2.1. Структура атмосферы

Атмосфера Земли - это сложная многопараметрическая система с сетью прямых и опосредованных связей. В ее состав входят моле­кулярные и атомарные газы, а также аэрозоли, образующиеся в ос­новном за счет космогенных факторов, геологической и биологичес­кой активности планеты.

В последние десятилетия все возрастающее воздействие на атмос­ферную среду оказывают антропогенные факторы. Индустриальная деятельность человечества привела к существенным изменениям в составе и структуре атмосферы, которые, по мнению ряда специали­стов, могут стать необратимыми.

Структура земной атмосферы по своим физическим свойствам неоднородна как по вертикали, так и по горизонтали, хотя горизон­тальная неоднородность проявляется значительно слабее. В соответ­ствии с характерной температурной стратификацией атмосферы ее принято делить на тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосфе­ру. Промежуточные тонкие переходные слои называются тропопау­зой, стратопаузой и мезопаузой.

В тропосфере, верхняя граница которой изменяется примерно от 10 км над полюсом, до 17 км над экватором, содержится основная часть атмосферного воздуха. Из-за понижения температуры с высо­той в тропосфере в среднем на 6,5 К/км, состояние воздуха в ней характеризуется безразличным равновесием.

Стратопауза располагается на высоте 47 - 52 км и характеризует­ся постоянством температуры, около 273 К, мезопауза на высоте 85 -95 км с тем же характерным постоянством средней температуры.

По характеру взаимодействия атмосферы с земной поверхностью ее подразделяют на пограничный слой или слой трения, где наибо­лее существенно влияние земной поверхности, и свободная атмосфе­ра, где силами турбулентного трения можно пренебречь. Высота по­граничного слоя колеблется в интервале 1 - 1,5 км.

Атмосферные газы. Земная атмосфера в основном состоит из азота и кислорода. В состав воздуха входит 99 % этих газов.

Давление атмосферных газов убывает с высотой согласно экс­поненциальному закону Дальтона

где P(Z )- давление на высоте Z.; g - ускорение свободного падения. m - молекулярная масса газа: R - универсальная газовая постоян­ная; Т - температура.

При этом 99 % всего атмосферного воздуха содержится в тропо­сфере и стратосфере до высот 30 - 35 км.

Водяной пар (Н,0) играет доминирующую роль во всех процес­сах превращения энергии в масштабе планеты. От его содержания существенно зависят радиационный обмен и тепловой баланс плане­ты, процессы климато- и погодообразования.

Озон (О,) играет значительную роль в поглощении солнечной ра­диации в УФ-диапазоне спектра. Он является своеобразным при­родным фильтром, полностью поглощающим в толще атмосферы вредное для биологических форм жизни излучение Солнца с длиной волн короче 0,3 мкм. Характерным для этого газа является наличие в атмосфере выраженного озонового слоя, максимум которого располагается на высоте примерно от 15 км на полюсе до 25 км на экваторе. Образовало озоновый слой само излучение Солнца, жест­кая ультрафиолетовая часть которого миллиарды лет разлагала моле­кулярный кислород на атомарный, способствуя соединению его ато­мов затем по три в молекулу. Иными словами, создавая себе же не­проходимый барьер. Однако в последние годы ученые с тревогой кон­статировали непрерывное уменьшение этого «одеяла» то над одним, то над другим регионом планеты, вымывание из него озона. А над Антарктидой вообще образовалась «дыра» протяженностью в тыся­чу километров.

Углекислый газ (СО₂) имеет определяющую роль в тепловом балансе атмосферы, так как поглощается основная часть теплового излучения Земли в ИК-области спектра. Средняя концентрация СО на всех уровнях тропосферы и стратосфере находится в пределах 320 – 330 млн^-1 неуклонно растет со скоростью около 7 млн^-1 за 10 лет за счет сжигания ископаемого топлива.

Среди других малых газовых составляющих земной атмосферы следует отметить метан (СН₄) и закись азота (N₂O). Они равномерно перемешаны до высоты примерно 15 - 16 км.

Химически активные газовые составляющие оказывают значитель­ное влияние на экологическое состояние окружающей среды даже при ничтожно малых концентрациях в атмосфере. Поэтому введены нор­мы предельно допустимых концентраций (ПДК), исходя в основном из степени их непосредственного вредного воздействия на челове­ческий организм и биосферу в целом. Кроме того, многие газовые компоненты индустриальных выбросов в атмосферу активно участву­ют в фотохимических реакциях, в результате которых могут образо­вываться новые вредные газы или аэрозоли. Причем в различных метеорологических ситуациях эти процессы идут по разному. В це­лом для индустриальных выбросов в атмосферу введены нормы пре­дельно допустимых выбросов (ПДВ), в соответствии с которыми ни при каких условиях реальной атмосферы установленный уровень ПДК не должен быть превышен.

Естественные аэрозоли. Современные представления о природе образования атмосферных аэрозолей предполагают одновременное существование двух процессов: внедрение частиц вещества извне и генерация их внутри атмосферы из газовой фазы за счет коагуляции или конденсации паров.

Размер аэрозольной частицы определяется радиусом иди диамет­ром эффективного шара, имеющего площадь сечения, равную пло­щади сечения реальной частицы, так как большинство аэрозольных частиц в атмосфере имеют форму, мало отличающуюся от сферичес­кой. Эта характеристика изменяется в широких пределах: от 10 - 3 мкм, свойственного молекулярным кластерам, до гигантских частиц размерами в несколько десятков микрометров.

Химический состав аэрозольных частиц весьма разнообразен. Тропосферный аэрозоль является продуктом ветровой эрозии почв.

В основном это кварц, глинозем, окисли железа. Вулканы выбрасыва­ют в атмосферу частицы дыма, вулканический пепел, аэрозоли и вул­канические газы на высоту до 20 - 30 км. Среднегодовая масса выбро­сов оценивается в (1 - 5) 10⁸ т .