Атмосфера, ее стоение и состав

Атмосфе́ра (от. др.-греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства. Также существует определение атмосферы, как внешней геологической газовой оболочки Земли

Строение атмосферы 

Тропосфера

Её верхняя  граница 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

Атмосфера Земли

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 ФАИ, линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря. 

Химический  состав

Атмосфера Земли  возникла в результате выделения  газов при вулканических извержениях. С появлением океанов и биосферы она формировалась и за счёт газообмена с водой, растениями, животными и  продуктами их разложения в почвах и болотах.

Состав сухого воздуха

В настоящее  время атмосфера Земли состоит  в основном из газов и различных  примесей (пыль, капли воды, кристаллы  льда, морские соли, продукты горения).

Концентрация  газов, составляющих атмосферу, практически  постоянна, за исключением воды (H₂O) и углекислого газа (CO₂).

Кроме указанных  в таблице газов, в атмосфере  содержатся SO₂, NH₃, СО, озон, углеводороды, HCl, HF, пары Hg, I₂, а также NO и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль).

СОСТАВ АТМОСФЕРЫ

     Атмосфера  состоит из смеси газов, называемой  воздухом, в которой находятся  во взвешенном состоянии жидкие  и твердые частички. Общая масса  последних незначительна в сравнении со всей массой атмосферы. Атмосферный воздух у земной поверхности, как правило, является влажным. Это значит, что в его состав, вместе с другими газами, входит водяной пар, т.е. вода в газообразном состоянии. Содержание водяного пара в воздухе меняется в значительных пределах, в отличие от других составных частей воздуха. Это объясняется тем, что при существующих в атмосфере условиях водяной пар может переходить в жидкое и твердое состояние и, наоборот, может поступать в атмосферу заново вследствие испарения с земной поверхности. Воздух без водяного пара называют сухим воздухом. У земной поверхности сухой воздух на 99% состоит из азота (78% по объему или 76% по массе) и кислорода (21% по объему или 23% по массе). Оба эти газа входят в состав воздуха у земной поверхности в виде двухатомных молекул (N2 и О2). Оставшийся 1 % приходится почти целиком на аргон (Аr). Всего 0,08% остается на углекислый газ (СО2). Многочисленные другие газы входят в состав воздуха в тысячных, миллионных и еще меньших долях процента. Это криптон, ксенон, неон, гелий, водород, озон, йод, радон, метан, аммиак, перекись водорода, закись азота и др. Все перечисленные выше газы всегда сохраняют газообразное состояние при наблюдающихся в атмосфере температурах и давлениях не только у земной поверхности, но и в высоких слоях.

ВОДЯНОЙ ПАР 

     Водяной  пар непрерывно поступает в  атмосферу путем испарения с  водных поверхностей, с влажной  почвы и путем транспирации  растений, при этом в разных  местах и в разное время  он поступает в различных количествах.  От земной поверхности он распространяется  вверх, а воздушными течениями  переносится из одних мест  Земли в другие. При понижении  температуры часть водяного пара  конденсируется, переходит в жидкое  или твердое состояние. В воздухе  возникают водяные капельки и  ледяные кристаллики облаков  и туманов. Облака могут снова  испаряться; в других случаях  капельки и кристаллики облаков,  укрупняясь, могут выпадать на  земную поверхность в виде  осадков. Вследствие всего этого  содержание водяного пара в  каждом участке атмосферы непрерывно  меняется.

Водяной пар сильно поглощает длинноволновую инфракрасную радиацию, которую излучает земная поверхность. В свою очередь и  сам он излучает инфракрасную радиацию, большая часть которой идет к  земной поверхности. Это уменьшает  ночное охлаждение земной поверхности  и тем самым также нижних слоев  воздуха.

На испарение воды с земной поверхности затрачиваются  большие количества тепла, а при  конденсации водяного пара в атмосфере  это тепло отдается воздуху. Облака, возникающие в результате конденсации, отражают и поглощают солнечную  радиацию на ее пути к земной поверхности.

Осадки, выпадающие из облаков, являются важнейшим элементом  погоды и климата.

 Наконец, наличие  водяного пара в атмосфере  имеет важное значение для физиологических процессов.

Процентное содержание водяного пара в воздухе меняется с высотой. Водяной пар постоянно  поступает в атмосферу снизу, а распространяясь вверх конденсируется, сгущается. На высоте 5 км содержание водяного пара в воздухе в десять раз меньше, чем у земной поверхности, а на высоте 8 км - в сто раз меньше. Таким образом, выше 10-15 км содержание водяного пара в воздухе ничтожно мало.

ЖИДКИЕ И ТВЕРДЫЕ  ПРИМЕСИ 

    Кроме  перечисленных выше атмосферных  газов, в воздух местами могут  проникать другие газы, особенно  соединения, возникающие при сгорании  топлива (окислы серы, углерода, фосфора  и др.). Наиболее заражается такими  примесями воздух больших городов  и промышленных районов. В состав  атмосферы входят также твердые  и жидкие частички, взвешенные  в атмосферном воздухе. Кроме водяных капелек и кристаллов, возникающих в атмосфере при конденсации водяного пара, это пыль почвенного и органического происхождения; твердые частички дыма, сажи, пепла и капельки кислот, попадающие в воздух при лесных пожарах, при сжигании топлива, при вулканических извержениях; частички морской соли, попадающие в воздух при разбрызгивании морской воды во время волнения; микроорганизмы (бактерии); пыльца, споры; наконец, космическая пыль, попадающая в атмосферу (около миллиона тонн в год) из межпланетного пространства, а также возникающая при сгорании метеоров в атмосфере.

     Особое  место среди атмосферных примесей  занимают продукты искусственного  радиоактивного распада, заражающие  воздух при испытательных взрывах  атомных и термоядерных бомб. Небольшую часть перечисленных  примесей составляет крупная  пыль, с частичками радиусом более 5 мк. Вследствие такой малости они могут длительное время удерживаться в атмосфере во взвешенном состоянии. Удаляются из атмосферы они главным образом при выпадении осадков, присоединяясь к капелькам и снежинкам. Имеется ряд методов и приборов для определения их содержания в воздухе.

     Бактерии  в центральных частях океанов  встречаются в количестве нескольких  единиц на кубический метр  воздуха; в больших городах  их уже тысячи и десятки  тысяч в том же объеме.

     Аэрозольные  примеси к воздуху могут легко  переноситься воздушными течениями  на большие расстояния.

     Песчаная  пыль, попадающая в воздух над  пустынями Африки и Передней  Азии, неоднократно выпадала в  больших количествах на территории  Южной и Средней Европы.

     Дым  лесных пожаров в Канаде переносился  сильными воздушными течениями  на высотах 8-13 км через Атлантику  к берегам Европы, еще сохраняя  достаточную концентрацию.

     Дым  и пепел больших вулканических  извержений неоднократно распространялись  в высоких слоях атмосферы  на огромные расстояния, окутывая  весь Земной шар. Помутнение  воздуха и аномально красная  окраска зорь наблюдались в  течение многих месяцев после  извержений. После падения Тунгусского  метеорита в 1908 г. также наблюдалось  помутнение воздуха на больших  расстояниях.

Нормирование  качества воздуха

Под качеством атмосферного воздуха понимают совокупность свойств атмосферы, определяющую степень воздействия физических, химических и биологических факторов на людей, растительный и животный мир, а также на материалы, конструкции и окружающую среду в целом

Нормативами качества воздуха определены допустимые пределы  содержания вредных веществ как  в производственной (предназначенной для размещения промышленных предприятий, опытных производств научно-исследовательских институтов и т.п.), так и в селитебной зоне (предназначенной для размещения жилого фонда, общественных зданий и сооружений) населенных пунктов.

Предельно допустимая концентрация вредного вещества в  воздухе рабочей  зоны (ПДК_рз) — концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 часов, или при другой продолжительности, но не более 41 часа в неделю, на протяжении всего рабочего стажа не должна вызывать заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами исследования, в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений . Рабочей зоной следует считать пространство высотой до 2 м над уровнем пола или площади, на которой находятся места постоянного или временного пребывания рабочих.

Как следует  из определения, ПДК_рз представляет собой норматив, ограничивающий воздействие вредного вещества на взрослую работоспособную часть населения в течение периода времени, установленного трудовым законодательством. Совершенно недопустимо сравнивать уровни загрязнения селитебной зоны с установленными ПДК_рз, а также говорить о ПДК в воздухе вообще, не уточняя, о каком нормативе идет речь.

Предельно допустимая концентрация максимально разовая (ПДК_мр) — концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, не вызывающая при вдыхании в течение 20 минут рефлекторных (в том числе, субсенсорных) реакций в организме человека .

 Соотношение  различных видов ПДК в воздухе  для некоторых веществ 

Понятие ПДК_мр используется при установлении научно-технических нормативов — предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ. В результате рассеяния примесей в воздухе при неблагоприятных метеорологических условиях на границе санитарно-защитной зоны предприятия концентрация вредного вещества в любой момент времени не должна превышать ПДК_мр.

Предельно допустимая концентрация среднесуточная (ПДК_сс) — это концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, которая не должна оказывать на человека прямого или косвенного воздействия при неограниченно долгом (годы) вдыхании. Таким образом, ПДК_сс рассчитана на все группы населения и на неопределенно долгий период воздействия и, следовательно, является самым жестким санитарно-гигиеническим нормативом, устанавливающим концентрацию вредного вещества в воздушной среде. Именно величина ПДК_сс может выступать в качестве "эталона" для оценки благополучия воздушной среды в селитебной зоне. Но использование этого норматива в качестве единицы измерения (пять ПДК_сс по оксидам азота) — абсурдно!

Предложен ряд  комплексных показателей загрязнения  атмосферы (совместно несколькими  загрязняющими веществами); наиболее распространенным и рекомендованным  методической документацией Госкомэкологии, является комплексный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА). Его рассчитывают как сумму нормированных по ПДК_сс и приведенных к концентрации диоксида серы средних содержаний различных веществ:

 
где Y_i — единичный индекс загрязнения для i-ого вещества; 
      q_cpi — средняя концентрация i-ого вещества; 
      ПДК_cсi — ПДК_сс для i-ого вещества; 
      c_i — безразмерная константа приведения степени вредности i-ого вещества к вредности диоксида серы,         зависящая от того, к какому классу опасности (см. ниже) принадлежит загрязняющее вещество.  

Для сопоставления  данных о загрязненности несколькими  веществами атмосферы разных городов  или районов города комплексные  индексы загрязнения атмосферы  должны быть рассчитаны для одинакового  количества (n) примесей. При составлении ежегодного списка городов с наибольшим уровнем загрязнения атмосферы для расчета комплексного индекса Y_n используют значения единичных индексов Y_i тех пяти веществ, у которых эти значения наибольшие .

В последнее  время растет число публикаций, описывающих  эффекты действия загрязняющих веществ  на биоту, в том числе атмосферных примесей на растительность. Так, установлено, что хвойные породы деревьев, лишайники чувствительнее прочих видов реагируют на присутствие в воздухе кислых газов, в первую очередь, сернистого ангидрида. Исследователи предлагают установить предельно допустимые концентрации для диких видов с тем, чтобы использовать эти нормативы при оценке ущерба и ограничении воздействия на особо охраняемые природные объекты. Однако широкое применение чувствительность растений нашла лишь в биологическом мониторинге; экологическое нормирование состояния атмосферного воздуха на практике фактически не реализовано.

Основные загрязнители атмосферы.

Под загрязнением атмосферного воздуха следует понимать любое  изменение его состава и свойств, негативно влияющих на здоровье человека и животных, состояние растений и  экосистем. Оно может быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным). Естественное вызвано природными процессами. Сюда относятся вулканическая деятельность, выветривание горных пород, ветровая эрозия, массовое цветение растений, дым от лесных и степных пожаров и др.; антропогенное – выбросы в атмосферу различных загрязняющих веществ в процессе деятельности человека. По своему объему оно зачастую превосходит природное загрязнение.

По агрегатному  состоянию выбросы веществ в  атмосферу классифицируются на: газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид  углерода, углеводороды и др.); жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и  др.); твердые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, пыль, сажа, смолистые вещества и прочие).

Главные загрязнители воздуха (поллютанты) образуются в процессе производственной и иной деятельности человека;  это диоксид серы (SO2), оксид углерода (СО) и твердые частицы; на их долю приходится около 98% от общего объема выбросов вредных веществ в атмосферу. Помимо них, в атмосфере городов и поселков наблюдается еще более 70 наименований вредных веществ.

Тепловые электростанции. Котельные установки. В процессе сжигания твердого или жидкого топлива  в атмосферу выбрасывается дым, содержащий продукты полного (диоксид  углерода и пары воды) и неполного (оксиды углерода, серы, азота, углеводороды и др.) сгорания. При переводе установок  на жидкое топливо (мазут) снижаются  выбросы золы, но практически не уменьшаются выбросы оксидов  серы и азота. Наиболее чистым является газовое топливо, которое загрязняет атмосферный воздух в три раза меньше, чем мазут и в пять раз  меньше, чем уголь.

Черная и цветная  металлургия. При выплавке одной  тонны стали в атмосферу попадает 0,04 тонн твердых частиц, 0,03 тонн оксидов  серы и до 0,05 тонн оксида углерода. Заводы цветной металлургии сбрасывают в атмосферу соединения марганца, свинца, фосфора, мышьяка, пары ртути, парогазовые  смеси, состоящие из фенола, формальдегида, бензола, аммиака и других токсичных  веществ.

Химическое производство. Выбросы предприятий данной отрасли  невелики по объему (около 2% всех промышленных выбросов), тем не менее ввиду своей весьма высокой токсичности, разнообразия и концентрированности представляют значительную угрозу для всей биоты. Атмосферный воздух загрязняется оксидами серы, соединениями фтора, аммиаком, нитрозными газами (смесь оксидов азота), хлористыми соединениями, сероводородом, неорганической пылью и т. д.

Выбросы автотранспорта. В мире насчитывается несколько  сотен миллионов автомобилей, которые, сжигая огромное количество нефтепродуктов, существенно загрязняют атмосферный  воздух (особенно крупных городов). Выхлопные газы двигателей внутреннего  сгорания (в большей степени карбюраторных) содержат такие токсичные соединения, как бенз(а)пирен, альдегиды, оксиды азота и углерода и соединения свинца (в случае применения этилированного бензина). Правильная регулировка топливной системы автомобилей позволяет снизить количество вредных веществ в 1,5 раза, а специальные нейтрализаторы (каталитические дожигатели) –уменьшить токсичность выхлопных газов в 6 и более раз.

Интенсивное загрязнение  атмосферного воздуха происходит также  при добыче и переработке сырья  на нефте- и газоперерабатывающих заводах, при выбросе пыли и газов из подземных горных выработок, при сжигании мусора и горении пород в отвалах (терриконах) и т. д. В сельских районах очагами загрязнения атмосферного воздуха являются животноводческие и птицеводческие фермы, промышленные комплексы по производству мяса, распыление пести­цидов и т.д.

ПРИЧИНЫ И СЛЕДСТВИЯ  ИЗМЕНЕНИЯ ГАЗОВОГО СОСТАВА АТМОСФЕРЫ.

 Причины.

"Ежегодно под  пастбища вырубаются тропические  леса на территории, равной площади  Исландии, - в основном в бассейне  реки Амазонки (Бразилия). Это может  привести к сокращению количества  осадков, т.к. количество влаги,  испаряемой деревьями, сокращается.  Вырубка лесов способствует и  усилению парникового эффекта,  ведь растения поглощают углекислый газ".

 Так же в  атмосфере периодически то появляются, то исчезают озоновые дыры - дыры в озоновом экране. Многие ученые считают это явление естественным процессом развития географической оболочки Земли.

 Следствия.

 Вследствие промышленной  деятельности человека и природы  атмосфера Земли загрязняется различными веществами начиная от пыли и заканчивая сложными химическими соединениями. Итогом этого служит прежде всего глобальное потепление климата и разрушение озонового экрана планеты. "Малые изменения в химическом составе атмосферы кажутся незначительными для атмосферы в целом. Но следует напомнить, что редкие газы, входящие в состав атмосферы, могут оказать значительное влияние на климат и погоду".

 а) Озоновый  экран. Разрушение озонового экрана  происходит под действием фтор  содержащих компонентов, которые  содержаться в аэрозолях и  холодильниках. Попадая в атмосферу,  вступают в химическую реакцию  с озоном, разрушая его. Разрушение  озонового экрана ведет к неизбежной  гибели всего живого на планете  от ультрафиолетового излучения  Солнца 

 б) Потепление  климата. "Некоторые ученые, например, считают, что в последние годы  с возрастанием углекислого газа  изменился тепловой баланс атмосферы,  ибо Земля стала больше поглощать  инфракрасной радиации, уменьшился  уход тепла от Земли в космос, и повысилась средняя температура  природного слоя воздуха. Некоторые исследователи оценивают повышение температуры в 0,01(C в год. Это свидетельствует о тесной связи температуры Земли с химическим составом атмосферы". Повышение температуры ведет к потеплению климата, что ведет к таянию ледников Антарктики и Антарктиды, а как следствие повышение уровня мирового океана и затоплению прибрежных районов.

 Глобальное потепление  климата возможно в результате  парникового эффекта. "Вследствие  парникового эффекта произойдет  заметное смещение климатических  поясов. В результате некоторые  крупные регионы мира станут  теплее и суше, а другие - теплее  и влажнее".

Меры по предотвращению загрязнения и охране атмосферного воздуха

Основными путями снижения и полной ликвидации загрязнения  атмосферы служат: разработка и внедрение  очистных фильтров на предприятиях, использование  экологически безопасных источников энергии, безотходной технологии производства, борьба с выхлопными газами автомобилей, озеленение городов и поселков.

Очистка промышленных отходов не только предохраняет атмосферу  от загрязнений, но и дает дополнительное сырье и прибыли предприятиям.

Один из способов предохранения атмосферы от загрязнения - переход на новые экологически безопасные источники энергии. Например, строительство электростанций, использующих энергию приливов и отливов, тепло  недр, применение гелиоустановок и  ветряных двигателей для получения  электроэнергии. В 1980-е годы перспективным  источником энергии считались атомные  электростанции (АЭС). После чернобыльской  катастрофы число сторонников широкого использования атомной энергии  уменьшилось. Эта авария показала, что  атомные электростанции требуют  повышенного внимания к системам их безопасности. Альтернативным источником энергии академик А. Л. Яншин, например, считает газ, которого в России в  перспективе можно добывать около 300 трлн кубометров.

Наиболее древнее  из локальных мер предотвращения загрязнений воздуха — заводская  труба. Высокие трубы увеличивают  пространство, на которое распространяются дым и газы, тем самым предотвращая их повышенную концентрацию в непосредственной близости от источника. Загрязнители как  бы разбавляются большими объемами чистого  воздуха. Кроме того, высокие трубы  могут выбрасывать дым выше уровня застоя воздуха, который служит непосредственной причиной смога, позволяя ветру уносить  его от города. Но при обилии предприятий  зоны действия их труб перекрываются и создается высокая концентрация загрязнителя на обширной территории всего промышленного комплекса.