбулентное перемешивание распределяет пар над всей поверхностью Земли. В отдельных местах происходит насыщение атмосферы, пар конденсируется, образуя облака. При этом выделяется тепло, затраченное на испарение, нагревающее окружающую атмосферу. Выпадение осадков завершает круговорот влаги в атмосфере.
Концентрация озона (ионизированного трехатомного кислорода) наибольшая на высоте 20–30 км, выше — уменьшается и сходит на нет на высоте 70 км. Количество его составляет менее одной миллионной доли от массы атмосферы, но роль его огромна: озон не пропускает ультрафиолетовое излучение Солнца, опасное для жизни.
Когда говорят о физических свойствах атмосферы, обычно разделяют ее на ряд слоев. Так, говоря об электрических свойствах, выделяют ионосферу, в которой атомы воздуха ионизированы. Ионосфера состоит из нескольких слоев и играет роль экрана, отражающего длинноволновое радиоизлучение.
По температурным характеристикам в атмосфере выделяют (снизу вверх) тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу. Тропосфера — прилегающий к земной поверхности слой, в котором температура уменьшается с высотой равномерно — в среднем на 6,5 °C на 1 км. Тропосфера содержит 80 % массы атмосферы и практически почти весь водяной пар, в тропосфере формируется погода. Стратосфера простирается до высоты 50–55 км. В нижней ее части температура более или менее постоянна, но выше 25 км она понижается до 0—10 °C. Распределение температур в стратосфере зависит от времен года и широты: летом она понижается при движении от полюсов к экватору от —45 до —70 °C, зимой самые высокие температуры приурочены к умеренным широтам. Но в верхней зоне атмосферы летом в экваториальной и полярных областях температура одинакова, а в остальные времена года всегда снижается от экватора к полюсам. В мезосфере температура падает с высотой. В отличие от стратосферы в мезосфере развиты турбулентные движения воздуха. Зимой здесь отмечаются максимальные температуры, а летом — минимальные. Выше располагается термосфера. Температура в ней быстро повышается от — 90 °C на рубеже 90 км до 1000–2000 °C на высоте 400 км. Выше температура воздуха в общем постоянна.