Сухой воздух у поверхности Земли примерно на 78,08% по объёму состоит из азота, на 20,95% из кислорода и на 0,93% из аргона. Оставшаяся малая доля включает углекислый газ, неон, гелий, метан, криптон, водород, озон и другие газы. Реальный воздух почти всегда содержит переменное количество водяного пара, а также аэрозольные частицы.
Воздух – смесь, а не одно вещество
У воздуха нет единственной химической формулы. Молекулы разных газов движутся и перемешиваются, не превращаясь при обычных условиях в новое соединение. Азот остаётся N₂, кислород – O₂, аргон существует отдельными атомами, а углекислый газ – молекулами CO₂.
Состав указан по объёму, что для газовой смеси при одинаковых условиях близко к доле молекул. По массе соотношение будет другим, потому что молекулы имеют разную массу. Воздух обладает массой и создаёт давление, хотя кажется невесомым. Эксперименты и объяснение собраны в статье «Имеет ли воздух вес?».
Воздушная оболочка планеты называется атмосферой. Её строение, границы и слои описаны в материале «Атмосфера Земли».
Почему больше всего азота
Молекулярный азот относительно малоактивен при обычной температуре благодаря прочной тройной связи. Он накапливался в атмосфере, тогда как более реакционноспособные газы вступали в химические и биологические циклы. Азот разбавляет кислород и участвует в круговороте через бактерии, растения, животных и почву.
Большинство организмов не может напрямую использовать атмосферный N₂. Азотфиксирующие микроорганизмы переводят его в доступные соединения, а другие процессы возвращают газ в воздух. Почему элемент одновременно важен для белков и применяется в промышленности, объясняет статья «Почему азот называют элементом войны и жизни?».
Кислород и дыхание
Кислород составляет примерно пятую часть сухого воздуха. Он необходим аэробному дыханию и поддерживает горение. Растения, водоросли и цианобактерии выделяют его при фотосинтезе, а дыхание, разложение и окисление потребляют.
Больше кислорода не всегда лучше. Чистый газ резко повышает пожарную опасность, а длительное дыхание высокой концентрацией при определённых давлениях может повреждать ткани. Медицинский кислород назначают по показаниям, а бытовой «кислородный» продукт не автоматически улучшает состояние здорового человека.
В закрытой комнате неприятное ощущение часто связано не с мгновенным исчезновением кислорода, а с накоплением углекислого газа, тепла, влаги и запахов. Проветривание меняет сразу несколько параметров.
Аргон и другие постоянные газы
Аргон занимает почти 1% сухого воздуха. Это благородный газ, который химически малоактивен. Его используют для защитной атмосферы при сварке и в лампах. Неон, гелий, криптон и ксенон присутствуют в следовых количествах.
Их малые доли всё равно можно извлекать промышленным разделением сжиженного воздуха. При сильном охлаждении компоненты конденсируются при разных температурах, что позволяет разделять смесь.
Углекислый газ
Доля CO₂ намного меньше 1%, но его роль непропорционально велика. Растения используют углекислый газ в фотосинтезе. Он поглощает инфракрасное излучение и влияет на климат. Концентрация меняется из-за дыхания, океана, пожаров, вулканов и сжигания ископаемого топлива.
Среднее значение в открытой атмосфере медленно меняется во времени, поэтому старые таблицы могут указывать меньшую цифру. В помещении концентрация способна быть значительно выше из-за дыхания людей и слабой вентиляции. CO₂ без цвета и запаха, поэтому душность нельзя точно измерить носом.
Водяной пар
В отличие от азота и кислорода, содержание воды очень переменно – от почти нуля в холодном сухом воздухе до нескольких процентов в жарких влажных тропиках. Если таблица говорит о «сухом воздухе», водяной пар из расчёта исключён.
Пар участвует в образовании облаков и осадков и является важным парниковым газом. Относительная влажность показывает, насколько воздух близок к насыщению при данной температуре, а не просто точное количество молекул воды. При охлаждении та же масса пара может привести к конденсации.
Озон, метан и следовые вещества
Озон состоит из трёх атомов кислорода. В стратосфере он поглощает опасную часть ультрафиолета. У поверхности озон является загрязнителем, раздражающим дыхательные пути. Место нахождения поэтому определяет его роль.
Метан, закись азота и другие следовые газы влияют на климат и химию атмосферы даже при малой концентрации. Слово «следовой» означает небольшую долю, а не отсутствие эффекта.
Что ещё летает в воздухе
Пыль, морская соль, дым, сажа, капельки жидкости, пыльца, споры и микроорганизмы образуют аэрозоль. Это не постоянные газовые компоненты, но они влияют на видимость, облака и здоровье. Размер частиц определяет, как глубоко они проникают в дыхательную систему.
Загрязнение зависит от транспорта, промышленности, пожаров, отопления и погоды. Наличие «естественной» пыли не делает антропогенное загрязнение безопасным. Качество воздуха оценивают приборами по конкретным веществам.
Меняется ли состав с высотой
В нижних слоях атмосферы турбулентность хорошо перемешивает основные газы, поэтому доли азота и кислорода относительно стабильны. Давление и общее число молекул с высотой уменьшаются. Человек получает меньше кислорода не потому, что его процент резко исчезает, а потому, что падает парциальное давление.
Очень высоко лёгкие и тяжёлые компоненты распределяются иначе, а солнечное излучение расщепляет молекулы. В космическом вакууме привычной смеси уже нет. Почему Земля удерживает оболочку, а открытый космос остаётся почти пустым, объясняет статья «Почему в космосе нет воздуха?».
Давление и практический смысл
Удары молекул о поверхность создают атмосферное давление. Оно меняется с высотой и погодой, влияет на кипение воды, дыхание и работу приборов. Подробнее об этом рассказывает статья «Почему атмосферное давление так важно?».
Таким образом, воздух – динамичная смесь. Основные газы почти постоянны в нижней атмосфере, водяной пар и загрязнители меняются быстро, а даже малые примеси могут иметь большое биологическое и климатическое значение.
