Ziemię otacza gazowa powłoka - atmosfera - utrzymująca się wokół globu w wyniku oddziaływania siły grawitacji. Powłoka ta składa się z mieszaniny gazów i rozproszonych w nich domieszek, głównie pary wodnej oraz kropli i kryształków ciekłej i zamarzniętej wody, a także cząstek pyłów, tworzących tzw. aerozol. Mieszaninę gazowych składników atmosfery określa się jako powietrze atmosferyczne.

Pierwotny skład i udział gazów atmosferycznych był zupełnie inny. W pierwszym okresie istnienia Ziemi, w wyniku jej szybkiego stygnięcia, atmosfera zawierała głównie azot, dwutlenek węgla i parę wodną.

Obecnie głównymi składnikami powietrza są azot i tlen. W jednostce objętości suchego powietrza przy powierzchni Ziemi znajduje się około 78% azotu i około 21% tlenu, co stanowi łącznie 99%. W dalszej kolejności występuje argon, a w ilościach śladowych neon, metan, krypton, wodór. Wymienione gazy wchodzące w skład powietrza często nazywa się „stałymi”. Ich udziały są stałe i nie zmieniają się aż do wysokości około 100 km. Zawartość w atmosferze takich gazów, jak przede wszystkim para wodna, dwutlenek węgla i ozon jest zmienna i to zarówno w czasie, jak i przestrzeni. Stąd nazywane są często gazami „zmiennymi”. Za zmienne składniki atmosfery należy uznać także wiele zanieczyszczeń atmosfery, które przedostają się do niej w wyniku różnych zjawisk i procesów zachodzących na samej powierzchni Ziemi bez udziału człowieka (np. w wyniku działalności wulkanicznej) lub stanowiące uboczny produkt gospodarczej działalności człowieka.

Szczególnym składnikiem atmosfery jest para wodna. Jest jedynym gazem mogącym w warunkach panujących w atmosferze przechodzić w stan stały i ciekły. Para wodna znajdująca się w atmosferze pochodzi z parowania wody w zbiornikach, powierzchni pokrytych śniegiem i lodem oraz powierzchni lądowych wraz z szatą roślinną. Największe ilości pary wodnej znajdują się w warstwie powietrza bezpośrednio przylegającej do powierzchni parującej (90% jej masy zawiera dolna 6-kilometrowa warstwa atmosfery). W atmosferze ziemskiej znacznie więcej jest wody skupionej w postaci gazu (pary wodnej), niż w postaci produktów kondensacji pary wodnej tworzących chmury. Zawartość pary wodnej w atmosferze jest bardzo zmienna. Średni czas przebywania wody w atmosferze jest stosunkowo krótki, szacuje się go na około 10 dni. Najwięcej pary wodnej występuje powietrzu okołorównikowym, a najmniej w powietrzu okolic okołobiegunowych i zwrotnikowym.

W wyniku kondensacji pary wodnej formują się chmury i powstają opady. Krążenie wody, za pomocą wymywania i wychwytywania, przyczynia się ponadto do oczyszczania atmosfery. Woda w atmosferze często uczestniczy pod postacią pary w reakcjach chemicznych lub też tworzy środowisko reakcji dla innych substancji rozpuszczonych w niej. Obecność tlenu w atmosferze jest nieodzownym warunkiem życia na Ziemi. Głównym źródłem tlenu w atmosferze była i jest przyroda ożywiona. W miarę pojawiania się coraz większej liczby organizmów, różnych ich form i opanowania praktycznie wszystkich zakątków lito- i hydrosfery, zwiększał się systematycznie udział tlenu w powietrzu atmosferycznym. Około 400 mln lat temu stężenie tlenu w atmosferze osiągnęło poziom taki, jaki obserwujemy dzisiaj.

Tlen atmosferyczny uczestniczy w procesach utleniania i redukcji, zachodzących z udziałem substancji organicznych i nieorganicznych. Tlen jest zużywany w procesie wietrzenia i w procesie glebotwórczym, a około 20% całkowitej ilości w atmosferze jest wykorzystywana w procesach życiowych innych organizmów i rozpuszczana w zbiornikach wodnych, gdzie bierze udział w rozkładzie materii organicznej.

Obecnie w procesie fotosyntezy każdego roku jest uwalniane do atmosfery około 20 mld ton tlenu, pod warunkiem, że nie brakuje roślin zielonych.

Dwutlenku węgla w powietrzu atmosferycznym znajduje się stosunkowo mało. Stanowi on tylko około 0,0325% całej objętości powietrza. Jest to wartość średnia i w zależności od specyfiki warunków lokalnych, a także warunków pogodowych, pory doby i pory roku, notuje się dość znaczne odchylenia od tej wartości. W dużych aglomeracjach miejskich koncentracja tego gazu może dochodzić nawet do 0,08%. Dla człowieka szkodliwa staje się wielkość koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze, gdy jego objętość procentowa przekracza 0,2%.

Tlen i dwutlenek węgla są niezbędne dla wszystkich procesów życiowych. Wszelkie organizmy żywe pobierają przy oddychaniu tlen i wydzielają dwutlenek węgla. Rośliny zielone w procesie fotosyntezy przyswajają dwutlenek węgla z powietrza przy współudziale światła, wykorzystując węgiel do produkcji substancji organicznych. Ponieważ dwutlenek węgla jest zużywany w procesie fotosyntezy, musi on być stale uzupełniany. Do atmosfery gaz ten przedostaje się w procesie spalania surowców energetycznych, rozkładu materii organicznej oraz oddychania organizmów żywych. Gaz ten, w stosunkowo niewielkiej ilości przedostaje się do atmosfery podczas wybuchów wulkanicznych, ze źródeł mineralnych itp. Bardzo ważnym źródłem, które zasila atmosferę w dwutlenek węgla jest oddychanie organizmów żywych, ludzi, zwierząt i roślin oraz tzw. oddychanie gleby.

W oddychaniu gleby decydującą rolę odgrywają korzenie roślin wyższych i organizmy glebowe, które w glebie mineralizują resztki roślin i zwierząt wydzielając przy tym dwutlenek węgla do atmosfery. W lesie największe znaczenie mają tu żyjące w glebie bakterie i grzyby, czynne przy rozkładzie ściółki. Gleba bogata w bakterie i grzyby, zatem intensywnie oddychająca, jest glebą biologicznie czynną.

Pokrywa glebowa nie przepuszczająca powietrza, zwięzła gleba i stagnująca woda utrudniają albo wprost uniemożliwiają oddychanie gleby. Wówczas gleba w powierzchniowych poziomach ubożeje w tlen i rozkładowa działalność drobnoustrojów słabnie, system korzeniowy drzew ulega spłaszczeniu i przyrost maleje. Natomiast w glebach dobrze przewietrzanych oddychanie gleby jest intensywne, a produkcja dwutlenku węgla duża. Przy stężeniu dwutlenku węgla poniżej 1% jest on dla tkanek roślinnych nieszkodliwy, przy większej koncentracji zaczynają już występować objawy zatrucia. Ponieważ dwutlenek węgla osiąga większe stężenie w glebie, ujemne wpływy dotyczą prawie wyłącznie korzeni, nasion i organizmów glebowych.

Mimo niewielkiej ilości dwutlenku węgla w atmosferze, ma on ogromne znaczenie dla całej produkcji roślinnej. Obok światła i wody jest niezbędnym czynnikiem procesu fotosyntezy, której intensywność zależy od zawartości dwutlenku węgla w powietrzu. Każde powiększenie fotosyntezy powoduje prawie proporcjonalny wzrost asymilacji dwutlenku węgla, zarówno u roślin światłożądnych, jak i znoszących ocienienie. Dwutlenek węgla jest niezbędny dla wzrostu masy organicznej roślin w procesie fotosyntezy. W około 50% sucha masa roślinna składa się z węgla, którego źródłem jest dwutlenek węgla znajdujący się w atmosferze. Aby wyprodukować 1 m3 masy drewna i liści, drzewostan musi przerobić około 820 m3 dwutlenku węgla.

W lasach największa zawartość dwutlenku węgla jest w przyziemnej warstwie pod okapem drzewostanu i może dochodzić do 0,06% objętości powietrza. Z wysokością ilość dwutlenku węgla zmniejsza się i w górnym piętrze koron, wskutek intensywnej asymilacji w dzień, osiąga wartość 0,03%. Stosunkowo duża zawartość dwutlenku węgla do wysokości około 1 m nad glebą ma duże znaczenie ekologiczne, ponieważ powoduje energiczną fotosyntezę nalotów drzew, nawet przy słabym oświetleniu. Dlatego leśnik powinien starać się zachować tę korzystną sytuację, dbając o dobry rozkład ściółki i próchnicy, utrzymując drzewostany w umiarkowanym zwarciu i nie dopuszczając do utraty przez glebę leśną struktury gruzełkowatej. Przeciwdziałają usuwaniu dwutlenku węgla z dna lasu: bezzrębowy sposób zagospodarowania, ściany ochronne na brzegach drzewostanów oraz warstwowa budowa lasu.

Ważnym składnikiem atmosfery, którego ilość w powietrzu zmienia się, jest ozon. Największą koncentrację tego gazu obserwuje się w stratosferze, w warstwie znajdującej się na wysokości między 20 i 30 km. Zawartość ozonu zmienia się z wysokością, położeniem geograficznym, porą roku i porą doby. Ozon tworzy się w atmosferze w wyniku reakcji fotochemicznej. Istnienie warstwy ozonu ma ważne znaczenie dla życia organicznego na Ziemi. Gaz ten silnie pochłaniając promieniowanie nadfioletowe Słońca, zapobiega szkodliwym skutkom jego wpływu na życie biologiczne. Ozon znajdujący się w stratosferze jest czynnikiem nieodzownym do rozwoju życia na Ziemi. Większa ilość tego gazu w troposferze, tuż przy powierzchni Ziemi jest natomiast szkodliwa. Naturalne stężenie ozonu w troposferze jest w przybliżeniu sto razy mniejsze niż w stratosferze. Jest tutaj tylko około 1/10 całej ilości ozonu zawartego w atmosferze.

Naturalnym źródłem ozonu dla troposfery jest głównie stratosfera. W miarę rozwoju przemysłu obserwuje się stały wzrost ilości ozonu w troposferze. Szacuje się, że w XX w. nastąpiło podwojenie się ilości ozonu w tej warstwie atmosfery, a jego udział w efekcie cieplarnianym szacuje się już na około 8%. Tworzeniu się ozonu w troposferze sprzyja obecność tlenków azotu, tlenku węgla i innych związków chemicznych powstających w procesach produkcyjnych różnych gałęzi przemysłu. Warstwa ozonowa stanowi bardzo wrażliwy na zakłócenia element struktury atmosfery. Jest jedynym ekranem, osłaniającym powierzchnię Ziemi przed dostępem promieniowania ultrafioletowego, destrukcyjnie działającego na tkanki organizmów żywych. Z tego względu ozon atmosferyczny spełnia rolę ważnego, być może najważniejszego czynnika kształtującego ekoklimat Ziemi.

W wyniku wielu procesów naturalnych, a także działalności człowieka, w atmosferze ziemskiej występuje wiele substancji gazowych, ciekłych oraz cząstek ciał stałych, które powodują zanieczyszczenie atmosfery. Wśród substancji gazowych stanowiących zanieczyszczenie atmosfery spotyka się dwutlenek siarki, dwutlenek azotu, tlenek węgla i inne. Często również do tej grupy zalicza się dwutlenek węgla, gdyż jego koncentracja wykazuje związki z działalnością człowieka. Do substancji zanieczyszczających naszą atmosferę zalicza się także pary związków chemicznych będących produktem ubocznym w niektórych procesach technologicznych, ulegających w atmosferze skraplaniu. W tym przypadku mamy do czynienia z zanieczyszczeniami przybierającymi postać cieczy.

Do substancji zanieczyszczających atmosferę ziemską, a występujących w postaci cząstek ciał stałych zalicza się wszelkiego rodzaju pyły, które mogą być pochodzenia naturalnego lub przedostawać się do atmosfery wskutek gospodarczej działalności człowieka. Zawieszone w atmosferze zanieczyszczenia w postaci ciekłej lub stałej nazywa się aerozolami. Ciekłe lub stałe cząstki zawieszane w powietrzu mają bardzo małe rozmiary. Ponad 95% ma średnice mniejsze od 10 mikrometrów. Ilość ich w atmosferze na różnych wysokościach i w różnych miejscach na kuli ziemskiej jest bardzo zróżnicowana. Największa ich ilość jest notowana w najniższych warstwach atmosfery, przy powierzchni Ziemi i szybko maleje w miarę wzrostu wysokości. Zależy ona od pory dnia, pory roku itd.

Wszystkie zanieczyszczenia występujące w atmosferze ziemskiej ze względu na genezę można podzielić na dwie grupy. Mogą one być pochodzenia naturalnego lub sztucznego (pochodzenia antropogenicznego). Do zanieczyszczeń pochodzenia naturalnego należą: pyły kosmiczne, aerozole pochodzenia morskiego, pyły zwiewane z powierzchni lądowych, pyły i gazy wulkaniczne, mikroorganizmy (bakterie, zarodniki roślin, pyłki kwiatowe), martwe okruchy organizmów roślinnych i zwierzęcych itp. Zanieczyszczenia atmosferyczne pochodzenia sztucznego są jednym ze skutków działalności gospodarczej człowieka.

Spośród zagrożeń antropogenicznych, najgroźniejsze dla lasów są zanieczyszczenia powietrza, a zwłaszcza tlenkami siarki i tlenkami azotu pochodzenia przemysłowego, emitowane ze źródeł krajowych i zagranicznych.

Gazy, sadza i pył szkodzą roślinom w sposób mechaniczny i chemiczny. Sadza i pył osadzając się na organach asymilacyjnych zatykają szparki i hamują fotosyntezę, transpirację i oddychanie. Uszkodzenia chemiczne wywołuje dwutlenek siarki, który przenikając przez szparki do wnętrza liścia i komórek wiąże żelazo w chloroplastach, a tym samym wyłącza je z procesu fotosyntezy. W wyniku działania dwutlenku siarki zawartość komórek obumiera, chlorofil zanika i liście żółkną. Następują zaburzenia w bilansie wodnym rośliny, uszkodzenie tkanek, osłabienie fotosyntezy, zmniejszenie przyrostu drzew i ich powolne zamieranie.

Oprócz bezpośredniego oddziaływania emisji na roślinność, zaznacza się również ich wpływ pośredni. Z deszczem dostają się do gleby gazy, głównie dwutlenek siarki i różne kwasy, które mogą działać odwapniająco, co szczególnie ujemnie odbija się na glebach ubogich w wapń. Pył węglowy pogarsza fizyczne właściwości gleby, zmniejszając jej przewiewność i przesiąkliwość. Oprócz odczynu gleby zmiany dotyczą także materii organicznej, roztworów glebowych i kompleksu sorpcyjnego.

Szkodliwy wpływ dymów i pyłów na las przejawia się przede wszystkim w bezpośrednich skutkach działania substancji trujących na drzewa lub drzewostany, które zależnie od koncentracji zanieczyszczeń ulegają ostrym lub chronicznym schorzeniom. Zanieczyszczenia powietrza, ze względu na ich permanentne i wielostronne oddziaływania na ekosystemy leśne, stały się głównym czynnikiem sprawczym osłabienia procesów fizjologicznych drzew. Są one przyczyną deformacji, przebarwień, a w konsekwencji znacznego pogorszenia stanu zdrowotnego i obniżenia produkcyjności lasów.

Pamiętając, że nie ma gatunków całkowicie odpornych (przy dużych koncentracjach związków toksycznych giną i gatunki uważane za najodporniejsze), można w naszych warunkach podzielić drzewa leśne na 4 grupy:

1. Drzewa bardzo wrażliwe: jodła pospolita, świerk pospolity, sosna zwyczajna, sosna Banksa, lipa szerokolistna.
2. Drzewa wrażliwe: świerk kłujący, lipa drobnolistna, wiąz, jarząb, jesion amerykański, kasztanowiec.
3. Drzewa mało wrażliwe: modrzew polski, modrzew europejski, jedlica zielona, jodła kalifornijska, dąb szypułkowy, dąb bezszypułkowy, klon zwyczajny, jesion wyniosły, olsza czarna, topola czarna, topola niekłańska.
4. Drzewa najodporniejsze: sosna czarna, sosna wejmutka, brzoza gruczołkowata, osika, olsza szara, klon polny, buk, dąb czerwony, robinia akacjowa, topola berlińska, lipa krymska, lipa srebrzysta.

Podział ten może być pomocny przy ustalaniu składu gatunkowego drzewostanów na terenach o dużym zanieczyszczeniu powietrza. Problem odporności gatunków jest bardzo złożony. Okazało się bowiem, że określony gatunek wykazuje różną wrażliwość w zależności od rodzaju zanieczyszczeń, wieku i warunków siedliskowych. Drzewa rosnące w korzystniejszych warunkach, np. na lepszych glebach, są odporniejsze od drzew żyjących na gorszych siedliskach.

Osobną kategorię zanieczyszczeń stanowią pyły radioaktywne, które mogą być pochodzenia naturalnego i sztucznego. Naturalne pyły radioaktywne pochodzą z samorzutnego rozpadu pierwiastków promieniotwórczych, znajdujących się w niektórych skałach skorupy ziemskiej. Pyły te za pośrednictwem zanieczyszczeń w postaci stałej i kropel wody docierają do powierzchni Ziemi i z opadami przesiąkają do gleby, skąd pobierane są przez rośliny. Sztuczne skażenie radioaktywne powodowane jest wybuchami termojądrowymi oraz awariami reaktorów jądrowych. Cząstki pyłu powstającego przy wybuchu bomby atomowej szeroko rozpraszają się i długo utrzymują w atmosferze zanim opadną. Opadając przylegają do liści roślin i później łatwo się rozpuszczają, szczególnie pod wpływem soków trawiennych zwierząt. Najbardziej niebezpiecznym biologicznie pierwiastkiem jest wyzwalający się przy eksplozji atomowej stront. Pozostaje on w dolnej stratosferze przeciętnie 5-10 lat. Za pośrednictwem śniegu i deszczu pył radioaktywny przenika do powierzchniowej warstwy gleby. Z niej zostaje pobrany przez rośliny i dostaje się do organizmu człowieka, powodując w nim zakłócenia przebiegu procesów fizjologicznych.

Szata roślinna spełnia bardzo ważną rolę w regulowaniu składu chemicznego powietrza, przede wszystkim dzięki wchłanianiu przez rośliny dwutlenku węgla i wydzielaniu tlenu. W ten sposób znaczna część zanieczyszczeń pochodzących z technologicznych procesów spalania węgla ulega likwidacji. Jednak wskutek przekroczenia stężeń szczególnie szkodliwych związków drzewa giną, nie mogąc spełnić swej roli. Zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego przyczyniają się także do zmian wielu czynników klimatycznych, negatywnie wpływając na szatę roślinną. W szczególności dotyczy to rozkładu wiatrów, promieniowania słonecznego, występowania mgieł, zachmurzenia, opadów i temperatury.

Wskutek zapylenia atmosferycznego przez przemysł następuje zmniejszenia przepływu ciepła na Ziemię, co może zrekompensować efekt szklarniowy. Efektem szklarniowym nazywa się mechanizm oddziaływania gazów cieplarnianych na bilans energetyczny Ziemi. Efekt szklarniowy wpływa na podwyższenie temperatury powierzchni Ziemi w dolnej warstwie troposfery. Dzieje się to w następstwie absorpcji i reemisji promieniowania cieplnego (podczerwonego) przez tzw. gazy szklarniowe. Do „gazów szklarniowych” należą przede wszystkim dwutlenek węgla oraz metan, ozon i freon.