Структура и динамика атмосферы. Важнейшие Экологические проблемы, связанные с состоянием атмосферы земли.

Атмосфера - это газовая оболочка Земли, состоящая (по объему) из азота (78,09%), кислорода (20,95%), аргона (0,93%), углекислоты (около 0,03%), а также H, Ne, He, Kr, Xe и ряда других газов (в сумме около 0,01%).

Атмосфера простирается вверх до 2000-3000 км. Условно она подразделяется на верхнюю и нижнюю, с границей между ними ниже максимума озонового слоя. По вещественному составу, температуре и характеру воздушных течений в ней выделяют несколько групп слоев, границы между которыми называются паузами. Они проводятся с учетом расположения максимумов и минимумов в высотном распределении температуры.

Вплоть до уровня мезапаузы в верхней атмосфере доминируют процессы перемешивания, что обеспечивает относительное постоянство средней молекулярной массы воздуха. Эту часть верхней атмосферы принято называть гомосферо й. Выше, там, где особую роль приобретает молекулярная диффузия газов, приводящая к гравитационной дифференциации с высотой, находится область гетеросферы.

В приземной атмосфере температура убывает от поверхности Земли до тропопаузы, являющейся верхней границей тропосферы.

Именно этот слой наиболее важен для жизни на Земле. Здесь сосредоточено около 90 % массы атмосферы. Тропосфера распространена от 8 до 17 км от земной поверхности, составляя у полюсов 8-9 км, в умеренных широтах 10-12 км, в тропиках - 15-17 км. Средняя температура поверхности Земли 15° С. Температура вблизи поверхности Земли около 31,2°, на высоте 200 м 30,0° С. Таким образом, вертикальный градиент температуры в тропосфере 0,6°/100 м (примерно 6,5°/1 км).

Вес столба атмосферы определенного сечения на разных широтах и при разной температуре несколько различен. На широте 45° при 0° С он равен весу ртутного столба 760 мм, или давлению 1,0333 кг/см.

Важное влияние на состояние атмосферы оказывает и атмосферный аэрозоль - взвешенные частицы размером до нескольких десятков микрометров. Они поглощают и рассеивают солнечную радиацию и являются ядрами конденсации облачной влаги. Концентрации аэрозолей убывают достаточно быстро с высотой, причем на это накладываются многочисленные вторичные максимумы, связанные с существованием аэрозольных слоев.

Как выясняется, аэрозоль имеет существенное влияние на озон и, наоборот, существует эффект влияния изменения содержания озона от климатических факторов вулканических извержений.

Самый нижний максимум температуры атмосферы обусловлен поглощением озоном ультрафиолетового излучения и отвечает с тратопаузе - верхней границе стратосферы. Здесь до высоты 40 км температура воздуха ниже 0°С и лишь в верхней ее части возрастает в среднем до 15°. На высоте около 30 км, отличающейся относительно повышенной влажностью, распространены перламутровые облака.

На высоте около 40 км расположен защитный озоновый слой Земли, определяющий верхний предел жизни в биосфере. Он появился одновременно с возникновением в земной атмосфере кислорода. Если собрать его в один слой в «нормальных» условиях (Р=1 атм., Т= 273° С), его толщина составит всего 3 мм, а так же «спрессованная» атмосфера будет иметь мощность в 8,3 км. Однако, защитные свойства озона весьма существенны. Он полностью поглощает энергию ультрафиолетовой радиации Солнца, что совершенно исключает попадание на поверхность Земли губительных для всего живого солнечных лучей. Озон одновременно поглощает инфракрасное излучение (ИК) Земли, препятствуя ее охлаждению.

В самой верхней, очень разряженной части верхней атмосферы происходит «убегание» легких газов - H и He, отдельные атомы которых имеют достаточную для этого скорость. Это – экзосфера.

Главными особенностями циркуляционных процессов в тропосфере является преобладание западных ветров, вертикальный перенос и турбулентность движения.

В стратосфере обнаружена активная вертикальная циркуляция, но преобладает восточное направление ветров.

Общая схема «поясов ветров Земли» приведена на рис. 3.5.

Вообще, потоки воздуха в атмосфере чрезвычайно разнообразны и на разных уровнях могут иметь различные направления, в том числе и циркуляционные. Вертикальные перемещения воздуха принято называть

 

 

воздушными течениями. Скорости их могут достигать 100 км/ч, но часто не превышают 1-2 км/ч.

Для циклонов характерны медленные, но длительные восходящие движения воздуха. Поэтому то, что мы обычно называем плохой погодой, в смысле очистки воздуха от загрязнений является благоприятным экологическим обстоятельством. Иное дело - антициклоны, где воздух опускается. При переходе этих воздушных масс в более нижние слои атмосферы, характеризующиеся повышенным давлением, воздух сжимается и его температура возрастает. Если вследствие этого перегретый воздух остается на некоторой высоте - образуется температурная инверсия, при которой температурный градиент становится отрицательным. Это делает атмосферу устойчивой, а, следовательно, мало подвижной.

Ураганы и их последствия. Особенно грозны тропические ураганы. В прибрежных областях высота морских волн, поднимаемых ураганами, достигает 10-12 м, и в низменных участках побережий оказываются затопленными многие сотни до десятков тысяч км². Скорость ветра при этом достигает 250 км/ч. Гибнут животные и люди, разрушается растительный мир и здания.

Циклон «Агнес» в США в 1972 г. Восточные штаты испытали воздействия сильных ветров и обильных дождей, в результате которых меньше чем за сутки выпало 280 мм осадков на площади 92 тыс. км². При прохождении некоторых циклонов во время штормов происходит затопление побережий, иногда достигающее ширины 80-100 км (ураган «Донна» в 1990 г., с разливом от Флориды до Новой Англии).

Первое место по подверженности разрушительным циклонам принадлежит низменному побережью Бенгальского залива, характеризующемуся высокой плотностью населения. Самый катастрофический ураган XX в. был отмечен в 1970 г. в Бангладеш, когда погибло 265,7 тыс. чел. Причем в этот раз жители были извещены о приближении ненастья, но лишь 1 % населения приняли меры по своему спасению.

Формирование ореолов загрязнений. Имеются случаи распространения дымовых шлейфов от крупных, преимущественно лесных пожаров. Так, дымное облако от очага пожаров в Западной Канаде в конце сентября 1950 г. пересекло весь Северо-Американский континент в виде S-образного следа. Другой весьма протяженный дымовой шлейф субконтинентальной протяженности, образованный в результате слияния в Центральной России, был изучен по космоснимкам от 27 августа 1972 г. Он обладал сложной траекторией, берущей начало от Нижнего Новгорода и верхней половины Двины и заканчивающейся в районе оз. Балхаш.

Так же распространяется и радиоактивное загрязнение атмосферы. Широко известен опыт Чернобыля, где ореол радиоактивного загрязнения определился сложной розой изменчивых ветров, отвечающей этому периоду климатических обстановок.

Смоги. Возникновение смогов объясняется антропогенными загрязнениями воздуха при инверсионных климатических явлениях. Впервые смог был описан 5 -9 декабря 1952 г. А. Смитом.

Различается три типа смоговых явлений. Смог лондонского типа характеризуется повышенной влажностью воздуха. Смог фотохимический, получивший название лосанджелесского и характеризующийся приземным развитием озона, обусловлен преимущественно автомобильным загрязнением города выхлопными газами в географических условиях, напоминающих застойную колбу. Третий тип - аляскинский, характеризующийся присутствием в воздухе ледяных частиц.