2.2. Эволюционные изменения в атмосфере

Происхождение атмосферы неразрывно связано с образованием Земли. Однако на сегодня уже нет оснований принимать ранее выдвигавшееся предположение о том, что атмосфера, как и океан, постепенно появлялась на поверхности Земли на протяжении геологической истории. Имеющиеся данные указывают на то, что океан и атмосфера существовали ещё до того, как земля сформировалась в планету. На сегодня отдаётся предпочтение тому, что эволюция атмосферы происходила под влиянием следующих факторов: 1) концентрирования вещества межпланетного пространства; 2) выделения газов при вулканической деятельности; 3) химического воздействия газов атмосферы с компонентами гидросферы и литосферы; 4) диссоциации молекул воздуха под влиянием солнечного ультрафиолетового и космического излучения; 5) биогенных процессов в живом веществе биосферы; 6) антропогенной деятельности ноосферы.

Имеется основание считать, что первичная атмосфера Земли была богата СО₂ и бедна О₂. Затем в результате фотодиссоциации воды в атмосфере появился кислород, количество которого начало особенно интенсивно расти в результате биогенных процессов с момента зарождения жизни на Земле ( млрд. лет назад). Около 500 млн. лет назад количество кислорода в атмосфере было много больше, чем сейчас, но впоследствии в результате интенсивной вулканической деятельности снизилось до современного. Что же касается углекислого газа, то здесь картина обратная. Вначале содержание СО₂ в атмосфере на порядок превышало современный уровень, затем уменьшилось в такой степени, что 500 млн. лет назад оно стало заметно ниже современного уровня и достигло его лишь значительно позже.

Представления об эволюции земной атмосферы наиболее полно согласуются с большинством геологических и биогеохимических данных, которыми располагает современная наука. И хотя многие детали этой эволюции остаются ещё непознанными, сам факт длительного и сложного развития атмосферы, находящейся в многоплановом взаимодействии с литосферой, гидросферой и биосферой, остаётся неоспоримым.

2.3. Антропогенные воздействия на атмосферу

Антропогенные факторы предопределяют существенные изменения в нормальном функционировании атмосферы, причём как в самых нижних, так и в высотных её частях. Имеется множество различных источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение атмосферы, а вместе с тем и серьёзные нарушения экологических равновесий в биосфере. По своим масштабам заслуживают внимания, прежде всего, два таких источника, как транспорт и индустрия. В среднем на долю транспорта (например, в США) приходится 60% общего количества загрязнений, поступающих в атмосферу, промышленности – 17, энергетики – 14, на отопление и уничтожение отходов – 9%.

Если говорить о транспорте, и прежде всего автотранспорте, то примерное содержание основных компонентов выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания может быть представлено табл. 3. При работе двигателя на этилированном бензине в выхлопах появляются окислы азота.

Таблица 3

Содержание основных компонентов выхлопов двигателей внутреннего сгорания, об. %

Компонент	Двигатель		Компонент	Двигатель
	бензиновый	дизельный		бензиновый	дизельный
Окись углерода Водород Кислород Азот Окислы азота NOх	0,5-12,0 0,1-5,0 0,3-8,0 74-77 0,001-0,8	0,001-0,05 - 2,0-18 76-78 0,0005-0,5	Пары воды Сажа Альдегиды Углеводороды Бензпирен	3,0-5,5 0,0-0,04 0,0-0,2 0,2-3,0 10-20	0,5-4 0,01-1,1 0,001-0,01 0,01-0,5 5-10

Количество свинца в воздухе находится в прямой зависимости от интенсивности движения и может достигать 4-12 мг/м³. При работе на серосодержащем топливе в выхлопах появляется также SO₂. Как правило, содержание токсичных веществ в выхлопе бензиновых и дизельных двигателей превышает предельно допустимые концентрации в десятки и сотни раз.

Тысяча автомобилей с карбюраторным двигателем в день выбрасывает около 3 т СО, 100 кг NO_х, 500 кг соединений неполного сгорания бензина. А ведь по статистическим данным только в США на сегодня насчитывается 130 млн. легковых автомобилей и автобусов и 39 млн. грузовиков. Сколько автомобилей на планете будет в ближайшем будущем - пока неизвестно, но вполне ясно лишь одно: либо человечество сделает так, чтобы на Земле было меньше бензиновой гари, либо бензиновая гарь сделает так, чтобы людей было меньше на Земле. А ведь дело не только в автотранспорте.

Индустрия в целом вносит большой вклад в загрязнение атмосферы. Недавно проведённый у нас анализ состава промышленных выбросов автотранспорта в 100 городах показал, что 85% общего выброса вредных веществ в атмосферу составляют сернистый газ, окись углерода, оксиды углерода и аэрозольная пыль. Половина остальных 15% специфических вредных веществ приходится на углеводороды, другая половина – на аммиак, сероводород, фенол, хлор, смолистые вещества, сероуглерод, фтористые соединения, серную кислоту.

Опасным элементом загрязнения атмосферы являются аэрозольные образования. Как известно, аэрозоли – это дисперсные системы, в которых дисперсионной средой служит газ, а дисперсными фазами являются твёрдые или жидкие частицы. Обычно размеры частиц аэрозолей ограничивают интервалом 10^-7-10^-3см. Аэрозоли можно разделить на три большие группы. К первой относятся пыли – коллективы, состоящие из твёрдых частиц, диспергированных в газообразной среде. Ко второй группе относят дымы. К дымам относят все аэрозоли, которые получаются при конденсации газа. Наконец, к третьей группе относят туманы. Туман – это коллектив жидких частиц в газообразной среде. В механизме образования аэрозолей существенную роль играют центры конденсаций, сублимации, кристаллизации, обычно называемые ядрами. Для возникновения устойчивого зародыша новой фазы, например капли жидкости в газе, необходима дополнительная энергия, связанная с возникновением поверхности. С точки зрения теории зародышеобразования молекулы пара, оседающие на инородной поверхности, выделяют энергию, которой вполне достаточно, чтобы перекрыть расходы на образование поверхности новой фазы. Ядрами могут быть: вулканическая пыль, продукты промышленных отходов, попадающих в атмосферу, частицы растений, бактерии и т.д. Надо сказать, что возможные источники ядер непрерывно растут. Так, подсчитано, что при уничтожении огнём травы на площади 0,4 га образуется в среднем около 2²² ядер. При горении газа в течение 15 с количество ядер может составлять 5⁵- 5⁶ на 1 см³.

Мир аэрозолей – это «мир без постоянства». Отличительное свойство этих систем – их неустойчивость. Седиментация, испарения, конденсация, электромагнитные поля, броуновское движение – эти самые разнообразные физические факторы способны вызывать изменения в аэродисперсной системе. В свою очередь проявление каждого из этих факторов зависит от свойств самих аэрозолей. Выбросы взвешенных частиц в атмосферу начались с возникновением нашей планеты. Естественными источниками атмосферных аэрозолей служили и служат вулканы и гейзеры, разрушающиеся горные породы и пылевые бури, почвенная эрозия и лесные пожары. Природные выбросы аэрозолей всегда влияли на среду человеческого обитания. Однако, уравновешиваясь общим круговоротом веществ в природе, они не вызывали глубоких экологических изменений. Антропогенные же факторы, активная деятельность ноосферы приняли такой размах, что природные круговороты, в конце концов, не могут скомпенсировать перегрузки. Достаточно сказать, что сейчас в земной атмосфере взвешено около 20 млн. т частиц, из которых примерно три четверти приходится на долю выбросов промышленных предприятий. Основной параметр, характеризующий взвешенные частицы, - это их размер. Как отмечалось, он колеблется в широких пределах: от 0,001 до 1000 мкм. Для сравнения можно отметить, что средняя толщина человеческого волоса – 100 мкм, а частицы меньше 50 мкм невидимы невооружённым глазом. Наиболее опасными для наших лёгких являются частицы от 0,5 до 5 мкм; более крупные задерживаются в полости носа, более мелкие в дыхательных путях не оседают, и мы их выдыхаем. На аэрозольные частицы могут оказывать влияние самые различные силы: гравитационные, электрические, центробежные, звуковые, магнитные. Под действием внешних сил частицы перемещаются, как бы раздвигая на своём пути газовую среду. Её сопротивление, эквивалентное силе трения и препятствующее движению частицы, определяется известным законом Стокса:

F = 6r,

где F – сила трения; r – радиус частицы;  - её скорость и  - вязкость среды.

Используя закон Стокса, можно определить скорость осаждения частиц под влиянием силы тяжести (седиментация). Расчёты показывают, что в спокойном воздухе скорость осаждения частиц размером 100 мкм составляет 25 см/с, 10 мкм – 0,3 см/с, а 1 мкм – всего 0,003 см/с. Это означает, что частицы размером 100 мкм при высоте источника выброса 10 м осядут за 40с, а размером в 1 мкм – лишь за 93 ч. Результаты этого простого расчёта показательны с двух точек зрения. Медленное оседание аэрозолей предопределяет изменение прозрачности воздуха со всеми вытекающими отсюда последствиями, и обратно: быстрое их оседание может отрицательно сказаться на зелёном покрове Земли.

Прозрачность – одна из важных характеристик атмосферы. Уменьшение прозрачности может существенно повлиять на климат и на эффективность фотосинтеза. В этом отношении достаточно указать на вулканическую деятельность как на естественный источник уменьшения прозрачности атмосферы. При мощных извержениях вулканов в атмосферу выбрасываются сотни миллионов тонн пепла. Тучи пепла скрывают землю от солнца на площади в тысячи квадратных километров. Кроме того, в верхние слои атмосферы попадает огромное количество сернистого газа, который, окисляясь под действием солнечных лучей и реагируя с водяным паром, образует аэрозоль серной кислоты. Всё это увеличивает отражательную способность верхних слоёв атмосферы или так называемое «альбедо» атмосферы. Не случайно повышенное количество вулканического пепла и сульфидов в геологических отложениях используется как свидетельство резкой интенсификации вулканической деятельности перед каждым новым оледенением.

Принято считать, что взаимодействие пыли и растений положительно сказывается на человеческой деятельности, так как растения являются своего рода фильтрами. Конечно, такую функцию растения выполняют успешно, если осаждающиеся на них аэрозоли не вызывают угнетения и гибели растительных клеток. Это возможно при недлительном пребывании пылевидных частиц на растениях, т.е. при периодическом сбрасывании их на землю. Наблюдения показывают, что под кронами деревьев на поверхность почвы оседает в 5-10 раз больше пыли, чем в открытой местности. Установлено, что к наиболее опасным для растений газам относятся сернистый газ, фтористый водород и озон. Эти газы, проникая в лист, вступают в реакцию с железом, входящим в состав хлоропластов, и практически вызывают распад хлорофилла и гибель растений. Очень опасны пыли окисей металлов (Cu, Zn, Sn) и металлоидов (особенно серы). При соприкосновении с влажной поверхностью листвы пылинки окисей образуют кислоты, вызывающие гибель живой ткани. С действием дыма, как правило, связывают побурение, пожелтение, более быстрое увядание растений, их податливость к различного рода заболеваниям. Очень опасны также ядовитые аэрозоли, образующиеся при встрече углеводородов и окислов азота. Чрезвычайно опасны также радиоактивные аэрозоли. Рассматривая вопросы, связанные с аэрозолями антропогенного происхождения, нельзя не упомянуть о смогах.

Смог происходит от дымов и туманов. Согласно одному из последних международных экологических словарей смог – это «туман, ставший более тяжёлым и более тёмным благодаря городской копоти – дыму». Он образуется в результате большого количества выхлопных газов от автомобилей и сопровождается образованием большого количества озона, а также других окислителей и токсичных веществ. Ответственной за образование озона оказывается двуокись азота, которая образуется при сгорании топлива в автомобильных двигателях. Двуокись азота под влиянием облучения солнцем диссоциирует с образованием атомарного кислорода:

NO₂+h=NO+O,

а дальше идут реакции:

О + О₂ +  = О₃ + М,

(жёлто-зеленое свечение)

NO + O = NO₂ + h,

первая из которых приводит к образованию озона, а вторая обусловливает жёлто-зелёную окраску смога.

К опасным факторам антропогенного характера, способствующим серьёзному ухудшению качества атмосферы, следует отнести радиоактивность. Естественная радиоактивность атмосферы – это закономерное явление, обусловленное двумя причинами: наличием, в атмосфере родона ²²²Rn и продуктов его распада, а также воздействием космических лучей. К продуктам распада ²²²Rn относятся ²²⁰Rn (названный тороном Тh, 1/2=54 с) и ²¹⁹Rn (названный октиононом, 1/2=3,9 с). Сам родон, полураспад которого равен 3,8 дня, а также его изотопы первоначально образуются в земной коре за счёт радиоактивного распада урана и тория.

Образуясь в грунте, они через поры почвы проникают в приземный слой атмосферы, где их концентрация достигает 2,2^-16 Ки/см³ для Тh и 1,3^-16 Ки/см³ для Rn. Торон ввиду малого своего периода полураспада, концентрируется главным образом у земной поверхности, тогда как продукт его распада ²¹⁸₂₂Pb (l / 2 = 10 часов) обнаруживается в более высоких частях тропосферы. Что касается родона, то вследствие его захвата естественными аэрозолями он переносится в самые верхние плоскости тропосферы, а его долгоживущие продукты распада, такие, как ²¹⁰₈₂Pb, ²¹⁰₈₃Bi и ²¹⁰₈₄Pо, обнаруживаются и в стратосфере. Атмосферный круговорот радона включает его лёгкую вымываемость осадками и осаждение на земную поверхность под действием силы тяжести. Космические лучи, проникающие на землю из мирового пространства, обычно подразделяют на первичные и вторичные. В состав первичных космических лучей входят главным образом положительно заряженные частицы (преимущественно протоны). Они обладают большими энергиями и несутся в мировом пространстве с колоссальными скоростями. Проникая в земную атмосферу, первичные лучи уже на высоте около 50 км начинают взаимодействовать с ядрами встречных атомов, что ведёт к образованию элементарных частиц, называемых пионами (П). Масса пионов – порядка 0,15 а.е.м., заряд их может быть и отрицательным, и положительным, и нейтральным, время жизни – 10^{- 8}с .В слое атмосферы от 50 до 20 км почти все первичные космические лучи расходуют свою энергию, которая передаётся вызванному ими вторичному космическому излучению. Последнее слагается в основном из мюонов (), представляющих собой частицы с массами порядка 0,11 а.е.м., несущие положительный или отрицательный заряд и живущие не более 210^{– 6} с, а также электронов, позитронов и - лучей. Вторичные космические лучи, доходящие до поверхности Земли, подразделяются на « мягкие» и «жёсткие», первые из которых могут поглощаться экраном из свинца и состоят в основном из электронов и позитронов, а вторые – это мюоны, обладающие большой проникающей способностью.

Возникновение радиоизотопов объясняется тем, что космические лучи, проникающие в атмосферу со скоростями, близкими к скорости света, сталкиваются с ядрами компонентов воздуха, движущихся со сравнительно небольшими скоростями (порядка 0,5 - 1 км/с ), вызывают ядерные реакции превращения одного вещества в другое. Главными радиационными частицами, обусловливающими радиоактивный фон атмосферы под влиянием космических лучей, являются тритий (³₁Н) и радиоуглерод (¹⁴₆С). Образование трития происходит за счёт взаимодействия атмосферного азота с нейтронами (^ _оn ):

¹⁴₇N + ^ _оn  ¹²₆C + ³₁H.

Имеются, однако, и другие пути образования трития, в частности, за счёт взаимодействия атмосферного азота с протонами высоких энергий и атмосферного кислорода и нуклонами. В свою очередь, распад трития приводит к образованию гелия:

Общее количество трития на земном шаре оценивается величиной 12 кг. Образование радиоуглерода (¹⁴₆C) вызвано таким взаимодействием атмосферного азота с нейтронами, в процессе которого возникает неустойчивый радиоактивный азот (¹⁵₇N), генерирующий ¹⁴₆С и протон (¹₁Р):

¹⁴₇N + ^ _оn = ¹⁵₇N  ¹⁴₆С + ¹₁Р.

Характерно при этом, что распад ¹⁴₆С вновь приводит к образованию стабильного азота:

¹⁴₆С = ¹⁴₇N +e,

п редопределяя тем самым обратимость процесса. По имеющимся данным равновесная концентрация радиоуглерода ¹⁴₆С на земном шаре оценивается на сегодня величиной 810⁴ кг. Обращает на себя внимание, что содержание трития и радиоуглерода в стратосфере значительно больше, чем в тропосфере. Это говорит о том, что указанные радиоизотопы возникают именно под действием космических лучей. Кроме того, образование и концентрация в атмосфере указанных изотопов имеют минимум у экватора и растут по направлению к магнитным полюсам Земли, подобно тому, как это отмечается и для распределения космических лучей. Это также служит подтверждением того, что радиоизотопы водорода и углерода возникают в атмосфере под действием космических лучей. Их влияние обусловливает появление и других радиоизотопов, вносящих свой вклад в радиоактивный фон атмосферы. Так, под действием космических лучей на атмосферный аргон образуется радиоизотоп хлора (³⁹₁₇Сl):

где  - элементарная частица, называемая нейтрино, а также изотоп самого аргона:

Наличие в атмосфере рассмотренных выше радиоизотопов обусловлено в целом так называемой «естественной» радиоактивностью, к которой живые элементы биосферы хорошо адаптировались в процессе эволюции. Что касается антропогенных факторов, связанных с радиоактивностью и опасных по своим последствиям, то они связаны главным образом с «искусственной» радиоактивностью. При ядерных взрывах большая часть изотопов образуется в результате деления урана-238 и плутония-239. Известно, что через несколько десятков секунд после взрыва образуется примерно 100 различных изотопов, двадцать девять из которых вносят наибольший вклад в радиоактивность атмосферы через час, двадцать – через двое суток, а три – через 100 лет.

Особую потенциальную опасность для человека и животных представляет ⁹⁰₃₉Sr, не только как долгоживущий элемент, но и как аналог кальция, способный заменять его в костях живых организмов со всеми вытекающими отсюда последствиями. Во время ядерных взрывов радиоактивные вещества (равно как и неактивные) находятся в газообразном состоянии и по мере понижения температуры конденсируются в аэрозольное облако. Наиболее крупные частицы, радиусом 20 мкм, достаточно быстро выпадают из атмосферы и оседают на земной поверхности. Мелкие же частицы, радиусом от 1 до 10 мкм, попадают не только в верхние плоскости тропосферы, но и в стратосферу, обусловливая так называемое «глобальное» выпадение осадков в пределах всего полушария, а иногда и в обоих полушариях. Следует отметить, что время пребывания искусственных радиоизотопов в нижней части тропосферы составляет в среднем несколько суток, а в верхней – 20 – 40 сут. Что касается частиц, попавших в нижние плоскости стратосферы, то они могут там находиться до года, а иногда и больше.