Некоторые античные философы считали, что воздух является первичным элементом или основной субстанцией. Они полагали, что он не разделяется на более простые составляющие. Так, древнегреческий философ Эмпедокл учил, что Вселенная состоит из четырех элементов — воды, земли, огня и воздуха.

В XVII в. английский естествоиспытатель Джон Миов опытным путем пришел к выводу, что одна из частей воздуха поддерживает горение и жизнь. Ее он назвал "горючим воздухом".

Кислород был выделен спустя сто лет после открытия Мио-вом "горючего воздуха". Его выделили одновременно в Англии (Джозеф Пристли) и в Германии (Карл Шееле) . Пристли нагревал ртуть на воздухе до тех пор, пока она не превращалась в красный порошок. При дальнейшем нагревании этого порошка из него выделялся газ, который поддерживал горение лучше, чем обычный воздух. Этот газ и оказался кислородом.

Азот был открыт следующим образом. В 1752 г. Джозеф Блэк в опытах выделил из воздуха вещество, которое он назвал "связанным воздухом". Спустя двадцать лет Даниэль Резерфорд при изучении свойств газа, образованного после сгорания древесного угля, открыл азот (удушливый газ).

Нейтральный газ аргон, который составляет 1% всего объема воздуха, был выделен в 18 94 г. Аргон выделили Джон Рэлей и Ульям Рамзай. Затем были выделены также гелий, неон, криптон, ксенон и водород.

На сегодняшний день установлено, что воздух состоит из следующих составляющих (цифры обозначают объем в процентах): Азот (78,084); Кислород (20,946); Аргон (0,934); Углекислый газ (0,033); Неон (0,000018); Гелий (0,00000524); Метан (0,000002); Криптон (0,00000114); Водород (0,0000005); Окислы азота (0,0000005); Ксенон (0,000000087).

Воздух содержит также целый ряд примесей, находящихся в твердом и жидком состоянии. Все они естественного или искусственного происхождения, имеют весьма различный химический состав, размеры, форму и физические свойства. Эти частицы называются "аэрозолями". Особенно большое количество аэрозолей промышленного происхождения содержится в атмосфере больших городов. Там в одном кубическом сантиметре содержатся тысячи и даже сотни тысяч частиц. Общеизвестно, что над промышленными городами в атмосфере нередко "висят" десятки тысяч тонн сажи и пыли.

Кроме аэрозолей, в атмосфере содержатся крупные частицы пыли и воды, ледяные кристаллы. Все эти примеси играют весьма важную роль в атмосферных процессах или в формировании погоды. Частицы воды, например, служат ядрами, на которых начинается конденсация водяного пара в атмосфере. Поэтому они необходимы для образования тумана, облаков и в конце концов элементов осадков (капель дождя, снежинок ит. д.).

Наличие аэрозолей в атмосфере делает ее менее прозрачной, мутной. Через нее труднее проходит солнечное излучение. Аэрозоли малых размеров сохраняются в атмосфере очень долго. За это время они успевают переноситься воздушными течениями на огромные расстояния. В условиях более сильного перемешивания атмосферы аэрозоли забираются на большие высоты и опускаются, когда процесс перемешивания замедляется. Поэтому ночью, когда атмосферный газ перемешивается менее эффективно, слой аэрозолей находится ниже, чем днем. Процесс распределения аэрозолей по высоте и вообще в пространстве сложен и определяется многими факторами.

Основными составляющими атмосферы, являющимися примесями с малым содержанием, являются сернистый газ (О) , окислы азота, аммиак (Н) , метан (СН) , угарный газ (СО) , озон, а также различные органические соединения. Несмотря на то, что этих примесей относительно всей массы воздуха немного, они очень существенно могут влиять на условия на Земле. Так, например, увеличение содержания углекислого газа в атмосфере от 0,029 в 1900 г. до 0,0334% в 1979 г. привело к заметному увеличению средней температуры атмосферы в приземном слое. Если увеличение содержания углекислого газа будет продолжаться и дальше, то из-за роста температуры может создаться критическая ситуация вследствие таяния льдов Гренландии и Антарктиды. В результате сильно повысится уровень Мирового океана и многие прибрежные города на земном шаре окажутся под водой.

Углекислый газ поглощает и переизлучает часть инфракрасного излучения, которое испускается земной поверхностью. Если его станет больше, то Земля будет продолжать поглощать то же самое количество солнечного излучения, а излучать в окружающую среду будет меньше. Значит, ее температура повысится.

Пыль и другие частицы, которые попадают в атмосферу при извержении вулканов и от других источников загрязнения, также способны повлиять на температуру земной поверхности и приземного слоя воздуха. Чем их больше, тем они сильнее задерживают солнечное излучение и тем самым приводят к уменьшению температуры планеты.

Бытует представление, что очень полезно "подышать озоном". Поэтому многих удивит, что озон является ядом в том случае, если его содержится в воздухе больше определенной (очень малой!) его части. Озон образуется в приземном слое воздуха в результате деятельности промышленности и автотранспорта. Окислы азота и не-сгоревшие углеводороды газов, взаимодействуя под влиянием солнечного излучения, создают густую дымку (фотохимический смог). В одном кубическом метре этого смога содержится до 1мг озона. Этот смог опасен. Он поражает растительность, раздражает дыхательные пути и слизистую оболочку глаз, отрицательно влияет на земную флору и фауну. К сожалению, в настоящее время "озонный смог" наблюдается во многих крупных городах мира.

В природе происходит бесконечно повторяющийся круговорот веществ. В нем участвуют и составляющие воздуха— азот, кислород и углекислый газ. Когда азот находится в газообразном состоянии, он является мимически инертным газом. Но в соединениях, которые называют нитратами, он играет важную роль в обмене веществ в животном и растительном мире. Нитраты создаются растениями, бактерии которых захватывают свободный азот из воздуха. Животные, питаясь растениями, потребляют нитраты. Зеленые растения извлекают углекислый газ из воздуха и с помощью фотосинтеза освобождают кислород. Оценки показывают, что вся растительность земного шара использует за год около 550 млрд. тонн углекислого газа. При этом они освобождают кислород в количестве примерно 400 млрд. т. Углекислый газ поступает в атмосферу, когда растения сгорают или гниют, когда дышат люди и животные, когда испаряются минеральные источники и извергаются вулканы. Продолжительность полного цикла для каждого газа разная. Так, углекислому газу требуется в среднем от одного до трех лет, кислороду — три тысячи лет, а азоту — все сто миллионов лет.

С термометром на воздушном шаре

Чем выше в горы мы поднимаемся, тем становится холоднее. Если же мы поднимемся на самолете на высоту в 9 км, то там (за бортом) температура вообще упадет до минус 40—50°С. Что же выше? До каких пор температура будет уменьшаться по мере нашего подъема вверх? Ясно, что для дальнейшего подъема нам придется пересесть из самолета в ракету. Но при этом надо не забыть прихватить термометр для измерения температуры воздуха. Будем совершать наш подъем на ракете в средней полосе летом, когда температура воздуха на Земле достигает +2 7°С. Мы выбрали такую температуру не только потому, что она реальна в этих условиях, но и потому, что она соответствует круглому числу градусов по шкале Кельвина, а именно 300°К. Это не принципиально, просто более удобно. По мере нашего подъема на каждый километр температура уменьшается на 6,5°. Вдруг на высоте около 12—13 км температура перестает уменьшаться. Это мы достигли нижней части озонного слоя, этого запасника тепла в атмосфере. Здесь и находится озонопауза. Эта область атмосферы, в которой температура падает с высотой, была названа тропосферой. Слово "тропо" означает изменчивый. Это относится к температуре .

Высотный ход температуры атмосферы исследовался задолго до изобретения ракет и самолетов. Изучение температуры атмосферы началось в середине XVIII в. Для этого поднимали термометры на воздушных змеях. В конце XVIII в. термометры стали поднимать на воздушных шарах. И это было очень даже эффективно. Так, хорошо известный физик и химик Жозеф Гей-Люссак в 1804 г. совершил два подъема на воздушном шаре. Во втором подъеме он достиг высоты 7 км. Эти подъемы были очень информативны. Ученый не только измерял температуру воздуха на разных высотах, но и его влажность, а также забирал пробы воздуха на разные уровнях. Анализ этих проб воздуха и позволил впервые заключить, что на этих высотах состав воздуха остается постоянным. С увеличением высоты уменьшается только его плотность.

В том же 1804 г. полет на воздушном шаре совершил русский академик Я. Д. Захаров.

В дальнейшем эти исследования проводились регулярно. Особенно массовыми они стали во второй половине XIX в. Была достигнута рекордная высота— 11,2 км. Это сделал английский метеоролог Джеймс Глайшер. На воздушном шаре с целью исследования атмосферы в 1887 г. поднялся великий русский химик Д. И. Менделеев. Таким образом, с помощью шаров-зондов удалось "прощупать" всю тропосферу.

Выше 11 км стали поднимать на высотных баллонах приборы, которые могли проводить измерения температуры (и других параметров) атмосферного газа без участия человека. Такой прибор был изобретен в 1892 г. Г. Эрмитом и Ж. Безансоном и был назван метеографом. Именно с помощью метеографа в 1928 г. и было обнаружено Л. Бортом, что выше 12 км температура не уменьшается. В такой результат никто не хотел верить — слишком уж парадоксальным он казался. Поэтому решили, что измерения являются ошибочными. Но когда такой же результат показали метеографы в сотнях полетов высотных баллонов, деваться было некуда, — в него поверили. Пришлось признать наличие в атмосфере выше тропосферы слоя, в котором высотный профиль температуры испытывает обращение, то есть инверсию. Поэтому он был назван слоем с инверсией.

Еще в первых измерениях с помощью метеографов было установлено, что тропосфера на разных широтах имеет разную протяженность по высоте (от 8 до 12 км).

Будем продолжать подъем вверх дальше. От 12 до 20 км температура практически не меняется с высотой. Говорят, что этот слой изотермический, то есть слой с постоянной температурой ("изо" значит "равный", "одинаковый"). От 20 до 47км температура с ростом высоты увеличивается. Если в тропосфере перепад температуры по высоте был положительным, то на этих высотах он отрицателен. Выше 47 км (до 51 км) температура снова остается неизменной. Это второй изотермический слой. Вся область от 12 до 51км названа стратосферой ("страто" — "слоистый"). Стратосфера на верхней границе заканчивается стратопаузой. Температура на страто-паузе достигает приблизительно 10—20°С.

Если к тропосферному воздуху добавить тот, что находится в стратосфере, то получим 99% всего воздуха. Выше 51км находится только около 1% всего воздуха.

Выше стратопаузы располагается еще одна (промежуточная) сфера. Она названа мезосферой ("мезос"— "промежуточный") . Здесь снова температура уменьшается с высотой (как и в тропосфере). Мезосфера простирается до высоты 8 6 км. В верхней части мезосфе-ры (на мезопаузе) температура уменьшается до минус 75—90°С.

На мезопаузе высотный профиль температуры снова ломается. Выше мезопаузы температура увеличивается с высотой (как и в стратосфере) . Эта часть атмосферы названа термосферой ("термо" — "тепло") . В термосфере температура достигает многих сотен градусов.

Значит ли это, что попав туда, мы с нашей ракетой попадем в ад? Отнюдь нет! Здесь настолько глубокий вакуум, что понятие температуры приобретает смысл, отличный от принятого нами в ежедневной жизни. Находясь в обычных условиях (на земной поверхности) , мы температурой измеряем степень нагретости тела. В случае газа это значит, что чем выше температура газа, тем больше скорости его молекул. Другими словами, чем быстрее движутся частицы газа, тем больше температура. Говорить о температуре одной частицы нельзя. Можно говорить только о температуре всего газа. Частицы газа должны сталкиваться и обмениваться друг с другом энергией (как бильярдные шары). Чем меньше плотность газа, тем реже сталкиваются частицы, из которых он состоит. На уровне моря молекулы воздуха сталкиваются друг с другом так часто, что между столкновениями молекула пролетает всего несколько миллионных долей сантиметра. Этот путь называется длиной свободного пробега частицы. На высоте 100 км длина свободного пробега частиц достигает одного метра, а в термосфере на высоте 300 км— до 10 км. Поэтому в термосфере надо говорить не просто о температуре, а о кинетической температуре частиц. Она измеряется кинетической энергией частиц, их скоростью. Кинетическая энергия частиц в термосфере очень велика, поэтому высока их кинетическая температура. Но эту высокую температуру мы, оказавшись там, были бы не в состоянии почувствовать, поскольку плотность газа ничтожно мала. Более того, та часть нашего тела, на которую не падали бы солнечные лучи, испытывала бы ледяной холод (несмотря на то, что там кинетическая температура достигает многих сотен градусов).

Выше термосферы имеется еще одна сфера— экзосфера ("зкзо" — "внешняя"). Эта область атмосферы названа так потому, что находящиеся здесь частицы могут иметь скорости, которые больше первой космической скорости (11,2 км/с) . При таких скоростях частицы преодолевают силу земного притяжения и уносятся за пределы земной атмосферы.