Строение Атмосферы.

рельефа, в меньшей степени на водоразделах.

К естественным источникам относят пыльные бури, вулканические извержения и

лесные пожары. Газообразные выбросы (например, SO[2]) приводят к

образованию в атмосфере аэрозолей. Несмотря на то, что время пребывания в

тропосфере аэрозолей исчисляется несколькими сутками, они могут вызвать

снижение средней температуры воздуха у земной поверхности на 0,1 - 0,3С^0.

Не меньшую опасность для атмосферы и биосферы представляют аэрозоли

антропогенного происхождения, образующиеся при сжигании топлива либо

содержащиеся в промышленных выбросах.

Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Земли

ежегодно поступает около 1 куб. км пылевидных частиц искусственного

происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе

производственной деятельности людей. Сведения о некоторых источниках

техногенной пыли приведены в таблице 1 .

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС ВЫБРОС ПЫЛИ, МЛН. Т/ГОД

1.Сжигание каменного угля 93,6

2.Выплавка чугуна 20,21

3.Выплавка меди (без очистки) 6,23

4.Выплавка цинка 0,18

5.Выплавка олова (без очистки) 0,004

6.Выплавка свинца 0,13

7.Производство цемента 53,37

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха

являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные

фабрики, металлургические. цементные, магнезитовые и сажевые заводы.

Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием

химического состава.

Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и

углерода, реже - оксиды металлов: желеэа, магния, марганца, цинка, меди,

никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома,

кобальта, молибдена, а также асбест. Они содержатся в выбросах предприятий

теплоэнергетики, черной и цветной металлургии, стройматериалов, а также

автомобильного транспорта. Пыль, осаждающаяся в индустриальных районах,

содержит до 20% оксида железа, 15% силикатов и 5% сажи, а также примеси

различных металлов (свинец, ванадий, молибден, мышьяк, сурьма и т.д.).

Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей

алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется

при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на

нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях.

Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные

отвалы - искусственные насыпи из переотложенного материала,

преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых

или же из отходов предприятий перерабатываюшей промышленности, ТЭС.

Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в

результате одного среднего по массе взрыва ( 250-300 тонн взрывчатых

веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс. куб. м условного оксида

углерода и более 150 т. пыли. Производство цемента и других строительных

материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные

технологические процессы этих производств - измельчение и химическая

обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих

газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в

атмосферу.

Концентрация аэрозолей меняется в весьма широких пределах: от 10 мг/м^3 в

чистой атмосфере до 2.10 мг/м^3 в индустриальных районах. Концентрация

аэрозолей в индустриальных районах и крупных городах с интенсивным

автомобильным движением в сотни раз выше, чем в сельской местности. Среди

аэрозолей антропогенного происхождения особую опасность для биосферы

представляет свинец, концентрация которого изменяется от 0,000001 мг/м^3

для незаселенных районов до 0,0001 мг/м^3 для селитебных территорий. В

городах концентрация свинца значительно выше - от 0,001 до 0,03 мг/м^3.

Аэрозоли загрязняют не только атмосферу, но и стратосферу, оказывая

влияние на ее спектральные характеристики и вызывая опасность повреждения

озонового слоя. Непосредственно в стратосферу аэрозоли поступают с

выбросами сверхзвуковых самолетов, однако имеются аэрозоли и газы,

диффундирующие в стратосфере.

Громадные количества СО[2] потребляются при фотосинтезе и поглощаются

мировым океаном. Этот газ поступает в атмосферу благодаря разложению

карбонатных горных пород и органических веществ растений и живых

организмов, а также вследствие вулканизма и производственной деятельности

человека. За последние 100 лет содержание СО[2] в атмосфере возросло на

10%, причем основная часть (360 млрд. т) поступила в результате сжигания

топлива. Если темпы роста сжигания топлива сохранятся то в ближайшие 50—60

лет, то количество СО[2] в атмосфере удвоится и может привести к

глобальным изменениям климата. Сжигание топлива — основной источник

загрязняющих газов (CО, NO, SO[2]). Диоксид серы окисляется О[2] воздуха

до SO[3] в высших слоях атмосферы, который взаимодействует с парами Н[2]О

и NH[3], а образующиеся при этом Н[2]SO[4] и (NН[4])[2]SO[4] возвращаются

на поверхность Земли вместе с атмосферными осадками. Использование

двигателей внутреннего сгорания приводит к значительному загрязнению

атмосферы оксидами азота, углеводородами и соединениями Рb. Аэрозольное

загрязнение атмосферы обусловлено как естественными причинами (извержение

вулканов, пыльные бури, унос капел морской воды и частиц пыльцы растений и

др.), так и хозяйственной деятельностью человека (добыча руд и

строительных материалов, сжигание топлива, изготовление цемента и т. п.).

Интенсивный широкомасштабный вынос твердых частиц в атмосферу — одна из

возможных причин причина изменений климата планеты.

СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ ОБОЛОЧЕК Физическое

состояние атмосферы определяется погодой и климатом. Основные параметры

атмосферы: плотность воздуха, давление, температура и состав. С

увеличением высоты плотность воздуха и атмосферное давление уменьшаются.

Температура меняется также в зависимости от изменения высоты. Вертикальное

строение атмосферы характеризуется различными температурными и

электрическими свойствами, разным состоянием воздуха. В зависимости от

температуры в атмосфере различают следующие основные слои: тропосферу,

стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу (сферу рассеяния).

Переходные области атмосферы между соседними оболочками называют

соответственно тропопауза, стратопауза и т. п.

0x01 graphic

Схема строения атмосферы

Тропосфера

Тропосфера — нижний, основной слой атмосферы наиболее изученный, высотой в

полярных областях 8—10 км, в умеренных широтах до 10—12 км, на экваторе —

16—18 км. в тропических широтах; зимой ниже, чем летом В тропосфере

сосредоточено примерно 80—90% всей массы атмосферы и почти все водяные

пары. При подъеме через каждые 100 м температура в тропосфере понижается в

среднем на 0,65° и достигает 220 К ( -53°C) в верхней части. 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 Этот верхний слой тропосферы называют

тропопаузой.Тропопауза - переходной слой между тропосферой и

стратосферой; толщина колеблется от нескольких сотен метров до 1-2 км.

Зимой тропопауза ниже, чем летом; кроме того, высота тропопаузы колеблется

при прохождении циклонов и антициклонов. Средняя температура над полюсом

зимой около -65 °С, летом около -45 °С; над экватором весь год около -70

°С и ниже

Стратосфера

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). Малая турбулентность,

ничтожное содержание водяного пара, повышенное по сравнению с ниже- и

вышележащими слоями содержание озона (максимальная концентрация озона на

высотах 20-25 км) Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К

(около 0°С), 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 °С)Именно в стратосфере располагается слой

озоносферы («озоновый слой») (на высоте от 15—20 до 55—60 км), который

определяет верхний предел жизни в биосфере. Важный компонент стратосферы и

мезосферы — О[3], образующийся в результате фотохимических реакций

наиболее интенсивно на высоте ~ 30 км. Общая масса О[3] составила бы при

нормальном давлении слой толщиной 1,7—4,0 мм, но и этого достаточно для

поглощения губительного для жизни УФ-излучения Солнца. Разрушение О[3]

происходит при его взаимодействии со свободными радикалами, NO,

галогенсодержащими соединениями (в т. ч. «фреонами»).

В стратосфере задерживается большая часть коротковолновой части

ультрафиолетового излучения (180—200 нм) и происходит трансформация

энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля,

распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других

химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных

сияний, зарниц, и др. свечений.В стратосфере и более высоких слоях под

воздействия солнечной радиации молекулы газов диссоциируют — на атомы

(выше 80 км диссоциируют СО[2] и Н[2], выше 150 км — О[2], выше 300 км —

Н[2]). На высоте 100—400 км в ионосфере происходит также ионизация газов,

на высоте 320 км концентрация заряженных частиц (О^+[2], О^ -[2], N^+[2]

ставляет ~ 1/300 от концентрации нейтральных части. В верхних слоях

атмосферы присутствуют свободные радикалы — ОН•, НО•[2] и др.В стратосфере

почти нет водяного пара.

Мезосфера

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80—90 км.

Температура воздуха до высоты 75—85 км понижается до -88°С. Основным

энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные

фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно

возбуждённых молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы Верхней

границей мезосферы является мезопауза. Переходной слой между мезосферой и

термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум

(около -90 °С)

Термосфера

Термосфера (другое название — ионосфера) — слой атмосферы, следующий за

мезосферой, — начинается на высоте 80—90 км и простирается до 800 км.

Температура воздуха в термосфере быстро и неуклонно возрастает и достигает

нескольких сотен и даже тысяч градусов. После чего остаётся почти

постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и

рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит

ионизация воздуха — основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На

высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород

Экзосфера

Экзосфера (сфера рассеяния) — Внешний слой атмосферы, расположенная выше

800 км, Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идет утечка его частиц в

межпланетное пространство (диссипация).Из которого, быстро движущиеся

лёгкие атомы водорода могут вылетать (ускользать) в космическое

пространство. Температура достигает уровня более 3000 К. На больших

расстояниях от Земли (2 - 3 тыс. км и более) нейтральную экзосферу

образуют почти исключительно атомы водорода, на более низких высотах

заметную долю составляют атомы гелия, а ещё ниже — также и атомы кислорода

зона рассеяния, внешняя часть термосферы. 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 тяжелых газов убывает быстрее по мере удаления от

поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура

понижается от 0°С в стратосфере до -110°С в мезосфере. Однако

кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200—250 км соответствует

температуре ~1500°С. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации

температуры и плотности газов во времени и пространстве.

На высоте около 2000—3000 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

этих чрезвычайно разреженных 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

гомосферой. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит

на высоте около 120 км.

Свойства атмосферы

Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется

кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека

значительно снижается. Здесь кончается физиологическая зона атмосферы.

Дыхание человека становится невозможным на высоте 15 км, хотя примерно до

115 км атмосфера содержит кислород.Атмосфера снабжает нас необходимым для

дыхания кислородом. Однако вследствие падения общего давления атмосферы по

мере подъема на высоту соответственно снижается и парциальное давление

кислорода.В легких человека постоянно содержится около 3 л альвеолярного

воздуха. Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе при

нормальном атмосферном давлении составляет 110 мм рт. ст., давление

углекислого газа — 40 мм рт. ст., а паров воды -47 мм рт. ст. С

увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров

воды и углекислоты в легких остается почти постоянным — около 87 мм

рт. ст. Поступление кислорода в легкие полностью прекратится, когда

давление окружающего воздуха станет равным этой величине.

На высоте около 19—20 км давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст.

Поэтому на данной высоте начинается кипение воды и межтканевой жидкости в

организме человека. Вне герметической кабины на этих высотах смерть

наступает почти мгновенно. Таким образом, с точки зрения физиологии

человека «космос» начинается уже на высоте 15—19 км.Плотные слои воздуха —

тропосфера и стратосфера — защищают нас от поражающего действия радиации.

При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное

действие на организм оказывает ионизирующая радиация — первичные

космические лучи; на высотах более 40 км действует опасная для человека

ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

По мере подъема на все большую высоту над поверхностью Земли постепенно

ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные для нас явления,

наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука,

возникновение аэродинамической подъемной силы и сопротивления, передача

тепла конвекцией и др.В разреженных слоях воздуха распространение звука

оказывается невозможным. До высот 60—90 км ещё возможно использование

сопротивления и подъемной силы воздуха для управляемого аэродинамического

полета. Но начиная с высот 100—130 км знакомые каждому летчику понятия

числа М \' и звукового барьера теряют свой смысл, хотя при больших

скоростях полета там ещё можно применить аэродинамическое крыло.

На высотах же 180—200 км начинается сфера чисто баллистического полета,

управлять которым можно, лишь используя реактивные силы. Если при таком

полете развивается центробежная сила, равная силе тяжести на данной

высоте, то летательный аппарат становится искусственным спутником Земли.

На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства

— способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путем

конвекции (т. е. с помощью перемешивания воздуха). Это значит, что

различные элементы оборудования, аппаратуры орбитальной космической

станции не смогут охлаждаться снаружи так, как это делается обычно на

самолете, — с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой

высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла

является радиационное излучение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На пороге III тысячелетия нет необходимости доказывать остроту и

масштабность, а значит, и опасность сложившейся в мире экологической

ситуации. Виновником экологического кризиса на Земле стал человек. Он же

является как субъектом, так и объектом последнего. Никакому иному

биологическому виду не удалось уничтожить столь большое число других

видов,

необратимо изменить экологическую ситуацию на планете. Но нельзя

остановить

продвижение человечества вперед, вряд ли возможен отказ от создаваемой им

искусственной биосферы, от созданных им условий жизни. Что делать? Какими

путями двигаться человечеству дальше? Какие приоритеты считать основными?

Что важнее экология или научно - технический прогресс? Проблема выживания,

проблема сохранения естественной биосферы может быть решена только путем

компромиссов и поисков оптимальных решений, выход в коэволюции

(совместной,

взаимосвязанной эволюции биосферы и человеческого общества). Выживание

человека в условиях глобального экологического кризиса, несомненно,

зависит

от научных знаний, внедрения в практику новых технических достижений. Но

эти достижения не смогут принести ожидаемых результатов без опоры на

нравственное воспитание и определенные культурные традиции. К сожалению,

осознание важности экологического образования и воспитания пришло лишь в

последние годы. В тоже время технократические установки настолько сильны,

что выход из экологического кризиса по-прежнему ищется в привычных путях:

создание «экологически чистых» производств, принятие природоохранных

законов, контроль за производством и т. п., - иными словами, если

экологический кризис порожден техническим прогрессом, то надо просто

внести

соответствующие коррективы в направление этого прогресса. Экологический

кризис мыслится как нечто внешнее по отношению к человеку, а не как-то,

что

заключено в нем самом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. В. В. Парин, Ф. П. Космолинский, Б. А. Душков «Космическая биология и

медицина» (издание 2-е, переработанное и дополненное), М.:

«Просвещение», 1975, 223 стр.

2. Н. В. Гусакова «Химия окружающей среды», Ростов-на-Дону: Феникс, 2004,

192 с. ISBN 5-222-05386-5

3. Соколов В. А.. Геохимия природных газов, М., 1971;

4. МакИвен М., Филлипс Л.. Химия атмосферы, М., 1978;

5. Уорк K., Уорнер С., Загрязнение воздуха. Источники и контроль, пер. с

англ., М.. 1980;

6. Мониторинг фонового загрязнения природных сред. в. 1, Л., 1982.

18

7.

Страницы: 1, 2, 3