Структура и состав атмосферы

Атмосфера — газообразная оболочка планеты, состоящая из смеси различных газов, водных паров и пыли. Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с Космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы: водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, определяющей тепловой режим поверхности планеты, вызывающей диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов. Атмосфера имеет четко выраженное слоистое строение (см. рис. 2.2). Нижний, наиболее плотный слой воздуха — тропосфера. В зависимости от широты Земли ее высота 10—15 км. Здесь содержится 80 % массы атмосферы и до 80% водяного пара, развиваются физические процессы, формирующие погоду и влияющие на климат различных районов нашей планеты. Над тропосферой до высоты 40 км расположена стратосфера. В ней находится озоновый слой, поглощающий большую часть ультрафиолетовой радиации и предохраняющий жизнь на Земле. Выше находится ионосфера, которая обладает повышенной ионизацией молекул газа. Этот слой высотой до 1300 км также оберегает все живое от вредного воздействия космической радиации, влияет на отражение и поглощение радиоволн. Далее до 10 000 км простирается экзосфера, где плотность воздуха с увеличением высоты убывает, приближаясь к разреженности вещества в максимальном пространстве.

Принято выделять постоянные и переменные компоненты атмосферы в зависимости от длительности пребывания в атмосфере. Таким примером является вода, находящаяся в атмосфере в разных формах и концентрациях. В то же время такое подразделение составных частей атмосферы является относительным, так как в течение длительных интервалов времени все компоненты атмосферы оказываются переменными. Приблизительный состав атмосферы представлен в таблице 14.1.

Главными составными частями атмосферы являются азот, кислород, аргон и углекислый газ.

Одним из важнейших компонентов атмосферы является озон (О-). Его образование и разложение связаны с поглощением ультрафиолетовой радиации Солнца, которая губительна для живых организмов. Он же задерживает 20% инфракрасного излучения Земли, повышая утепляющее действие воздушного покрывала. Основная масса озона располагается на высотах 22—24 км. Озоновый слой часто называют «озоновым экраном» (рис. 14.1).

 

 

Таблица 14.1

Приблизительный состав атмосферы*

 

Элементы и газы	Содержание в нижних слоях атмосферы, %
по объему	по массе
Азот ислород Аргон Неон Гелий риптон Водород Углекислый газ (в среднем) Водяной пар: в полярных широтах у экватора Озон: в тропосфере в стратосфере Метан Окись азота Окись углерода	78,084 20,946 0,934 0,0018 0,000524 0,000114 0,00005 0,034   0,2 2,6   0,000001 0,001-0,0001 0,00016 0,000001 Тысячные доли, в воздухе городов - до 0,000008	75,5 23,14 1,28 0,0012 0,00007 0,0003 0,000005 0,0466   - -   - - 0,00009 0,0000003   0,0000078

 

Таким образом, мощность воздушной оболочки, защищающей жизнь на нашей планете от безжизненного космоса, по земным масштабам, значительна— 1,5 тыс. км, или около 1/4 радиуса Земли, по масштабам космическим ничтожна — составляет 1/100000 расстояния от Земли до Солнца. 3/4 воздуха сосредоточено в нижнем ее слое — тропосфере.

Плотность атмосферы существенно падает с высотой, но даже у самого уровня моря — около 0,001 г/см², т. е. почти в 1000 раз меньше плотности воды — она, по житейским нашим меркам, вообще не укладывается в средства защиты. И тем не менее именно «невесомый» воздух — безотказная защита планеты от губительных для живого воздействия космоса. Пробить эту «броню» в состоянии лишь крупные, с исходной массой в десятки и сотни тонн метеориты — явление чрезвычайное.

Количество пыли в атмосфере зависит от интенсивности вулканизма, антропогенных выбросов и скорости осаждения частиц, поэтому трудно определимо.

 

 

Рис. 14.1. Распределение и перенос озона (1), воды (2) и примесей (3) в атмосфере Земли (Newell, 1971)

Источники и состав загрязнения

Атмосферного воздуха

 

Проблема чистоты атмосферы не нова. Она возникла вместе с появлением промышленности и транспорта, работающих на угле, а затем на нефти. В течение практически двух столетий задымление воздуха носило местный характер. Дым и копоть сравнительно редких заводских, фабричных и паровозных труб почти полностью рассеивались на большом пространстве. Однако быстрый и повсеместный рост промышленности и транспорта в XX в. привел к такому увеличению объемов и токсичности выбросов, которые уже не могут быть «растворены» в атмосфере до безвредных для природной среды и человека концентраций.

Загрязнение атмосферы имеет естественное и искусственное происхождение (рис. 14.2).

Рис. 14.2. Источники загрязнения воздуха (Roger, 1965)

 

Среди естественных факторов выделяются:

а) внеземное загрязнение воздуха космической пылью и космическим излучением;

б) земное загрязнение атмосферы при извержении вулканов, выветривании горных пород, пыльных бурях, лесных пожарах, возникающих от ударов молний, выносе морских солей.

Условно разделяют естественное загрязнение атмосферы на континентальное и морское, а также неорганическое и органическое. К источникам органического загрязнения относят аэро-планктон-бак-терии, в том числе болезнетворные, споры грибов, пыльцу растений (включая и ядовитую пыльцу амброзии) и т. д.

На долю естественных факторов в конце XX в. приходилось 75% общего загрязнения атмосферы. Остальные 25% возникали в результате деятельности человека.

Искусственное загрязнение атмосферы разделяют на радиоактивное, электромагнитное, шумовое, дисперсное и газообразное, а также по отраслям промышленности и видам технологических процессов.

Главными и наиболее опасными источниками загрязнения атмосферы являются промышленные (рис. 14.3), транспортные и бытовые выбросы. По особенностям строения и характеру влияния на атмосферу загрязнители, как правило, подразделяют на механические и химические.

 

Рис. 14.3. Загрязнение атмосферы выбросами промышленных

предприятий (по Е. А. Криксунову и др., 1995)

 

Вследствие деятельности человека в атмосферу поступают углекислый газ СО₂ и угарный газ СО, диоксид серы SO₂ метан СН₄, оксиды азота NO₂, NO и N₂O. При использовании аэрозолей в атмосферу поступают хлорфторуглероды, в результате работы транспорта—углеводороды (бенз(а)пирен и др.).

Наиболее массовые загрязнители, вырабатываемые всеми тех-ногенными источниками в атмосферу Земли, представлены в табл. 14.2.

Таблица 14.2