Экологические проблемы атмосферы

Углекислый газ играет в географической оболочке очень  важную роль. Он идет на образование  живого вещества. Углекислота атмосферы  палеозоя законсервирована в каменноугольных отложениях карбона. Вместе с водяным паром СО₂ создает так называемый «оранжерейный эффект»: пропускает к земной поверхности световую радиацию и задерживает, подобно стеклам оранжереи, длинноволновое тепловое излучение. Увеличение количества углекислого газа может привести к потеплению климата, к таянию материковых и горных ледников и повышению уровня Мирового океана.

Обязательной составной  частью воздуха нижней атмосферы  является вода. Вода в атмосфере  находится в газовой фазе (в  виде пара), в жидкой фазе (в виде капель облаков и дождя) и в твердой фазе (в виде кристаллов снега и града). Почти вся атмосферная влага, около 90 %, сосредоточена в нижнем 5-километровом слое тропосферы.

Нижние, более всего  загрязненные, слои воздуха содержат минеральную пыль, продукты горения, вулканическую пыль, семена, споры и пыльцу растений, а также мельчайшие частицы морской соли, попадающие в воздух при разбрызгивании морской воды прибоем. Соль и некоторые другие взвешенные частицы, например, продукты горения, играют роль ядер конденсации водяного пара в воздухе.

В верхнюю атмосферу  проникает космическая пыль, в  том числе и образующаяся при сгорании метеоритов. Подсчитано, что за год на Землю падает около 1 000 т космической пыли.

Частицы, взвешенные в воздухе, называются атмосферными аэрозолями. В связи с хозяйственной деятельностью человека количество аэрозолей постоянно возрастает и, следовательно, увеличивается мутность атмосферы.

Постоянный газовый  состав удерживается в атмосфере  до высоты 90-100 км. Эта часть атмосферы называется гомосферой (от греч. homo – одинаковый). Выше 90-100 км происходит диссоциация (расщепление) молекул газа на атомы ультрафиолетовой и корпускулярной радиацией Солнца. Атмосфера выше 100 км называется гетеросферой (от греч. getero – разный).

На высоте 110-120 км кислород почти весь становится атомарным. Предполагается, что выше 400-500 км и азот находится  в атомарном состоянии. Кислородно-азотный состав сохраняется примерно до высоты 400-600 км. Выше 600 км в атмосфере начинает преобладать гелий. Гелиевая корона Земли простирается примерно до высоты 1600 км, а выше 2000-3000 км преобладает водород.

 

1.2 Строение атмосферы

 

 

Воздушная оболочка Земли  находится под совместным и противоречивым воздействием с одной стороны Земли, а с другой – Солнца. Этим обстоятельством, а также свойствами газов, слагающих атмосферу, объясняется ее современное строение. Как и все другие сферы Земли, атмосфера состоит из концентрических слоев: тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и экзосферы [1], [5].

В географическую оболочку входят только тропосфера и нижняя часть стратосферы.

Нижней границей атмосферы условно  считается поверхность суши и  океанов, хотя и почвенный и растворенный в воде воздух взаимодействует с  атмосферой.

Поскольку газ сжимаем, то в направлении вверх плотность воздуха постепенно уменьшается, и верхняя весьма разреженная атмосфера без четкой границы переходит в межпланетное пространство.

Ту часть воздуха, которая приблизительно одинаковая во всех уголках Земли  и мало изменяется за день, неделю или даже год, назвали «постоянной составляющей атмосферы».

Отметим, что срок «постоянная составляющая»  касается однородности состава воздуха  в пределах ее нижних 94 км (зона интенсивного конвективного перемешивания), а не его неизменности на протяжении длительного времени.

В последнее время хозяйственная  активность человечества дает о себе знать для «постоянной» составной  атмосферы, потому что интенсификация полеводства и животноводства за 300 лет удвоила количество метана в атмосфере, а сжигание органического топлива по меньшей мере на 1\4 увеличило концентрацию углекислого газа в ней.

Среди упомянутых выше постоянных составляющих атмосферы нет откровенно ядовитых. Интересно, что существенные изменения  концентрации каждого из них вредные или нежелательные, ведь подавляющее большинство из них не поддерживает дыхания. Это касается даже нужного нам кислорода. Доказано, что рост его содержания свыше 27% сделает практически невозможным самоугасание пожаров в лесах, которые начинаются молниями [5], [12].

Строение атмосферы представлено на рис. 1.3.

 

 

Рис. 1.3 - Строение атмосферы [2]

Анализ рисунка [5], [12]:

Верхняя граница тропосферы находится  на высоте 8-10 км в полярных, 10-12 км - в  умеренных и 16-18 км - в тропических  широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м.

Тропопауза - переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.

Стратосфера - слой атмосферы, располагающийся  на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11-25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25-40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.

Стратопауза - пограничный слой атмосферы  между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °C).

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80-90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25-0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы.

Мезопауза - переходный слой между  мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около -90 °C).

Линия Кармана - высота над уровнем  моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. В соответствии с определением международной авиационной организацией (ФАИ), линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.

Принято считать, что  граница атмосферы Земли и  ионосферы находится на высоте 118 км [15, c. 67], что показывает анализ параметров движения высокоэнергетических частиц, перемещающихся в атмосфере и ионосфере.

Термосфера - верхний  предел - около 800 км. Температура растёт до высот 200-300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») - основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца. В периоды низкой активности, например в 2008-2009 гг., происходит заметное уменьшение размеров этого слоя [10, c. 154].

Термопауза - область  атмосферы прилегающая сверху к  термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно и температура фактически не меняется с высотой.

Экзосфера - зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).

До высоты 100 км атмосфера  представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более  высоких слоях распределение  газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых  газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до −110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200-250 км соответствует температуре ~1500 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.

На высоте около 2000-3500 км экзосфера постепенно переходит  в так называемый ближнекосмический  вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы - около 20 %; масса мезосферы - не более 0,3 %, термосферы - менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000-3000 км.

В зависимости от состава  газа в атмосфере выделяют гомосферу  и гетеросферу. Гетеросфера - это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.

 

1.3 Значение атмосферы

 

 

В настоящий момент атмосфера, как элемент глобальной экосистемы, выполняет несколько основных функций [1], [2]:

- является условием  зарождения и поддержания жизни  на земле;

- защищает живые организмы  от вредного влияния космических излучений и объектов (напр., метеоритов);

- регулирует сезонные  и суточные колебания температуры  (если бы на Земле не существовало  атмосферы, то суточные колебания  температуры достигали бы ± 200 °С);

- является носителем  тепла и влаги; фактором для распространения звуков;

- является хранителем  газов, которые принимают участие  в фотосинтезе и обеспечивают возможность для дыхания;

- предопределяет ряд  сложных экзогенных процессов  (выветривание горных пород, деятельность  естественных вод, мерзлоты, ледников и др.).

 

Выводы

Таким образом: в настоящий  момент атмосфера, как элемент глобальной экосистемы, выполняет несколько основных функций, в частности, защищает живые организмы от вредного влияния космических излучений и метеоритов Масса современной атмосферы составляет приблизительно одну миллионную часть массы Земли (5,9*10¹⁵ т). В самом общем виде атмосфера Земли состоит из следующих компонентов: азот (78 %), кислород (21 %), аргон (0,93 %) и другие газы в значительно меньших долях. Постоянный газовый состав удерживается в атмосфере до высоты 90-100 км – гомосфере; выше (в гетеросфере) 90-100 км происходит диссоциация молекул газа на атомы ультрафиолетовой и корпускулярной радиацией Солнца. Воздушная оболочка Земли находится под совместным и противоречивым воздействием с одной стороны Земли, а с другой – Солнца. Этим обстоятельством, а также свойствами газов, слагающих атмосферу, объясняется ее современное строение. Как и все другие сферы Земли, атмосфера состоит из концентрических слоев: тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и экзосферы, которые обладают своими особенностями строения и состава. В географическую оболочку входят только тропосфера и нижняя часть стратосферы.

 

 

 

Глава 2 Экологические  проблемы атмосферы

 

 

На наш взгляд, основной проблемой атмосферы является ее загрязнение.

Основные виды загрязнения  атмосферы [17; c. 77-80]:

1. природные процессы. Естественное, или природное, загрязнение происходит за счет естественных факторов: пылевых бурь, извержения вулканов, выдувания почв, лесных пожаров, различных продуктов растительного, животного или микробиологического происхождения.
2. производственные процессы. Производственное загрязнение образуется в результате деятельности промышленных, сельскохозяйственных, строительных предприятий и при работе различных видов транспорта.

На территории Беларуси основные выбросы загрязняющих веществ  в атмосферный воздух связаны  с работой автомобильного транспорта (три четверти всех выбросов), промышленных предприятий и строительного комплекса [1; c. 35].

К производственным также относятся теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, химия и нефтехимия, промышленность строительных материалов. На загрязнении воздушного бассейна Земли сказывается и сельскохозяйственная деятельность человека. Вносимые в почву агрохимикаты распространяются в окружающую среду за счет выветривания и с почвенной влагой. Загрязнителями являются чаще всего пестициды, используемые для защиты сельскохозяйственных культур и леса от вредителей и болезней. Особенно возрастает влияние животноводства в связи со строительством крупных животноводческих комплексов. В результате в атмосферу поступают и распространяются на значительные расстояния аммиак, сероводород и другие газы с резким запахом.

3. бытовые процессы – накопление, сжигание и переработка бытовых отходов. Канализационные системы, кухни, мусоропроводы, свалки являются источниками загрязнения атмосферы городов и других населенных мест. В большом городе заметно проявляется загрязнение воздуха его населением. Каждый человек ежедневно выдыхает около 10 м³ воздуха, насыщенного парами воды и содержащего около 4 % углекислого газа. Поэтому в городе с пятимиллионным населением люди ежесуточно выделяют в атмосферу около 2 млн м³ углекислого газа, 600 м³ водяного пара [17; c. 80].

Два последних фактора еще называют антропогенным загрязнением, т.к. они связаны с выбросом различных загрязняющих вещество (поллютантов) в процессе деятельности человека [9; c. 122]. Главные поллютанты атмосферного воздуха, образующиеся в процессе производственной и иной деятельности человека – диоксид серы (SO₂), оксид углерода (СО) и твердые частицы. На их долю приходится около 98 % в общем объеме выбросов вредных веществ.