Атмосфера Земли представляет собой сложную многокомпонентную газовую оболочку, окружающую планету и играющую ключевую роль в поддержании жизни, регулировании климата и защите поверхности от космического излучения. Химический состав атмосферы неоднороден как по вертикали, так и по горизонтали, и подвержен изменениям под влиянием природных и антропогенных факторов.
Азот (N₂) — основной газ атмосферы, составляющий около 78 % по объёму. Азот инертен, почти не участвует в химических реакциях при нормальных условиях, но играет важную роль в биогеохимическом цикле, участвуя в процессах азотфиксации и денитрификации.
Кислород (O₂) — второй по содержанию газ (около 21 %). Является высокореакционноспособным элементом, необходимым для окислительных процессов, дыхания живых организмов и горения. Содержание кислорода относительно стабильно, однако может изменяться локально под воздействием антропогенной деятельности, например сжигания топлива.
Аргон (Ar) — инертный благородный газ, составляющий примерно 0,93 %. Не участвует в химических реакциях, служит индифферентной средой для протекания других процессов.
Углекислый газ (CO₂) — составляет около 0,04 %, но имеет важное значение для теплообмена в атмосфере, участвует в углеродном цикле, фотосинтезе растений и глобальном парниковом эффекте. Концентрация CO₂ подвержена значительным колебаниям в результате вулканической активности, сжигания органического топлива и изменения землепользования.
Следовые газы включают неон, гелий, криптон, ксенон, озон (O₃), метан (CH₄), закись азота (N₂O) и другие, общая доля которых не превышает 0,1 %, но они оказывают значительное влияние на климатические и химические процессы.
Атмосфера делится на несколько слоёв, различающихся по температуре, давлению и химическому составу.
Тропосфера — нижний слой, протяжённостью до 8–18 км, где сосредоточено более 75 % массы атмосферы. Здесь происходят все основные метеорологические процессы, формируется погода. Содержание водяного пара и аэрозолей максимально, химический состав относительно однороден.
Стратосфера — находится на высотах от 18 до 50 км. Характеризуется увеличением температуры с высотой из-за поглощения ультрафиолетового излучения озоном. Озоновый слой в стратосфере обеспечивает защиту биосферы от ультрафиолетового облучения.
Мезосфера — высота 50–85 км, температура снижается с увеличением высоты. Здесь наблюдаются процессы диссоциации молекул, образование ионов, горение метеоритов.
Термосфера — 85–600 км, температура резко возрастает, отдельные атомы кислорода и азота ионизированы. Возникают полярные сияния и другие аэрономические явления.
Экзосфера — внешняя часть атмосферы, начинающаяся примерно с 600 км и постепенно переходящая в межпланетное пространство. Газ здесь чрезвычайно разрежен, преобладают атомы водорода и гелия.
Атмосфера характеризуется значительными колебаниями химического состава в зависимости от высоты, широты, времени года и локальных источников загрязнения. Вблизи поверхности концентрации водяного пара, CO₂, оксидов азота, серы и летучих органических соединений могут существенно превышать фоновые значения. В стратосфере и мезосфере химический состав более стабилен, но подвержен фотохимическим процессам, разложению озона и образованию кислородсодержащих радикалов.
Помимо газов, атмосфера содержит микрочастицы твёрдого и жидкого состояния — аэрозоли. Они выполняют важные функции: участвуют в формировании облаков, отражают и рассеивают солнечное излучение, служат носителями химических реакций на поверхности частиц. Основные источники аэрозолей — вулканическая деятельность, пыльные бури, сжигание топлива, морская пена.
Атмосфера — это динамическая химическая система. В ней протекают процессы окисления, фотохимические реакции, образование кислотных осадков, каталитические превращения озона и азотсодержащих соединений. Взаимодействие между газами, аэрозолями и солнечной радиацией определяет качество воздуха, климатические условия и здоровье биосферы.
Точное понимание состава и структуры атмосферы необходимо для оценки воздействия антропогенных выбросов, прогнозирования климатических изменений, разработки методов очистки воздуха и охраны озонового слоя. Химический анализ атмосферы позволяет выявлять источники загрязнения, отслеживать трансформацию веществ и моделировать биогеохимические циклы, обеспечивая научную основу экологической химии.