Структура и состав атмосферы

Лекции 9,10,11: «Глобальные проблемы окружающей среды».

Атмосфера является основной частью биосферы и представляет собой газообразную оболочку Земли. Атмосфера (от греческого “атмос” - воздух) является основой жизни, определяет окислительные процессы живой и неживой природы, предохраняет от резких суточных перепадов температуры (они могли бы достигать 150-200^оС), защищает от вредных солнечных и космических излучений.

По сравнению с другими компонентами биосферы атмосфера имеет ряд присущих только ей особенностей: высокую подвижность, изменчивость составляющих ее компонентов, своеобразие физико-химических процессов. Распределение тепла и влаги в атмосфере - основная причина существования природных зон на Земле, определяющих особенности режима рек, почвенно-растительного покрова и важные процессы формирования рельефа.

Общая масса газовой оболочки нашей планеты - атмосферы составляет 5,14 10¹⁵ т. Это примерно одна миллионная часть от веса Земли. Внутренняя часть этой оболочки, толщиной до 200 км, имеет одинаковую плотность. Выше 200 км, температура и плотность воздуха сильно меняются, атмосфера пульсирует, расширяется и сжимается, поэтому внешняя часть атмосферы имеет неправильную форму. Атмосфера мощностью до 20000 км имеет слоистое строение и состоит из тропосферы, стратосферы, мезосферы, ионосферы (термосферы) и экзосферы.

Тропосфера - нижний, наиболее плотный слой воздуха высотой 10-15км, составляет 90% от массы атмосферы. Стратосфера расположена над тропосферой до высоты 50 км. В ней находится озоновый слой, защищающий все живое от воздействия коротковолнового ультрафиолетового излучения.

Мезосфера расположена на высотах 50-85 км. Падение температуры достигает здесь -70-80 ^оС, строение ее еще мало изучено.

Ионосфера расположена до высоты 1000 км, характеризуется повышенной ионизацией молекул и защищает все живое от воздействия космической радиации.

Экзосфера - внешний слой атмосферы, характеризуется разреженностью вещества, близкой к межпланетному пространству.

Условно принято атмосферу делить на две большие части: верхнюю и нижнюю. В этом случае тропосферу и стратосферу относят к нижним слоям атмосферы, а мезосферу и ионосферы объединяют в понятие верхние слои атмосферы. Верхние слои атмосферы по составу образующих ее компонентов в значительной степени отличаются от нижних слоев.

Для экологов наибольший интерес представляет нижняя часть атмосферы, главным образом тропосфера.

В атмосфере происходят основные метеорологические явления влияющие на загрязнение атмосферного воздуха. Тропосфера практически прозрачна для проходящей через нее коротковолновой солнечной радиации. Вместе с тем содержащиеся в ней водяной пар, углекислота довольно сильно поглощают длинноволновое (тепловое) излучение нашей планеты, в результате чего тропосфера нагревается. Это нагревание является причиной вертикального перемещения потоков воздуха, конденсации водяного пара, образования облаков и выпадения осадков.

Установлено, что в тропосфере температура падает на 0,5-0,6 ^оС на каждые 100 м высоты.

Состав газов тропосферы остается неизменным, и эта смесь газов называется атмосферным воздухом. До высоты 100 км воздух атмосферы имеет стабильный состав вследствие хорошего перемешивания.

Постоянный состав атмосферы сохраняется в природе миллионы лет и определяется сбалансированностью всех веществ, участвующих в круговороте материи и энергии.

Главным компонентом атмосферы (табл. 3) является азот, на долю которого в приземном слое приходится ~ 78 об. долей, %; кислород ~ 21 об. доля, % и аргон ~ 0,9 об. долей, %. На долю всех остальных компонентов приходится менее 0,1 об. доли, %, но роль их в общей характеристике атмосферы чрезвычайно велика. Концентрация квазипостоянных компонентов (N₂, О₂, Аr, He, Xe, Kr, H₂) остается неизменной вплоть до высоты 100 км. “Активные” газы и аэрозоли испытывают существенные вариации в зависимости от сезона, географического положения и высоты над уровнем моря.

Таблица 3

Состав атмосферы в приземном слое атмосферы

Квазипостоян-ные компоненты	Концентра-ция, об. д.,%	“Активные” примеси	Концент-рация, об. д.,%
Азот N2 Кислород O2 Аргон Ar Неон Ne Гелий He Криптон Kr Ксенон Xe Водород H2 Диоксид угле- рода CO2	78,09 20,95 0,93 18,18*10^-4 5,24*10^-4 1,14*10^-4 0,09*10^-4 0,5*10^-4 0,03	Вода H2O Оксид угле-рода CO Озон O3 Сернистый ангидрид SO2 Метан CH4 Диоксид азота NO2	0-7 0,01-0,1   3*10^-5 3*10^-4 ,6*10^-4 2,10*10^-6

Азот воздуха является веществом инертным и почти не принимает участия в поглощении энергии и превращениях веществ в атмосфере. Кислород необходим для дыхания живых организмов и процессов окисления, он участвует в реакциях со многими веществами атмосферы, его молекулы поглощают солнечную энергию в ультрафиолетовой части спектра. Аргон и другие инертные газы пассивны в атмосфере. Диоксид углерода принимает большое участие в процессах поглощения и излучения тепла в атмосфере. Он энергично потребляется растениями на земной поверхности и водорослями океана, имея важное значение в биотических процессах. В последнее столетие концентрация СО₂ в атмосферном воздухе увеличилась почти на 0,003 об. долей, %. По некоторым теоретическим оценкам из-за накопления СО₂ в атмосфере должно произойти повышение средней температуры приземного воздуха. Озон (О₃) постоянно образуется в стратосфере из свободного кислорода. Озон стратосферы занял бы слой толщиной 2,5-3 мм, если бы он был собран весь вместе. Но в рассеянных атомах этого количества достаточно, чтобы защитить все живое от воздействия коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца.

В результате постоянно усиливающегося воздействия человека на окружающую среду баланс веществ в атмосфере стал нарушаться. Возникли качественные изменения состава воздуха и структуры атмосферы. Хотя атмосферный воздух относится к неисчерпаемым природным ресурсам Земли., но при современном научно-техническом прогрессе использование атмосферного воздуха можно считать неисчерпаемым только при реализации крупномасштабных затрат на восстановление его качества.

Основные источники загрязнения атмосферы. Классификация загрязнений.

Наибольшее загрязнение имеет слой атмосферы, прилегающий к земной поверхности, наиболее плотный, сосредоточивший основную массу атмосферы. Загрязнением атмосферы называется привнесение в воздух или образование в нем физических агентов, химических веществ или организмов, неблагоприятно влияющих на среду жизни.

Различают естественное и антропогенное загрязнение атмосферы. Естественное загрязнение атмосферы обусловлено поступлением в нее вулканического пепла, космической пыли, растительной пыльцы, морской соли и т.п. Основными источниками природной пыли являются пустыни, вулканы. При гниении и разложении образуются, как правило, большие количества сероводорода, аммиака, оксидов азота. В результате деятельности вулканов и биологических процессов в атмосферный воздух поступают углеводороды. К антропогенным источникам загрязнения атмосферного воздуха относятся энергетические установки, сжигающие топливо, промышленные предприятия, транспорт, сельскохозяйственное производство.

В больших городах к числу основных источников загрязнения атмосферного воздуха относится автотранспорт, на долю которого приходится порядка 60% всех вредных выбросов в атмосферу. Один автомобиль в среднем поглощает 4т кислорода, а выбрасывает с выхлопными газами примерно 800кг СО, 40кг NO₂ и 200кг различных углеводородов. Автомобильные выхлопные газы - смесь примерно 200 веществ, среди которых есть и канцерогенные, например, бензпирен.

В связи с тем, что отработанные газы автомобилей поступают в нижний слой атмосферы, а процесс их рассеивания значительно отличается от процессов рассеивания выбросов высоких стационарных источников, вредные вещества находятся практически в зоне дыхания человека. Поэтому автомобильный транспорт следует отнести к категории наиболее опасных источников загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей.

В районах развитого сельскохозяйственного производства наибольшую опасность представляют средства защиты растений, только 10% которых при распылении попадают на обрабатываемые растения; остальное разносится ветром и загрязняет атмосферу, литосферу и гидросферу. Так, например, пестицид ДДТ был обнаружен во льдах Антарктиды, хотя никогда там не применялся. Значительными источниками загрязнения атмосферного воздуха стали крупные животноводческие фермы и птицефабрики. Основными вредными веществами, выбрасываемыми сельскохозяйственными объектами, являются аммиак и его производные, сероводород, оксиды азота, неприятно пахнущие вещества (НПВ).

К основным источникам промышленного загрязнения атмосферного воздуха относятся предприятия энергетики, металлургии, стройматериалов, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, производства минеральных удобрений. Наиболее распространенными вредными веществами, выбрасываемыми в атмосферу, являются следующие: пыль, зола, сажа, силикаты, сероводород, альдегиды, углеводороды, смолы, оксиды азота, серы и углерода, аммиак, хлористый и фтористый водороды, тяжелые металлы, фенолы, цианистые соединения и др.

К антропогенным видам загрязнения атмосферы относятся также радиоактивное и тепловое загрязнения. Радиоактивное загрязнение атмосферы обусловлено как процессами, проходящими в природе, так и деятельностью человека. Природная радиоактивность называется естественной, а вызываемая деятельностью человека - искусственной.

Естественные радиоактивные элементы, попадающие в атмосферный воздух, образуются как вследствие радиоактивного распада урана, тория и актиния, находящихся в горных породах, так и при взаимодействии космического излучения в стратосфере с ядрами атомов химических элементов.

Промышленные источники загрязнения атмосферного воздуха подразделяются на источники выделения и источники выбросов.

К источникам выделения относятся технологические устройства (аппараты, установки и т.п.), в процессе эксплуатации которых выделяются вредные вещества.

К источникам выброса относятся устройства (трубы, вентиляционные шахты, аэрационные фонари и т.п.), посредством которых осуществляется выброс вредных веществ в атмосферу.

Промышленные выбросы подразделяются на организованные и неорганизованные. Организованный выброс поступает в атмосферу через специально сооруженные системы газоотводов. Это позволяет применять для улавливания примесей соответствующие газопылеулавливающие установки. Неорганизованный выброс поступает в атмосферу в виде ненаправленных потоков газа в результате нарушения герметичности технологического оборудования, газоотводных устройств, резервуаров, участков погрузочно-разгрузочных работ и т. д.

Примеси в атмосферном воздухе находятся в различных агрегатных состояниях: газообразном или в виде аэрозолей. Аэрозоли - дисперсные системы, состоящие из жидких или твердых частиц, распределенных в газообразной среде (туманы, дымы и пыли).

Дата добавления: 2014-01-11