Деякі античні філософи вважали, що повітря є первинним елементом або основною субстанцією. Вони вважали, що він не поділяється на більш прості складові. Так, давньогрецький філософ Емпедокл вчив, що Всесвіт складається з чотирьох елементів - води, землі, вогню і повітря.

В XVII ст. англійський натураліст Джон Миов досвідченим шляхом прийшов до висновку, що одна з частин повітря підтримує горіння і життя. Її він назвав "горючим повітрям".

Кисень був виділений через сто років після відкриття Міо-вом "пального повітря". Його виділили одночасно в Англії (Джозеф Прістлі) і в Німеччині (Карл Шеєле) . Прістлі нагрівав ртуть на повітрі до тих пір, поки вона не перетворювалася в червоний порошок. При подальшому нагріванні цього порошку з нього виділявся газ, який підтримував горіння краще, ніж звичайний повітря. Цей газ і виявився киснем.

Азот був відкритий наступним чином. У 1752 р. Джозеф Блек дослідах виділив з повітря речовина, яке він назвав "пов'язаним повітрям". Через двадцять років Даніель Резерфорд при вивченні властивостей газу, утвореного після згоряння деревного вугілля, відкрив азот (задушливий газ).

Нейтральний газ аргон, який становить 1% всього об'єму повітря, що був виділений в 18 94 р. Аргон виділили Джон Релей та Вільям Рамзай. Потім були виділені також гелій, неон, криптон, ксенон і водень.

На сьогоднішній день встановлено, що повітря складається з наступних складових (цифри позначають обсяг у відсотках): Азот (78,084); Кисень (20,946); Аргон (0,934); Вуглекислий газ (0,033); Неон (0,000018); Гелій (0,00000524); Метан (0,000002); Криптон (0,00000114); Водень (0,0000005); Оксиди азоту (0,0000005); Ксенон (0,000000087).

Повітря містить також цілий ряд домішок, що знаходяться в твердому і рідкому стані. Всі вони природного або штучного походження, що мають досить різний хімічний склад, розміри, форму і фізичні властивості. Ці частинки називаються "аерозолями". Особливо велика кількість аерозолів промислового походження міститься в атмосфері великих міст. Там в одному кубічному сантиметрі містяться тисячі і навіть сотні тисяч частинок. Загальновідомо, що над промисловими містами в атмосфері нерідко "висять" десятки тисяч тонн сажі та пилу.

Крім аерозолів в атмосфері містяться великі частинки пилу і води, крижані кристали. Всі ці домішки відіграють дуже важливу роль в атмосферних процесах або в формуванні погоди. Частинки води, наприклад, служать ядрами, на яких починається конденсація водяної пари в атмосфері. Тому вони необхідні для утворення туману, хмар і зрештою елементів опадів (дощу, сніжинок іт. д.).

Наявність аерозолів в атмосфері робить її менш прозорою, мутною. Через неї важче проходить сонячне випромінювання. Аерозолі малих розмірів зберігаються в атмосфері дуже довго. За цей час вони встигають переноситися повітряними течіями на великі відстані. В умовах більш сильного перемішування атмосфери аерозолі забираються на великі висоти і опускаються, коли процес перемішування сповільнюється. Тому вночі, коли атмосферний газ перемішується менш ефективно, шар аерозолів знаходиться нижче, ніж вдень. Процес розподілу аерозолів по висоті і взагалі в просторі складний і визначається багатьма факторами.

Основними складовими атмосфери, є домішками з малим вмістом, є сірчистий газ (Про) , оксиди азоту, аміак (Н) , метан (СН) , чадний газ (СО) , озон, а також різні органічні сполуки. Незважаючи на те, що цих домішок щодо всієї маси повітря трохи, вони дуже суттєво можуть впливати на умови на Землі. Так, наприклад, збільшення змісту вуглекислого газу в атмосфері від 0,029 в 1900 р. до 0,0334% в 1979 р. привело до помітного збільшення середньої температури атмосфери в приземному шарі. Якщо збільшення змісту вуглекислого газу буде продовжуватися і далі, то через зростання температури може скластися критична ситуація внаслідок танення льодовиків Гренландії і Антарктиди. В результаті сильно підвищиться рівень Світового океану і багато прибережні міста на земній кулі опиняться під водою.

Вуглекислий газ поглинає і перевипромінює частина інфрачервоного випромінювання, яке випускається земною поверхнею. Якщо його стане більше, то Земля буде продовжувати поглинати те ж саме кількість сонячного випромінювання, а випромінювати в навколишнє середовище буде менше. Значить, її температура підвищиться.

Пил та інші частинки, які потрапляють в атмосферу при виверженні вулканів та від інших джерел забруднення, також здатні вплинути на температуру земної поверхні і приземного шару повітря. Чим їх більше, тим вони сильніше затримують сонячне випромінювання і тим самим призводять до зменшення температури планети.

Існує уявлення, що дуже корисно "подихати озоном". Тому багатьох здивує, що озон є отрутою в тому випадку, якщо його міститься в повітрі більше певної (дуже малої!) його частини. Озон утворюється у приземному шарі повітря внаслідок діяльності промисловості і автотранспорту. Оксиди азоту та не-згорілі вуглеводні газів, взаємодіючи під впливом сонячного випромінювання, створюють густу серпанок (фотохімічний зміг). В одному кубічному метрі цього смогу міститься до 1мг озону. Цей зміг небезпечний. Він вражає рослинність, подразнює дихальні шляхи і слизову оболонку очей, негативно впливає на земну флору і фауну. На жаль, в даний час "озоновий зміг" спостерігається в багатьох великих містах світу.

У природі відбувається безкінечний кругообіг речовин. У ньому беруть участь і складові повітря - азот, кисень і вуглекислий газ. Коли азот знаходиться в газоподібному стані, він є мімічно інертним газом. Але в з'єднаннях, які називають нітратами, він відіграє важливу роль в обміні речовин у тваринному і рослинному світі. Нітрати утворюються рослинами, бактерії яких захоплюють вільний азот з повітря. Тварини, харчуючись рослинами, споживають нітрати. Зелені рослини витягають вуглекислий газ з повітря і з допомогою фотосинтезу звільняють кисень. Оцінки показують, що вся рослинність земної кулі використовує за рік близько 550 млрд. тонн вуглекислого газу. При цьому вони звільняють кисень у кількості приблизно 400 млрд. т. Вуглекислий газ надходить в атмосферу, коли рослини згорають або гниють, коли дихають люди і тварини, коли випаровуються мінеральні джерела і вивергаються вулкани. Тривалість повного циклу для кожного газу різна. Так, вуглекислого газу потрібно в середньому від одного до трьох років, кисню - три тисячі років, а азоту - всі сто мільйонів років.

З термометром на повітряній кулі

Чим вище в гори ми піднімаємося, тим стає холодніше. Якщо ж ми піднімемося на літаку на висоту в 9 км, то там (за бортом) температура взагалі впаде до мінус 40-50°С. Що ж вище? До яких пір температура буде зменшуватися по мірі нашого підйому вгору? Ясно, що для подальшого підйому нам доведеться пересісти з літака в ракету. Але при цьому треба не забути прихопити термометр для вимірювання температури повітря. Будемо робити наш підйом на ракеті в середній смузі влітку, коли температура повітря на Землі досягає +2 7°С. Ми вибрали таку температуру не тільки тому, що вона реальна в цих умовах, але й тому, що вона відповідає круглого числа градусів за шкалою Кельвіна, а саме 300°К. Це не принципово, просто більш зручно. По мірі нашого підйому на кожен кілометр температура зменшується на 6,5°. Раптом на висоті близько 12-13 км температура перестає зменшуватися. Це ми досягли нижньої частини озонного шару, цього резерву тепла в атмосфері. Тут і знаходиться озонопауза. Ця область атмосфери, в якій температура падає з висотою, була названа тропосферою. Слово "тропо" означає мінливий. Це відноситься до температурі .

Висотний хід температури атмосфери досліджувався задовго до винаходу ракет і літаків. Вивчення температури атмосфери почалося в середині XVIII ст. Для цього піднімали термометри на повітряних зміях. В кінці XVIII ст. термометри стали піднімати на повітряних кулях. І це було дуже навіть ефективно. Так, добре відомий фізик і хімік Жозеф Гей-Люссак у 1804 р. здійснив два підйому на повітряній кулі. У другому підйомі він досяг висоти 7 км. Ці підйоми були дуже інформативні. Вчений не тільки вимірював температуру повітря на різних висотах, але і його вологість, а також забирав проби повітря на різних рівнях. Аналіз цих проб повітря і дозволив вперше укласти, що на цих висотах склад повітря залишається постійним. Із збільшенням висоти зменшується його щільність.

У тому ж 1804 р. політ на повітряній кулі зробив російський академік Я. Д. Захаров.

Надалі ці дослідження проводилися регулярно. Особливо масовими вони стали у другій половині XIX ст. Була досягнута рекордна висота - 11,2 км. Це зробив англійський метеоролог Джеймс Глайшер. На повітряній кулі з метою дослідження атмосфери в 1887 р. піднявся великий російський хімік Д. І. Менделєєв. Таким чином, з допомогою куль-зондів вдалося "промацати" всю тропосферу.

Вище 11 км стали піднімати на висотних балонах прилади, які могли проводити вимірювання температури та інших параметрів) атмосферного газу без участі людини. Такий прилад був винайдений в 1892 р. Р. Эрмитом і Ж. Безансоном і був названий метеографом. Саме з допомогою метеографа в 1928 р. і було виявлено Л. Бортом, що вище 12 км температура не зменшується. В такий результат ніхто не хотів вірити - надто вже парадоксальним він здавався. Тому вирішили, що вимірювання є помилковими. Але коли такий же результат показали метеографы в сотнях висотних польотів балонів, діватися було нікуди, - в нього повірили. Довелося визнати наявність в атмосфері вище тропосфери шару, в якому висотний профіль температури відчуває звернення, тобто інверсію. Тому він був названий шаром з інверсією.

Ще в перших вимірах за допомогою метеографов було встановлено, що тропосфера на різних широтах має різну протяжність по висоті (від 8 до 12 км).

Будемо продовжувати підйом вгору далі. Від 12 до 20 км температура практично не змінюється з висотою. Кажуть, що цей шар ізотермічний, тобто шар з постійною температурою ("з" означає "рівний", "однаковий"). Від 20 до 47км температура з ростом висоти збільшується. Якщо в тропосфері перепад температури по висоті був позитивним, то на цих висотах він від'ємний. Вище 47 км (до 51 км) температура знову залишається незмінною. Це другий ізотермічний шар. Вся область від 12 до 51км названа стратосферою ("страто" - "шаруватий"). Стратосфера на верхній межі закінчується стратопаузой. Температура на страто-паузі досягає приблизно 10-20°С.

Якщо до тропосферному повітрю додати той, що знаходиться в стратосфері, то отримаємо 99% всього повітря. Вище 51км знаходиться лише близько 1% всього повітря.

Вище стратопаузы розташовується ще одна проміжна) сфера. Вона названа мезосферой ("мезос"- "проміжний") . Тут знову температура зменшується з висотою (як і в тропосфері). Мезосфера простягається до висоти 8 6 км. У верхній частині мезосфе-ри (на мезопаузе) температура зменшується до мінус 75-90°С.

На мезопаузе висотний профіль температури знову ламається. Вище мезопаузы температура зростає з висотою (як і в стратосфері) . Ця частина атмосфери названа термосферой ("термо" - "тепло") . У термосфере температура досягає багатьох сотень градусів.

Чи означає це, що потрапивши туди, ми з нашою ракетою потрапимо в пекло? Зовсім ні! Тут настільки глибокий вакуум, що поняття температури набуває сенс, відмінний від прийнятого нами у щоденному житті. Перебуваючи в звичайних умовах (на земній поверхні) , ми температурою вимірюємо ступінь нагретости тіла. У разі газу це означає, що чим вища температура газу, тим більше швидкість його молекул. Іншими словами, чим швидше рухаються частинки газу, тим більше температура. Говорити про температуру однієї частинки не можна. Можна говорити лише про температуру всього газу. Частинки газу мають зустрічатися і обмінюватися один з одним енергією (як більярдні кулі). Чим менше щільність газу, тим рідше стикаються частинки, з яких він складається. На рівні моря молекули повітря стикаються один з одним так часто, що між зіткненнями молекула пролітає лише кілька мільйонних часток сантиметра. Цей шлях називається довжиною вільного пробігу частинки. На висоті 100 км довжина вільного пробігу частинок досягає одного метра, а в термосфере на висоті 300 км - до 10 км. Тому в термосфере треба говорити не просто про температуру, а про кінетичної температурі частинок. Вона вимірюється кінетичною енергією частинок, їх швидкістю. Кінетична енергія частинок в термосфере дуже велика, тому висока їх кінетична температура. Але цю високу температуру ми, опинившись там, були б не в змозі відчути, оскільки щільність газу мізерно мала. Більше того, та частина нашого тіла, на яку не падали сонячні промені, відчувала б крижаний холод (незважаючи на те, що там кінетична температура досягає багатьох сотень градусів).

Вище термосфери є ще одна сфера - екзосфера ("зкзо" - "зовнішня"). Ця область атмосфери названа так тому, що тут знаходяться частинки можуть мати швидкості, які більше першої космічної швидкості (11,2 км/с) . При таких швидкостях частинки долають силу земного тяжіння і виносяться за межі земної атмосфери.