Глава 8. Антропогенные воздействия на атмосферу

8.1. Свойства атмосферы

Атмосфера – внешняя оболочка биосферы. Масса её ничтожна – всего лишь одна миллионная массы Земли. Однако роль атмосферы во всех природных процессах огромна.

Прежде всего, наличие атмосферы является основным условием жизни на Земле. Атмосфера надёжно защищает все живые организмы от пагубного влияния космического и УФ-излучения, от крупных космических осколков, определяет общий тепловой режим поверхности, влияет на климатические условия, а следовательно, - на режим рек, процессы выветривания и рельефообразования, состав почв и растительности.

Для нормальной жизнедеятельности человека и живых организмов на Земле необходимо не только присутствие атмосферы, но и её определенный состав, от которого зависит здоровье человека. Основными компонентами атмосферы являются азот (78,09%), кислород (20,95%), аргон (0,93%), углекислый газ (0,03%). Важную роль играют так называемые малые примеси: метан, аммиак, озон, оксиды азота, оксид углерода, а также водяные пары (0,2-3%). От соотношения отдельных компонентов в атмосфере во многом зависит её влияние на радиационный, тепловой и водный режимы, способность к самоочищению. Так присутствие паров воды и малых примесей (СН_4, NO_x, O₃) влияет на степень проникновения солнечной радиации на поверхность Земли и удержание тепла в околоземном пространстве. Если бы атмосфера не содержала бы примесей, то среднегодовая температура поверхности Земли составляла бы не +15^оС, а -18^оС.

Важнейшими свойствами атмосферы является её способность к быстрому перемешиванию и перемещению на большие расстояния, а также связь с другими сферами и особенно океаном. Эти свойства, а также отсутствие чётко выраженного накопительного эффекта по отношению к загрязняющим веществам обеспечивают, с одной стороны, глобальный характер атмосферных процессов, а с другой – высокую способность к самоочищению. Так, в результате контакта с океаном последний поглощает из атмосферы значительные массы СО_2, СО, SO₂ и другие соединения. Большое количество атмосферных примесей поглощается растениями, а также включается в почвенное звено круговорота веществ. С лёгкой перемещаемостью воздушных масс связана её способность рассеивать загрязнения, но вместе с тем это основной фактор превращения локальных загрязнений в глобальные.

Человек воздействует на различные параметры и свойства атмосферы, её химический состав, тепловой режим, перемещение, радиоактивность, электромагнитный фон и т.п.

В результате человеческой деятельности в атмосферу попадают сотни веществ, которые становятся загрязнителями либо в результате того, что они чужды для атмосферы, либо по причине изменения концентрации свойственных атмосфере веществ, например, углекислого газа.

8.2. Структура и состав атмосферы

Масса атмосферы составляет около 5,9·10¹⁵т. Она имеет слоистое строение (рис 3.1) и состоит из нескольких сфер, между которыми располагаются переходные слои – паузы. Верхняя её граница, где происходит рассеивание газов в межпланетное пространство, лежит на высоте примерно 1000км над уровнем моря. В приземном слое толщиной около 5,5км сосредоточено 50%, а в слое толщиной 40км более 99% массы атмосферы.

Прилегающий к земной поверхности наиболее плотный слой воздуха называется тропосферой. Протяжённость её по высоте в средних широтах 10-12 км над уровнем моря, на полюсах 7-10, над экватором – 16-18км. В тропосфере сосредоточено более 4/5 массы земной атмосферы, основное количество водяного пара и мельчайших частиц примесей, способствующих образованию облаков. Температура воздуха в тропосфере уменьшается с высотой (~6ºС/км) и колеблется от 20-40^оС до -50°С. Верхней границей тропосферы (на высоте около 11км) является тропопауза – область, в которой температура перестаёт понижаться.

Выше тропопаузы примерно до 50км простирается стратосфера. Для неё характерны слабые воздушные потоки, малое количество облаков и постоянство температуры (-50-55ºС) до высоты примерно 25 км. Выше температура начинает повышаться и на уровне стратопаузы (45-54км) достигает +5°С. В стратосфере под воздействием космического излучения и коротковолновой части УФ-излучения Солнца молекулы воздуха ионизируются, в результате чего образуется озон.

Лежащая выше мезосфера простирается до отметки 80км.Главная её особенность – резкое понижение температуры (-75-90°С) у её верхней границы. Здесь фиксируются серебристые облака, состоящие из ледяных кристаллов. Под воздействием солнечной радиации в мезосфере и более высоких слоях происходит диссоциация молекул газов на ионы.

Небольшая мезопауза отделяет мезосферу от ионосферы (термосферы), которая располагается до высоты 800 км. Для неё характерное равномерное повышение температуры с увеличением высоты: на отметке 150 км температура достигает 200-240ºС, на уровне 200 км – 500ºС, на высоте 500-600 км – более 1500ºС. Под действием УФ–лучей выше 80 км диссоциируют СО₂ и Н₂, на уровне 120-150 км - О₂, выше 300 км – N_2. При этом фиксируются отрицательные (N ^– ,O ^– , CO^-₃, NO^-₂ ) и положительные (N ⁺, O ⁺, H ⁺ и др.) ионы. На высоте 100-400 км происходит также ионизация газов: О₂⁺ , О₂^- , N₂⁺ . Эти ионы образуют различные комплексы: О₂⁺·(H₂O), NO⁺·H₂, NO⁺·N₂, NO⁺·CO₂. В верхних слоях ионосферы присутствуют свободные радикалы – OH^• , HO^•₂ и др.

На высоте 120-150 км кислород почти весь становиться атомарным, а азот переходит в такое состояние выше 400-500 км. Кислородно-азотный состав сохраняется примерно до 400-600 км.

С ионизацией связано свечение и газов и возникновение полярных сияний. Ионосфера обладает способностью многократного отражения волн, что обеспечивает дальнюю связь на Земле.

Экзосфера находится выше 800 км и простирается до 2000-3000 км. Скорость, движения газов очень велика (11,2 км/с), но из-за сильного разрежения молекулы газов редко сталкиваются между собой. Выше 600 км начинает преобладать гелий, корона которого простирается примерно до высоты 1600 км.

Геокорона продолжается условно до 20 тыс км и состоит из гелия и водорода, которые медленно рассеиваются в мировое космическое пространство.