98

Глава 1 причины и последствия загрязнения атмосферы

1.1. Атмосфера — основа жизни

Строение атмосферы земли. Обычно под термином «атмосфера» понимают слой воздуха, окружающий Землю. Примерно 4,5–5 млрд. лет назад атмосфера Земли имела состав, близкий к составу вулканических выбросов, состоящих в основном из водяного пара, двуокиси углерода и азота. В процессе охлаждения первобытной Земли, кора ее постепенно затвердела. Возникшие сильные дожди в значительной степени вымыли из атмосферы углекислый газ и образовали гидросферу Земли, постепенно приобретшую уникальные условия, необходимые для зарождения жизни. Кислород, содержащийся ныне в атмосфере, имел совершенно иной источник происхождения, а именно — зелёные растения.

Возникшие в гидросфере, более 3 млрд. лет назад обособленные химические реакции, черпающие энергию из окружающей среды, в результате своей эволюции, сопровождающейся естественным отбором, постепенно образовали простейшие клетки, способные к фотосинтезу. Питаясь, растворенными в воде хим. веществами, используя солнечную энергию и двуокись углерода, для синтеза органических соединений, эти организмы выделяли кислород. С появлением в атмосфере кислорода началась новая эра в истории Земли (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Эволюция атмосферы земли

В настоящее время основными компонентами атмосферы является азот, кислород, вода, аргон (табл. 1.1). Суммарная масса земной атмосферы составляет 5,310¹⁸ кг.

Компоненты атмосферы далеко не равномерно распределены в ней. Специалисты, изучающие атмосферу, выделяют в ней несколько зон, располагающихся на различных высотах от Земли в зависимости от их температуры (рис. 1.2). Около 95% массы воздуха приходится на внутренний слой — тропосферу, простирающуюся вверх над поверхностью Земли примерно на 17 километров. С увеличением высоты температура в тропосфере понижается.

Огромные массы воздуха в тропосфере находятся в постоянном движении, так как нагретый солнцем воздух поднимается и замещается холодным. Физические процессы, вызывающие эти перемещения воздуха в тропосфере, являются ключевыми факторами, определяющими земные климат и погоду. Они также влияют на типы и распределение вредных химических веществ в тропосфере.

Второй слой атмосферы, располагающийся на высоте от 17 до 48 километров, называется стратосферой (рис. 1.2). Температура в этом слое сначала остаётся постоянной, а затем начинает повышаться с высотой. В стратосфере сконцентрирована основная часть атмосферного озона, и именно это обстоятельство обуславливает такое повышение температуры. Дело в том, что озон поглощает ультрафиолетовые лучи Солнца, что и вызывает разогрев стратосферы. Озоновый слой содержит небольшое количество газообразного озона (О₃), который отфильтровывает около 99% поступающей вредной ультрафиолетовой (УФ) радиации. Поглощая высокоэнергетическую УФ радиацию, стратосферный озон предохраняет также большую часть кислорода в тропосфере от превращения в озон. Ничтожное количество озона, которое формируется в тропосфере как компонент городского смога, губительно действует на растения, дыхательную систему людей и других животных, а также на материалы, такие, как резина. Таким образом, наше здоровье зависит от наличия необходимого количества «хорошего» озона в стратосфере и от отсутствия «плохого» озона в тропосфере.

Таблица 1.1

Средний газовый состав природной атмосферы (в сухом воздухе)

Основные газовые компоненты	В сухом воздухе			Во влажном воздухе
	% (по объему)	гм–3	% (по массе)	% (по объему)	гм–3	% (по массе)
Азот N2	78.09	895	75.54	75.65	867	74.08
Кислород О2	20,94	274	23,13	20,29	265	22,64
Вода Н2О	—	—	—	3,12	23	1,97
Аргон Аr	0,93	15,2	1,28	0,9	14,7	1,26
Итого: основные компоненты	99,96		99,95	99,96		99,95
Суммарное содержание прочих газовых составляющих — 0,04–0,05%, т. е. 400–500 ppm

Рис. 1.2. Атмосфера земли

На высоте более 50 км начинается мезосфера — зона, где температура опять понижается.

Практически все компоненты атмосферы содержатся в тропосфере, стратосфере и мезосфере в одинаковых соотношениях. Однако атмосферное давление с высотой уменьшается, т. е. воздух по мере роста высоты становится всё разреженнее.

Состав, температура и способность к самоочищению земной атмосферы меняется с момента формирования планеты. Миллионы лет в атмосферу поступали дым и другие загрязняющие вещества в результате извержений вулканов, природных пожаров и пыльных бурь. Но биосфера способна удалять, ассимилировать и рециклизировать эти естественные загрязнители. Они рассеиваются в атмосфере, затем оседают или выпадают с осадками на землю, а почвенные микроорганизмы преобразуют ядовитые газы в безвредные соединения. Таким образом, концентрация естественных загрязняющих веществ поддерживается гораздо ниже порогового уровня; редкие исключения, — например, ближайшие окрестности извергающихся вулканов.

Однако в течение последних двух столетий, и особенно за последние пятьдесят лет, атмосфера претерпела максимальные изменения, обусловленные деятельностью человека, прежде всего внесением в ее состав загрязняющих веществ.

В общем плане концепция загрязнения атмосферы включает значительное число действий и явлений, ведущих к ухудшению исходного, природного качества ее. В Российской Федерации под загрязнением атмосферы понимается изменение состава атмосферы в результате наличия в ней примесей (ГОСТ 17.2.1.04-77). В более узком смысле, загрязнение атмосферы понимается как выброс твердых, жидких и газообразных загрязняющих веществ. Так в ФРГ загрязнением атмосферы считается прямое или косвенное введение в нее любого вещества в таком количестве, которое воздействует на качество и состав наружного воздуха, нанося вред людям, живой и неживой природе, экосистемам, строительным материалам, природным ресурсам — всей окружающей среде. Загрязняющие вещества — это те, которые оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду, либо непосредственно, после химических изменений в атмосфере, либо в сочетании с другими веществами.

Загрязне­ние атмосферы — это не одна, а множество примесей к основным компонентам воз­духа. Более того, количество каждого конкретного загрязнителя силь­но варьирует в зависимости от расстояния до его источника, направления ветра и погодных условий. Таким образом, состав и концентрация смеси, воздействию ко­торой мы подвергаемся, меняются изо дня в день, каждый час и от места к месту. Это означает, что последствия практически никогда не вы­зываются единственным загрязнителем. Все они — результат комбинированного воздей­ствия целой смеси загрязнителей.

В табл. 1.2 дана классификация загрязнения атмосферы и возникающих при этом проблем, в зависимости от высоты, расстояния и времени. Как видно, динамическое загрязнение атмосферы происходит главным образом в нижних слоях ее, а долговременные изменения, вследствие загрязнений, воздействуют на всю земную атмосферу.