Материал: Лекция 5. Экология атмосферы

ЛЕКЦИЯ №5.

Экология атмосферы.

«Строение и состав атмосферы» Важнейшие климатические и экологические особенности Земли в решающей

степени определяются наличием и свойствами ее газовой оболочки – атмосферы.

Благодаря специфическому газовому составу, способности поглощать и отражать солнечную радиацию, озоновому слою, в котором задерживается основная часть коротковолнового излучения Солнца, благоприятному температурному режиму и присутствию водяного пара атмосферу можно назвать одним из главных источников жизни на Земле.

Толщина воздушной оболочки, которая окружает Земной шар, не меньше тысячи километров – почти в четверть земного радиуса. Масса атмосферы составляет 5 *1015 т (пять квадратильонов), что эквивалентно менее чем одной миллионной доле массы Земли. 90% массы атмосферы сосредоточено в самом нижнем слое, толщиной 17 км, но признаки атмосферы отчетливо фиксируются и на высоте 20 тыс. км.

Строение атмосферы. Атмосфера имеет сложное строение и подразделяется на несколько оболочек. Непосредственно к земной оболочке примыкает

тропосфера. Она простирается до высоты 8 – 10 км над полюсами и 16 – 18 км над экватором. В средних широтах толщина тропосферы составляет 8 – 12 км. В

тропосфере идет непрерывное перемешивание воздуха как по горизонтали, так и по вертикали, что приводит к понижению температуры. Температура воздуха в тропосфере уменьшается на 0,6 С на 100 м высоты и снижается с +40 С до - 50 С.

В тропосфере сконцентрировано 75% всей массы атмосферы, основное количество водяного пара и мельчайших частиц примесей. Господствующие в тропосфере процессы (испарение водяного пара и его конденсация) приводят к образованию облаков и осадков в виде дождей. Именно в этом слое в основном происходят явления, которые мы именуем погодой, возникает подавляющее число гроз и штормов.

1

Термическая структура тропосферы обусловлена нагреванием земной поверхности солнечной радиацией с последующим переносом тепла вверх путем турбулентного перемешивания и конвекции. Температура воздуха у поверхности Земли понижается от экватора (до +26 С) к полюсам (до -36 С зимой и 0 С летом).

С высотой разность температур между экватором и полюсами уменьшается.

Верхней границей тропосферы (на высоте 11 км) является тропопауза –

область, в которой температура перестает понижаться имеет температуру -53 С.

Выше тропопаузы примерно на 50 км простирается стратосфера. Для нее характерны слабые воздушные потоки, малое количество облаков и постоянство температуры (-56 С) до высоты примерно 25 км. Выше температура начинает повышаться (в среднем на 0,6 С на каждые 100 м) и на уровне стратопаузы (45 –

54 км) достигает 0 С. В отличие от тропосферы, в которой важную роль играет турбулентный обмен, стратосфера весьма устойчива, содержит мало влаги, в ней отсутствуют погодные явления в обычном смысле слова, а единственным видом облачности являются серебристые облака.

В стратосфере на высоте 30 – 35 км расположен в наибольшей концентрации озон, поэтому эту часть атмосферы часто называют озоновым экраном. Озон играет большую роль в формировании температурного режима нижележащих слоев атмосферы и, следовательно, воздушных течений. Озон поглащает ультрафиолетовые лучи Солнца, что и вызывает разогрев атмосферы. Над различными участками земной поверхности и в разное время года содержание озона неодинаково: больше в высоких широтах, меньше в средних и низких, весной больше, чем осенью. Озоновый слой определяет предел биосферы.

За стратосферой, на высоте более 50 км, находится следующий слой атмосферы – мезосфера, где температура опять понижается. На высоте около 80 км она равна -70 С. Верхний слой мезосферы – мезопауза, где происходит понижение температуры.

За мезосферой (более 80 км над земной поверхностью) расположен четвертый слой атмосферы – термосфера (ионосфера), не имеющая определенной верхней границы. На высоте 500 – 600 км температура увеличивается и достигает +1600 С.

Газы в термосфере (ионосфере) сильно разрежены, молекулы редко сталкиваются

2

друг с другом и не могут вызвать нагрева находящегося в этой зоне тела. Однако атмосферное давление с высотой уменьшается. Воздух по мере высоты становится разреженнее.

Наиболее удалена от Земли экзосфера – 800 – 1600 км, которая простирается на огромное расстояние, переходя в межпланетное пространство. Экзосфера является областью диссипации (рассеивания) атмосферных газов.

Нестабильность атмосферы как природной системы объясняется колебаниями температуры, давления и плотности, имеющими место в тропосфере, а также гравитационным воздействием Луны и Солнца, вызывающим атмосферные приливы в стратосфере.

Происхождение атмосферы неразрывно связано с образованием Земли. Есть основание считать, что первичная атмосфера Земли была богата углекислым газом СО2 и бедна кислородом О2. Затем в результате фотодиссоциации воды в атмосфере появился кислород, количество которого начало особенно интенсивно расти в результате биогенных процессов с момента зарождения жизни на Земле (около 4

млрд. лет назад).

«Загрязнение атмосферы»

Загрязнением в узком смысле считается привнесение в какую-либо среду новых, не характерных для нее физических, химических и биологических агентов или превышение естественного средне-многолетнего уровня этих агентов.

Атмосферный воздух загрязняется путем привнесения в него или образования в нем загрязняющих веществ в концентрациях, превышающих нормативы качества или уровень естественного содержания.

Под загрязнением атмосферного воздуха следует понимать любое изменение его состава и свойств, которое оказывает негативное воздействие на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем.

По происхождению загрязнение атмосферного воздуха может быть естественным (природным) и искусственным (антропогенным).

Естественное загрязнение воздуха вызвано природными процессами. К ним относятся вулканическая деятельность, выветривание горных пород, ветровая эрозия, массовое цветение растений, дым от лесных и степных пожаров, пыльные бури, вулканические извержения, газовые выделения из гейзеров и геотермальных

3

источников, прижизненные выделения в атмосферу растений, животных,

микроорганизмов.

Антропогенное загрязнение связано с выбросом различных загрязняющих веществ, образующихся в процессе деятельности человека. По своим масштабам оно значительно превосходит природное загрязнение атмосферного воздуха.

В зависимости от масштабов распространения выделяют различные типы антропогенного загрязнения атмосферы: локальное, местное, региональное и глобальное. Масштабы загрязнения связаны с мощностью выброса и характером воздушных потоков.

Локальное загрязнение может быть обусловлено одним или несколькими источниками выбросов, зона влияния которых определяется, главным образом,

изменчивой скоростью и направлением ветра.

Местное загрязнение определяется совокупностью выбросов множества источников, расположенных на территории, находящейся в зоне влияния и характеризуется повышенным содержанием загрязняющих веществ на небольших территориях (город, промышленный район, сельскохозяйственная зона).

Под региональным загрязнением понимается загрязнение атмосферного воздуха на территории в сотни километров, которая находится под воздействием выбросов крупных промышленных и сельскохозяйственных комплексов.

Глобальное загрязнение связано с изменением состояния атмосферы планеты

в целом.

По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосферу классифицируются на следующие типы:

1) газообразные – газы и пары (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода,

углеводороды и др.);

2)жидкие – туманы (кислоты, щелочи, растворы солей);

3)твердые – пыли и дымы (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и т.п.).

От общей массы выбрасываемых в атмосферу веществ газы (пары) составляют около 90%. По определению экспертов ВОЗ из многочисленных загрязнителей атмосферы основными являются взвешенные частицы (аэрозоли различного

4

состава), затем следуют сернистые соединения и оксиданты (вещества,

образующиеся в атмосферном воздухе в результате фотохимических превращений).

Аэрозоли - это дисперсные системы, в которых дисперсионной средой служит газ, а дисперсными фазами являются твердые или жидкие частицы. Обычно размеры частиц аэрозолей ограничивают интервалом 10-7 – 10-3 см.

Аэрозоли делятся на три группы.

Кпервой группе относятся пыли, состоящие из твердых частиц,

дипергированных в газообразной среде.

Ко второй группе относят дымы – все аэрозоли, которые получаются при конденсации газа.

К третьей группе относятся туманы – совокупность жидких частиц в газообразной среде.

В настоящее время в земной атмосфере взвешено около 20 млн. т частиц, из которых примерно три четверти приходится на долю выбросов промышленных предприятий.

Особое значение пыли и других взвешенных частиц объясняется тем, что они загрязняют атмосферу не только в результате прямых выбросов, но в большей мере в результате различных превращений газообразных веществ, выбрасываемых в атмосферу (сернистых соединений, оксидов азота, углеводородов) с образованием мелкодисперсных аэрозолей.

Классификация загрязняющих атмосферу веществ может быть проведена по составу (например, хлористый водород, фтористые соединения и т.д.).

Кглавным загрязнителям (поллютантам) атмосферного воздуха,

образующимся в процессе производственной и иной деятельности человека относят диоксид серы (SO2), оксиды азота (NOx), оксид углерода (СО), углеводороды (СН) и

твердые частицы. На их долю приходится около 98% от общего объема выбросов вредных веществ.

Суммарный мировой выброс в атмосферу главных загрязнителей атмосферы

(поллютантов) составил в 1990 году - 401 млн. т, в т.ч. в России – 26,2 млн. т.

Выброс в атмосферу главных загрязнителей (поллютанов) в мире и России

5