Процеси формування хімічного складу атмосферного повітря на висотах

Тривалий час про склад повітря на значних висотах говорили на основі так званої теорії диффузного розподілу газів. Ця теорія походила із закону Дальтона, згідно якого загальний тиск суміші газів дорівнює сумі парціальних тисків окремих газів. З цього випливало, що кожний газ, який входить до складу атмосферного повітря, розподіляється в просторі незалежно від наявності інших газів. В зв'зку з цим, в полі земного тяжіння частка важких газів повинна була б з висотою зменшуватися швидше, ніж легких. Згідно розрахунків, на висоті 100 км атмосфера повинна містити лише водень і гелій, а вище - лише водень.

Однак дослідження спектрів полярних сяянь і мерехтіння нічного неба, а пізніше - досліди за допомогою ракет дозволили встановити, що до висот близько 100 км відсотковий склад основних газів атмосферного повітря не змінюється. А, отже, до висоти 100 км дифузна рівновага відсутня. Це пояснюється діяльністю вертикальних і горизонтальних рухів повітря, які призводять до інтенсивного перемішування повітря. Щодо газоподібних домішок в атмосфері, то їх абсолютні і відносні концентрації зазнають значних змін з висотою.

Вище 100 км спостерігаются значні зміни складу повітря. Це пояснюється тим, що у високих шарах атмосфери дифузна рівновага починає переважати над перемішуванням, відбувається гравітаційний розподіл газів з різною молекулярною масою, в результаті чого вміст більш важких газів зменшується швидше, ніж легких. Також на висотах (у гетеросфері) відбувається дисоціація атмосферних газів під дією короткохвильового сонячного випромінювання. Так, в шарі від 100 до 200 км під дією сонячного випромінювання з довжинами хвиль 0,12-0,17 мкм відбувається дисоціація молекулярного кисню з утворенням атомарного кисню. В шарі від 200 до 500 км відбувається асоціація азоту під дією сонячного випромінювання з довжиною хвиль менше 0,175 мкм.

Загалом, на висотах до 500-600 км в складі атмосферного повітря переважає молекулярний азот і кисень, а також атомарний азот і кисень, в значній мірі присутній монооксид азоту NO, а також легкі гази - водень, гелій. До висоти 1000 км спостерігається зменшення вмісту молекул газів кисню і азоту і збільшення вмісту легких газів. На висотах понад 1000 - до 2000 км атмосфера складена переважно гелієм і воднем, які знаходяться як молекулярному, так і в атомарному станах.

Результати спостережень за допомогою ракет і супутників дозволяють зробити висновок, що водень, який проникає у Всесвіт через зовнішню межу атмосфери, утворює навколо Землі так звану геокорону. По мірі віддалення від Землі щільність геокорони зменшується, а на відстані 3000 км геокорона повністю переходить в міжпланетний простір.

Варто відзначити, що на висотах понад 400 км всі гази перебувають в іонізованому стані. Процес іонізації у верхніх шарах атмосфери відбувається під дією космічного випромінювання. До висоти 800 км концентрація іонізованих газів відмічається в окремих шарах, а вище 800 км зменшується поступово і монотонно в зв'язку із зменшенням густини повітря.