Состав и строение атмосферы. Изменение состава атмосферы под влиянием антропогенной деятельности.

Атмосфера – это газовая оболочка Земли с содержащейся в ней аэрозольными частицами, движущаяся вместе с Землей в мировом пространстве как единое целое и одновременно принимающая участие во вращении Земли. Верхнюю гра­ницу атмосферы проводят по высоте 800 — 1000 км, а с учетом экзосферы (внешняя оболочка Земли) граница на высоте 2000 — 3000 км. Тропосфера. 15-17 км – тропики, 8-9 км полюса, 10-12 км – умеренные щироты. 0-160 м – приземный слой. Нижний основной слой атмосферы. Содержит более 80% всей массы атмосферного воздуха и около 90% всего имеющегося в атмосфере водяного пара. 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. Тропопауза. Переходной слой между тропосферой и стратосферой; толщина колеблется от нескольких сотен метров до 1-2 км. Средняя температура над полюсом зимой около -65 °С, летом около -45 °С; над экватором весь год около -70 °С и ниже. Стратосфера. Cлой атмосферы, располагающийся на высоте от 15 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). Благодаря озоновому слою большая меть ультрафиолетового излучения задерживается. Образование перламутровых облаков.

Стратопауза. Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. Мезосфера. Ее газовый состав, в котором преобладав азот и кислород, весьма устойчив. Температура от нижней границы к верхней вновь понижается, достигая значений от —70 до —90 "С. У верхней границы образуются так называемые серебристые облака, представ­ляющие собой скопления мельчайших кристалликов льда. Мезопауза. Термосфера. Это наиболее разреженный слой, для которого характерны повышенная ионизация входящих в ее состав газов, а так­же существенное повышение температуры. Она изменяется от —90 °С на высоте около 80 км до 400 °С и более на высоте около 200 км. Сред­нее содержание водяного пара в атмосфере составляет около 2,6 % (об.). Для средних широт оно равно 1,3 % летом и 0,4 % зимой. Кро­ме того, незагрязненная атмосфера, помимо пыли (0,02 мг/м³), со­держит сернистый ангидрид (8О₂), оксид углерода (СО), оксид азо­та (N0), а также ряд соединений и бактерий. В ее состав входит ионосфера.

Экзосфера. Внешний слой атмосферы, 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. В состав атмосферы входят различные газы, атмосферная влага (водяной пар) и пыль. Содержатся: азот (около 78%), кислород (21%), Ar (0,93) и CO2 (0,03), атмосферные примеси (0,01 – Ne, He, CH4, H2, Kr, NO2, SO3, NO, и тд). Основные загрязнители атмосферы: SO2, CO, CO2, NO2, H2S, NH3, углеводороды выхлопных газов, радиоактивные отходы. В воздухе также содержатся аэрозоли (тв и жидк соед во взвешенном состоянии). Стратосферный озон из-за способности поглощать губительное для биосферы коротковолновое излучение (меньше 0,4 мкм) позволяет ему быть защитным экраном планеты.

Изменение состава воздуха с высотой: 0-100 км – гомосфера (сост возд не меняется), 100 и выше – расслоение газа по плотности по действием УФ-излучения, происходит конц возд, О в атомарном состоянии – гетеросфера. Водяной пар – является переменной частью атмосферы (0,01-4%), поступ в атм в рез-те испарения с поверхности почвы, трансперации. Возврат молекул-происходит насыщение возд => насыщенный. Важной особенностью воздушной оболочки является ее запы­ленность, влияющая на прозрачность атмосферы. Естественным при­родным источником уменьшения прозрачности являются выбросы вулканического пепла. Кроме того, в результате вулканической дея­тельности в верхние слои атмосферы попадает огромное количество сернистого газа, который, окисляясь под воздействием солнечных лу­чей и реагируя с водяным паром, образует аэрозоль серной кислоты. Запыленности атмосферы способствует и антропогенная деятель­ность, значительно уменьшающая ее прозрачность.

Естественные и антропогенные источники атмосферных примесей. Характеристика основных загрязнителей атмосферы: их физико-химических свойств и воздействия на здоровье человека, растительность и строительные материалы.

Примеси: газообразные – 90%; твердые и жидкие (аэрозоли) – 10%. Антропогенное загрязнение – выброс в атмосферу отходов производства и частиц обрабатываемых веществ. Природные источники загрязнения: Лесные, степные, торфяные пожары; вулканические выбросы; морская пыль (капельки морской соли); выветривание; космическая пыль; растительные аэрозоли. Антропогенные источники: Сжигание ископаемого топлива; автотранспорт; технологические процессы производства; взрывы в горнодобывающей пром-ти; распашка земель. Водяные капли и ледяные кристаллы, возникающие в атмосфе­ре при конденсации водяного пара, образуют облака и тума­ны. Твердые и жидкие частицы самого разнообразного состава и различного происхождения называются аэрозолями. Аэро­золи, взвешенные, в атмосфере, имеют как естественное, так и антропогенное происхождение. К твердым аэрозолям есте­ственного происхождения относятся: вулканическая пыль и тонкий пепел, выбрасываемый во время извержений; мелкие частицы вулканического происхож­дения имеют радиус менее 1 мкм; частицы дыма, образующиеся при лесных и торфяных пожарах; частицы пыли почвенного кремнезема, оксиды алюминия и железа, соли кальция диаметром от 0,7—2 до 20 мкм) и органического происхождения, поднятые ветром с земли; космическая пыль, попадающая в атмосферу из межпланетного пространства, а также возникающая при сгорании ме­теоров в атмосфере (радиусом менее 0,01 мкм); поступление таких частиц мало и оценивается величиной 2-10⁴ — 2• 10⁵ т/год. К жидким аэрозолям естественного происхождения относятся капельки морской соли, попадающие в воздух при разбрызгивании морской воды во время волнения. Кроме того, в атмосферу выбрасываются пыльца и споры растений (20—60 мкм), а также бактерии (1 —15 мкм). К аэрозолям антропогенного происхождения относятся части­цы дыма, сажи, золы, попадающие в атмосферу при сжигании топлива и работе промышленных предприятий, а также частицы почвы, поднятые ветром при распахивании земель. Наряду с прямым выбросом значительная масса аэрозолей является продуктом превращения из газовых примесей, попадаю­щих тем или иным образом в атмосферу. Основными составляющими газового загрязнения атмосферы являются: сернистый газ SO₂, оксид углерода СО, диоксид углерода СО₂, нитраты N0_x, сероводород Н₂S, углеводороды выхлопных газов автомобилей, аммиак NН₃, радиоактивные отходы атомных станций. Вследствие соединения ряда газов, в особенности SО₂ и оксидов азота с кислородом, водяным паром и др., под влиянием фотохимических и других реакций образуются вещества, которые переходят в твердое или жидкое состояние.

N₂ → NO –в разрядах молний, NO в NO₂; Источники биологической эмиссии, нитрификация, денитрификация на суше и в океане N₂O, NH₃, NO₂. При пожарах образуются окислы азота и серы. Химические превращения в атмосфере связаны с переходом восстановленных газов в более окисленные формы. Такое направление процессов отражает окислительную природу атмосферы Земли.

NH₃ - N₂O – NO - NO₂ – HNO₃

Общее правило: Более окисленные состояния представлены нелетучими или жидкими формами, так что они эффективно выводятся из атмосферы путем вымывания осадками или путем оседания и поглощения подстилающей поверхностью, следовательно, окисление представляет собой эффективный сток для многих восстановленных газов. Самый значительный геохимический источник следовых газов на поверхности Земли – вулканы.

S Серосодержащие газы – самый большой вклад вулканов. Главным образом SO₂, H₂S, в меньшей степени COS, CS₂. Большой выброс галогенов HCl, CH₃Cl, CH₃Br. Биогенная сера представлена H₂S, метилмеркаптан CH₃SH, (CH₃)₂S, (CH₃)₂S₂. Основную роль играет (CH₃)₂S – продукт жизнедеятельности. В обобщенном виде химические превращения серосодержащих газов в атмосфере схематически можно представить следующим образом: (CH₃)₂S – COS - CS₂ - H₂S - SO₂ – H₂SO₄ – SO₄^2- - CH₃SO₃H-сульфоновая кислота.

Существует 3 основных источника естественной эмиссии серы: Процессы разрушения биосферы с помощью анаэробных организмов; Вулканическая деятельность; Поверхность океана.

С Практически весь углерод атмосферы содержится в форме СО₂ (конц – 354*10^-6). Через несколько десятилетий океан будет поглощать С из атмосферы менее эффективно и следовательно содержание СО₂ в атмосфере возрастет.Процесс выведения: сухое поглощение и вымывание, наряду с гомогенными химическими реакциями, которые являются стоками для тех газов, которые вступают в эти реакции.

Время пребывания газа в атмосфере связано с пространственной изменчивостью концентраций, то есть с коэффициентами вариаций изменяемых концентраций. Коэффициент вариации δ/с. Если газ быстро выводится из атмосферы, то его самые высокие конц. будут наблюдаться в непосредственной близости от источника. И у такого газа будет наблюдаться высокая изменчивость конц. Если газ имеет большее время пребывания в атмосфере, то он будет распространяться повсеместно и изменчивость концентраций будет невелика.

СН₄ – главный органический компонент Земли. Присутствует во всей толще тропосферы и стратосферы. Источники: образуется высокоспециализированными анаэробными микробными организмами – метаногенами. Метановые газогидраты/клатраты – снегоподобные структуры, в которых метан включается в кристаллическую решетку воды. Газогидраты обнаружены в морских глубинах и в мерзлых породах. Источники: с-х производство (рисовые чаки), свалки ТБО, иловые площадки. Чистая антропогенная эмиссия метана связана с добычей ископаемого топлива, а также с процессами горения и топлива, и биомассы. Природные источники: Болота; Насекомые (фитофаги); Океаны; Пресноводные водоемы; Газогидраты. Антропогенные источники: добыча; сжигание. Сток метана: поглощение почвами с последующей микробиологической ассимиляцией метанотрофами; окисление в атмосфере. Сейчас идет усиление тропосферного хим стока метана. Большая часть эмиссии метана находится под прямым или косвенным воздействием человека.

Воздействие на растительность: Лишайники и хвойные деревья более всего подвержены действию загрязнителей. Воздействие SO2 (нарушение процессов фотосинтеза, уменьшение рН клеточной среды, накопление серы в листьях).

Кислотные осадки. Химический состав изменяется с севера на юг: на юге больше солей и выше минерализация. pH атмосферных осадков ниже 7 всегда. На Европейской части России в 80% случаев – меньше 5,5. Состав: 60% - серная кислота; 30% - азотная кислота; 5% - соляная кислота; 2% - углекислый газ; 3% - другие примеси.