АТМОСФЕРА

Атмосфера представляет собой воздушную или газовую оболочку, которая окружает «твердую» Землю и вращается вместе с ней. Общая масса атмосферы составляет 5,15* 1018 кг. На уровне моря среднее давле - ние атмосферы на поверхность Земли составляет 1,01325* 10- Н/м2, что соответствует 1 атмосфере или 760 мм ртутного столба.

Таблица 1.2

Физические и геометрические характеристики Земли

Атмосфера Земли имеет слоистую структуру, где каждый слой отличается своими физическими и химическими свойствами: температурой, химическим составом, ионизацией молекул и др.

Уравнение теплового баланса системы Земля — атмосфера представляет собой алгебраическую сумму членов:

где Яа — радиационный баланс атмосферы; Lr — приход или расход тепла при фазовых преобразованиях воды в атмосфере (г — сумма осадков); Р— приход или расход тепла, обусловленного турбулентным теплообменом атмосферы с земной поверхностью; Fa — приход или расход тепла, вызванного теплообменом через вертикальные стенки столба, который

связан с упорядоченными движениями атмосферы и макротурбулентностью; AW — характеризует величину изменения теплосодержания внутри столба.

На единицу поверхности внешней границы атмосферы поступает поток солнечной радиации, равный в среднем около 250 кДж/см2 в год, из которых 1/3 отражается в космическое пространство, а 167 кДж/см2 в год поглощается земной поверхностью (стрелка Qs на рис. 1.2).

Земной поверхности достигает коротковолновая радиация, равная 126 ккал/см2 в год, из которой 18 ккал/см2 в год отражается, а 108 ккал/ см2 в год поглощается земной поверхностью (стрелка Qs рис. 1.2). Атмосфера непосредственно поглощает 59 ккал/см2 в год коротковолновой радиации, а в сравнении с земной поверхностью почти в два раза меньше.

Эффективное длинноволновое излучение поверхности Земли составляет 36 ккал/см2 в год (стрелка / рис. 1.2), что формирует радиацион

ный баланс на земной поверхности равный 72 ккал/см2 в год. Длинноволновое излучение Земли в космическое пространство составляет 167 ккал/см2 в год (стрелка / рис.

В зависимости от широтных поясов тепловой баланс атмосферы Земли представлен в таблице 1.3

Нижний слой атмосферы, в котором сосредоточено около 80 % всей массы (4,12-1018 кг), называется тропосферой. Высота тропо-сферы над уровнем моря достигает 16—18 км в экваториальном поясе и 8—10 км в полярных широтах. Температура воздуха в тропосфере понижается с высотой в среднем па 0,6 К (0,6 °С) на каждые 100 м.

Тепловой баланс атмосферы Земли

Таблица 1.3

Над тропосферой до высоты 55 км располагается стратосфера, в которой сосредоточено почти 20 % массы (1,03*1018) атмосферы.

(или по шкале Цельсия —83 °С до —73 °С).

Над стратосферой располагаются еще несколько слоев атмосферы, общая масса которых не превышает 0,5 % (0,0515* 1018 кг). Выше стратосферы расположена мезосфера до высоты 80 км. Над мезосферой от высоты 80 км до высот 800—1000 км находится термосфера, а выше 1000 км экзосфера.

Химический состав атмосферы Земли характеризуется неоднородностью и определяется четырьмя главными компонентами, на которые приходится более 99,99 % ее общей массы, которая составляет —5-1021 г (5*1015 m): N2 (75,51 %); Q2 (23,15 %);              (1,28 %); C02 (0,046 %). Наряду

с основными компонентами состава воздушной среды гомосферы, имеются микрокомпоненты (Ne, Не, Кг, Хе, Н2), составляющие по массе 165,М0‘5 % и ксенокомпоненты (СН4, N20, 0з, R^), составляющие по массе около 22,6*10~5%. К числу ксенокомпонентов атмосферы относятся пылевые частицы, поступающие от различных природных и антропогенных процессов. Источниками образования пылевых частиц природного происхождения являются пылевые бури, вулканические извержения, космос. Масса пылевых частиц в тропосфере составляет 0,105• 1014г/год. Суммарное количество пыли, поступающей в Мировой океан из стратосферы и тропосферы, оценивается значением 0,6* 1014 г/год, в том числе от пылевых бурь 0,54* 1014 г/год. Пылевые частицы, поступающие из космоса на поверхность земного шара, в среднем составляют 10~7 г/см (1 кг/см2). Пылевые частицы, поступающие от процессов хозяйственной деятельности (сжигание твердого и жидкого топлива и т. п.), по различным подсчетам составляют от 5 до 45 % общего количества пыли, привносимой в атмосферу, что в количественном выражении составляет от 0,03-108 до 0,27* 108 т/год.

Основные химические элементы атмосферы — азот, кислород и второстепенные элементы — аргон, диоксид углерода, определяют все процессы жизнедеятельности и эволюционного развития живых организмов на Земле.

Главным из основных химических элементов является азот, суммарное количество которого в земной коре составляет 16* 1020 моль, из ко

торых в атмосфере 2,7*1020 моль, а растворенного в Мировом океане 0,014* 1020 и в горных породах 10,3*1020 моль. В атмосферу азот поступает из глубин Земли с вулканическими истечениями (эманациями), с газами горячих источников.

Активную роль в круговороте азота в биосфере выполняет лишь его часть — 0,0014*1020 моль, из которой 0,0012-Ю20 моль содержится в разлагающейся живой материи, 10-1015 моль в почвах, 7, МО15 моль в океанических водах и 0,000094*1020 моль в живых организмах (растения, животные). Аккумуляция и фиксация азота из воздуха производится различными микроорганизмами, которые превращают молекулярный азот N2 в NH3 или NH+4, в ходе чего поглощается энергия. Другие бактерии участвуют в окислении NH3 и NH+4 до нитрит — иона N02 и даже до нитрат — иона NO~3 по общей схеме:

(1.2)

Процессы окисления протекают с выделением энергии. Нитраты и нитриты накапливаются в почве и по расчетам В. В. Добровольского [94] на 1 га почвы в течение года их образуется до 300 кг. Животные, питаясь растениями, получают необходимый для жизни азот в виде аминогрупп. Важнейшими азотосодержащими соединениями животных и растений являются белки, которые содержат до 18 % азота. Ассимиляция и восстановление нитратов происходит с затратой энергии. Таким образом, органические соединения азота, входящего в состав живого вещества, являются аккумуляторами энергии.

Наряду с процессами накопления и связывания азота из воздуха растениями, имеются и обратные процессы — денитрификации, которые протекают в анаэробных условиях под воздействием особых видов бактерий и требующих затрат энергии. Подсчитано, что в результате денитрификации с 1 га почв в атмосферу ежегодно поступает 50-60 кг азота. Процесс денитрификации протекает с выделением энергии, диоксида углерода и воды по следующей схеме (на примере разложения аминокислоты — глицина):

(1.3)

Для атмосферы образование окислов азота представляет собой хотя и закономерное, но редкое явление.

С азотом связаны проблемы окружающей среды: загрязнение атмосферы окислами азота; использование азота атмосферы в хозяйственной деятельности; загрязнение гидросферы и почв продуктами переработки атмосферного азота.

Техногенное поступление оксидов азота в тропосферу происходит в процессах сжигания твердого и жидкого топлива, суммарно составляющие сотни миллионов тонн в год, способствуют повышению окислительной способности атмосферы, увеличению кислотности атмосферных осадков и содержание нитратов в водных объектах.

Особую проблему для окружающей среды представляет хозяйственное использование азота, извлекаемого из атмосферы, в результате чего нарушается баланс между извлекаемым из воздуха неактивным азотом и азотом, поступающим в атмосферу в результате денитрификации. Ежегодный дефицит неактивного азота составляет 3,866-1012 моль, из которого около 1/3 связывается в результате сжигания различных видов топлива и 2/3 в технологических процессах производства удобрений. Для окружающей среды большое значение представляют избыточные притоки подвижных и легкоусвояемых растительностью соединений азота (в виде удобрений) в гидросферу и в частности водные объекты в рамках бассейновых геосистем. Избыточные притоки азота в водные объекты способствуют интенсивному развитию водных растений, которые служат пищей для рыб и других водных животных. Повышение концентрации азотосодержащих солей в водных объектах способствует развитию процессов эвтрофикации или пресыщения питательными веществами, в результате которых уменьшается содержание кислорода в воде.

Вторым из главных химических элементов атмосферы является кислород, суммарное количество которого в воздухе составляет около 1,5*1020 моль. Единственным источником поступления кислорода в окружающую среду являются процессы фотосинтеза. Растительный мир земного шара ежегодно выделяет в атмосферу около 4,67-1017 г кислорода, из которого 11,3 % (5,3-1016 г) выделяют растения суши и 88,7 %

(4,14*1017 г) — водные растения Мирового океана и водных объектов суши. Таким образом, растения и особенно водные растения выполняют исключительную роль в процессах поставки кислорода в атмосферу Земли. На поверхности земной коры протекают непрерывные процессы связывания свободного кислорода атмосферы при окислении соединений закисного железа, соединений двухвалентного марганца, сульфидов, органических остатков и т. д., с образованием соответственно окисногожелеза, Mn02, S04? ит. д.

Хозяйственная деятельность человека в основном направлена на уменьшение количества кислорода в атмосфере. Ежегодно в процессах сжигания различных видов топлива из атмосферы извлекается около 9Т015 г кислорода, что составляет порядка 2 % от общего его количества, вырабатываемого растительным миром земного шара. Уменьшению количества кислорода в атмосфере способствует расширение площадей оголенных земельных территорий, происходящее в результате урбанизации и индустриализации хозяйственной деятельности. Как следствие этих процессов ускоряются процессы окисления верхних слоев коренных пород, окисления произведенных металлов, промышленных продуктов, что увеличивает потребление кислорода из атмосферы. Так, в регионах с развитой промышленностью и наличием обширных урбанизированных территорий потребление кислорода из атмосферы превышает на 60—70 % производство кислорода растительностью.

К второстепенным химическим элементам атмосферы относятся аргон (Аг) и диоксид углерода (С02).

Аргон как инертный газ атмосферы имеет радиогенное происхождение. Он образуется в результате распада радиоактивного изотопа калия-40 по схеме:

К40 + е -» Аг40              (1.4)

Период полураспада К40, который составляет около 0,01 % природного калия, равен 1,3 млрд лет, что обеспечивает постоянное поступление аргона в атмосферу Земли из литосферы. Общая масса аргона составляет 65,5*10 г.

Углекислый газ. В атмосфере содержится 58* 1015 моль углерода в составе углекислого газа. В отличие от кислорода, основная масса которого заключена в атмосфере, только 2 % свободного С02 находится в

газообразном состоянии в воздухе. Оставшиеся 98 % углекислого газа (2943* 1015 моль углерода) растворены в гидросфере и в основном в водах Мирового океана.

В процессах круговорота углерода в природе важнейшую роль выполняют растения. Земные растения в процессе фотосинтеза накапливают углерод из воздуха, превращая углекислый газ в сложные углеводороды, которые имеют общую формулу — СНОН. Этот процесс сопровождается поглощением (накоплением) энергии. Ежегодно, по подсчетам Б. Болини, 2, МО15 моль углерода в виде углекислого газа поглощается наземной растительностью из атмосферы. В течение 28 лет весь объем углекислого газа атмосферы поглощается растительностью, а в результате дыхания происходит обратный процесс — окисление фиксированного в живом веществе углерода в углекислый газ, который вновь поступает в атмосферу (тропосферу). Обратный процесс протекает с выделением энергии. Таким образом осуществляется биологический цикл углерода в окружающей среде, который идет по схеме:

или

Органическое живое вещество является аккумулятором солнечной энергии, в определенных условиях после гибели растений и живых организмов может бьггь преобразовано в твердые (уголь) и жидкие (нефть) продукты, обогащенные углеродом.

Суммарное содержание главных и второстепенных компонентов в атмосфере гомосферы определяется 99,997 % ее массы (азота, кислорода, аргона, углекислого газа). На оставшиеся 0,003 % массы атмосферы в ее химический состав входят микрокомпоненты и ксенокомпоненты.

Состав микрокомпонентов составляют редкие инертные газы: неон, криптон, гелий, ксенон, радон. В условиях атмосферы Земли и в биосфере инертные газы не вступают в какие-либо химические реакции. Наиболее распространенным из инертных газов является аргон (Аг), составляющий по массе более 1 % атмосферы, а наименее распростра-

ненный — радон (6*10 18), который является непостоянным компонентом.

Неон, составляющий по массе 125*10~-s%, поступает в атмосферу в процессе разрушения магматических горных пород и вулканиче-ских источников.

Криптон и ксенон являются весьма редкими инертными газами и в атмосфере находятся в рассеянном состоянии. По своей массе они соответственно составляют — 29*10 s% и 3,-10 5%.

Гелий — наиболее легкий из инертных газов, являющийся конечным продуктом радиоактивного распада урана и тория. Каждый килограмм урана, рассеянного в горных породах, в течение года выделяет 1,16-10~^ мл гелия, и торий соответственно 2,43* 10~-s мл. Содержание гелия в атмосфере по массе составляет 7,2* 10 5%.

В состав микрокомпонентов атмосферы входит и водород (Н2). Содержание его в атмосфере весьма незначительно (0,3*10~s %). Источниками поступления Н2 в атмосферу являются вулканические, биогенные процессы, а также многие магматические и осадочные породы. В атмосфере водород неустойчив и легко соединяется с кислородом. Из числа изотопов водорода в атмосфере присутствует тритий Н3 — Т (период полураспада 12,26 лет), количество которого в атмосфере составляет 4-10-1-s am %. Тритий образуется в верхних слоях атмосферы в результате бомбардировки атомов азота нейтронами космических лучей по схеме:

Ксенокомпоненты атмосферы в свой состав включают и антропогенные загрязнители.

Метан (СН4) постоянно находится в атмосфере. Его количество составляет 9-Ю~5%. Газ метана образуется в процессах разложения органических веществ при условии недостатка кислорода в почвах, в болотах и захороненных осадках. Поступление метана из осадочных толщ, газовых, нефтяных и угольных месторождений относятся к естественным источникам. Часть метана в биосфере окисляется бактериями по схеме:

(1.7)

Антропогенными источниками поступления в атмосферу газообразных углеводородов в основном являются двигатели внутреннего сгорания, в выхлопных газах которых содержатся углеводороды. Выбросы в атмосферу таких углеводородов ежегодно составляют сотни миллионов тонн.

К числу ксенокомпонентов антропогенного происхождения относятся окись углерода (СО). Обладая токсичными свойствами, окись углерода негативно действует на живые организмы. Концент-рация СО 10 мг и более на 1 м воздуха является опасной для здоровья человека. Окись углерода является следствием неполного сгорания (окисления) жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания. Количество поступления окиси углерода в тропосферу зависит от количества потребляемого жидкого топлива и исчисляется десятками миллионов в год.

Сероводород (H2S) поступает в атмосферу в незначительных количествах и имеет в основном природное происхождение из источников, в которых происходят процессы разложения органических веществ в условиях недостатка кислорода. В тропосфере H2S неустойчив и в реакции с 02 преобразуется в S02 (сернистый газ). Сероводород опасен для здоровья человека.

Сернистый газ (S02) имеет как природное, так и антропогенное происхождение (тепловые электростанции, металлургические заводы, перерабатывающие сульфидные руды предприятия и др.). Наличие в атмосфере S02 оказывает негативное воздействие на живые организмы. Взаимодействуя с кислородом атмосферы, S02 преобразуется в S03, который, соединяясь с водой атмосферы, дает серную кислоту

(1.8)

Хлор (С1) в атмосфере присутствует в незначительном количестве (1—5 мкг/м3). В атмосферу хлор поступает с вулканическими газами, а также являясь составной частью хлоридов, выдуваемых ветром с поверхности Мирового океана и незначительно с засоленных почв.

Фтор (F) в атмосфере присутствует в незначительном количестве (0,05 мкг/м3) и поступает в нее в результате процессов взаимодействия серной кислоты, образующейся при окислении пирита с минералом фтора — флюоритом CaF2. Антропогенное загрязнение воздушной среды газообразным соединением фтора HF и SiF4 происходит в местах

расположения заводов по производствам алюминия. Содержание в воздухе МО 6 фтора губительно действует на некоторые растения. Предельно допустимая концентрация фтор-иона в воздухе составляет 0,02 мг/м3 (разовая) и 0,005 мг/м3 (среднесуточная).

Озон (О^) в составляет атмосфере 6*10 5% от массы воздушной среды. Он образуется в результате действия электрических разрядов во время грозы (молнии) и процесса синтеза кислорода под воздействием космической ультрафиолетовой радиации. Озоновый слой, располагаемый на высоте 15-25 км (нижняя граница) и 3548 км (верхняя граница) защищает все живые организмы на Земле от пагубного действия ультрафиолетового излучения, поступающего из космоса. Выполняя важную для окружающей среды роль в стратосфере, повышенное содержание Оэ в более низких слоях тропосферы является крайне нежелательным, так как он является сильнейшим окислителем и может оказывать токсические воздействия.

Если рассматривать проблему антропогенного загрязнения атмосферы, следует отметить, что масштабы выбросов веществ в атмосферу, негативно влияющих на биосферу, с каждым годом увеличиваются. Для обеспечения необходимого уровня безопасности для человека и окружающей среды в таблицах 1.4, 1.5, 1.6 приведены предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в атмосферном воздухе.

В слоях атмосферы высотой до 100 км, куда входит тропосфера (до 18 км), стратосфера (до 55 км), мезосфера (до 80 км) и частично термосфера, наблюдаются процессы интенсивного перемешивания, но относительный состав основных компонентов практически не меняется. Количественное содержание воды в атмосфере составляет (1,3 - 1,5)*1016 кг. Основная масса воды в виде пара, взвешенных капель и кристаллов льда сосредоточена в тропосфере. У земной поверхности содержание пара колеблется в пределах 3—4 % в тропиках и снижается у полюсов до величины 2*10~-s%.

Содержание аэрозольных компонентов в виде пыли почвенного, органического и космического происхождения, а также сажи, пепла и минеральных солей в воздушной атмосфере изменчиво. В верхних слоях тропосферы и нижних слоях стратосферы отмечается повышенное содержание озона. Максимальное содержание озона отмечается на высотах — 21—25 км. На высотах 40 км и выше увеличивается содержание атомарного кислорода. Под действием коротковолнового и корпуску-

Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ

в атмосферном воздухе населенных мест, мг/м3

Таблица 1.4

Окончание табл. 1.4

лярного излучения Солнца на высотах от 50 до 400 км происходит ионизация атмосферных газов. От степени ионизации атмосферных газов зависит электропроводность самой атмосферы. На высотах 250—300 км, где расположен максимум ионизации, электропроводность атмосферы в 1012 раз больше, чем у поверхности Земли.

В верхних слоях атмосферы под действием сил тяжести (гравитационное разделение) наблюдается процесс диффузионного разделения газов, в результате в верхних слоях оказываются более легкие газы.

Совокупное влияние процессов диссоциации (распада молекул), ионизации (превращение нейтральных атомов и молекул в заряженные частицы — ионы) и гравитационного разделения обусловливает неоднородность химического состава верхних слоев атмосферы.

Через атмосферу к поверхности Земли поступает электромагнитное излучение Солнца, являющегося главным источником энергии для физических, химических и биологических процессов в географической оболочке Земли. Атмосфера прозрачна для электромагнитного излуче-

Таблица 1.5

Предельно допустимые концентрации опасных для окружающей среды загрязнителей в атмосферном воздухе (масса на1 м3 воздуха)

ния в диапазоне длин волн 1 от 0,3 мкм (микрона = 10 6 м) до 5,2 мкм, в котором заключено около 88 % всей энергии солнечного излучения, и радио диапазоне с длиной волны 1 от 1 мм до 30 м. Инфракрасное излучение (в диапазоне длин волн I gt; 5,2 мкм) поглощается в основном парами воды и углекислым газом в слоях тропосферы и стратосферы. Ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн 1 от 0,3 мкм (3000 А) до 0,18 мкм (1800А) поглощается озоном на высотах 15—60 км, а волны дойной 0,18 мкм — 0,1 мкм и короче поглощаются азотом, молекулярным и атомарным кислородом. Рентгеновское и гамма-излучение поглощается всей толщей атмосферы и до поверхности Земли не доходит, что очень важно для живых организмов. Таким образом, биосфера Земли оказывается защищенной от губительного воздействия коротковолнового излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и гамма- излучения) Солнца. Атмосфера практически не прозрачна для теплового (длинноволнового) излучения Земли, в виду присутствия в атмосфере углекислого газа (СО;) и паров воды, что способствует созданию так называемого парникового эффекта. За счет парникового эффекта при ясной погоде только 10—20 % земного излучения может проникать сквозь атмосферу и уходить в космическое пространство. В тепловом

Таблица 1.6

Источники некоторых опасных для окружающей среды сложных летучих органических соединений и их предельно допустимые концентрации

в воздухе

балансе на Земле атмосфера играет важную роль. Так, если предположить, что Земля лишена атмосферы, то средняя температура ее поверхности доходила бы до — 23 °С, а в действительности средняя годовая температура поверхности Земли составляет 14,8 °С. Наряду с этим, атмосфера выполняет важную защитную функцию от проникновения космических лучей и метеоритов на земную поверхность.

Между атмосферой и земной поверхностью протекают непрерывные процессы обмена энергией (теплооборот) и веществом (влагообо- рот, кислородом и другими газами), которые обусловливают общую циркуляцию атмосферы. С последней связан влагооборот, включающий процессы испарения воды с поверхности гидросферы, переноса водяного пара воздушными потоками, выпадение осадков и их сток. Теплооборот, влагооборот и циркуляция атмосферы являются основными климатообразующими процессами. Атмосфера играет также важнейшую роль в развитии жизни на Земле.