Состав атмосферы

Состав атмосферы Земли.

Атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).

Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H₂O) и углекислого газа (CO₂).

Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся SО₂, СН₄, NН₃, СО, углеводороды, НСl, НF, пары Нg, I₂, а также NO и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль)

Строение атмосферы и характеристика отдельных оболочек

В атмосфере различают следующие основные слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу (сферу рассеяния). Переходные области атмосферы между соседними оболочками называют соответственно тропопауза, стратопауза и т. п.

Тропосфера — нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8—10 км, в умеренных широтах до 10—12 км, на экваторе — 16—18 км. В тропосфере сосредоточено примерно 80—90% всей массы атмосферы и почти все водяные пары... Происходят все погодные явления.

Стратосфера — слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км, на долю стратосферы — около 20% атмосферы. Именно в стратосфере располагается слой озоносферы («озоновый слой») (на высоте от 15—20 до 55—60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. поглощая губительные для жизни УФ-излучения Солнца. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц, и др. свечений. В стратосфере почти нет водяного пара.

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80—90 км. Температура воздуха до высоты 75—85 км понижается до −88°С. Верхней границей мезосферы является мезопауза. масса мезосферы — не более 0,3%

Термосфера (другое название — ионосфера) — слой атмосферы, следующий за мезосферой, — начинается на высоте 80—90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в ионосфере быстро и неуклонно возрастает и достигает нескольких сотен и даже тысяч градусов. Защищает Землю от вредных космических лучей, термосферы — менее 0,05% от общей массы атмосферы

Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 800 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство.

На высоте около 2000—3000 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближне космический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные час­тицы кометного и метеорного происхождения. Кроме этих чрезвычайно разреженных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

Основные функции атмосферы

• источник кислорода для дыхания

• источник углекислого газа для процессов фотосинтеза

• защита от действия ультрофиолетовой радиации, космической радиации

• среда обитания живых организмов

• определяет движение воздушных аотоков, погодные явления

Источники и виды загрязнения атмосферы

Виды загрязнения атмосферы

1. газообразные

2. аэрозоли и пыль

Существует два основных источника загрязнения атмосферы: естественный и антропогенный (производственное и бытовое).

• Естественное загрязнение - это вулканы, лесные пожары, пыльные бури, выветривание, процессы разложения растений и животных.

• Производственное загрязнение образуется в результате деятельности промышленных, сельскохозяйственных, строительных предприятий и различных видов транспорта. В глобальном масштабе наиболее крупные загрязнители это теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, химия и нефтехимия, промышленность строительных материалов.

По мнению специалистов, в результате деятельности человека в атмосферу Земли ежегодно поступает 25,5 миллиардов тонн оксидов углерода, 190 миллионов тонн оксидов серы, 65 миллионов тонн оксидов азота, 1,4 миллиона тонн хлорфторуглеродов. Половина всех выбросов в атмосферу приходится на предприятия таких отраслей промышленности, как энергетика 24,8% и металлургия 26,2%. В последние годы наибольшее количество вредных веществ в атмосферу выбрасывается с выхлопными газами автомобилей, причём их доля постоянно возрастает. В России она составляет более 30%, а в США - более 60% от общего выброса загрязняющих веществ в атмосферу.

• Бытовые процессы это накопление, сжигание и переработка бытовых отходов. Канализационные системы, кухни, мусоропроводы, свалки это источники загрязнения атмосферы городов.

Специфические загрязнители – это шумы, инфразвук, вибрации, электромагнитные поля, ионизирующее излучение.

Атмосферные загрязнители разделяют на

• первичные, поступающие непосредственно в атмосферу

• вторичные, являющиеся результатом превращения последних.

Газообразные загрязнители

а) Оксид углерода. СО (угарный газ) страшный яд, концераген, приводит к развитию кислородной недостаточности, получается при неполном сгорании углеродистых веществ. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 1250 млн.т., способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта. В воздух он попадает в результате

• вулканическая деятельность

• сжигания твердых отходов и топлива,

• с выхлопными газами СО до 11%

• выбросами промышленных предприятий.

б) СО2 углекислый газ до 2 % опт. для атмосферы, уход в геологию, свыше 2% подавление растений, нарушение жизнедеятельности человека

• сжигания твердых отходов и топлива

• вулканическая деятельность

• с выхлопными газами

• процессы дыхание

в) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 170 млн.т. в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65 % от общемирового выброса. Вызывает бронхиты, астмы и др.респираторные заболевания

г) Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению

• искусственного волокна,

• сахара,

• коксохимические,

• нефтеперерабатывающие,

• нефтепромыслы.

д) Оксиды азота NO NO2 . Количество оксилов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн.т. в год.Приводит к нарушению функций легких и бронхов.

Основными источниками выброса являются предприятия, производящие

• азотные удобрения (туков),

• азотную кислоту и нитраты,

• анилиновые красители, нитросоединения,

• синтетических волокон -- вискозный шелк, целлулоид.

е) Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.

ж) Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих

• соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией.

. Аэрозольное загрязнение атмосферы.

Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма (аэрозоль с твердыми частицами), тумана(с жидкими), мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм.

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест.

Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 11 км. от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы - искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС.

Свинец – появляется в отработанных газах в случае применения антидетанационной присадки к бензинам. Поражает нервную систему и кроветворные органы. Свинец накапливается в лесной подстилке, низкая миграционная активность.

Сажа – твердый фильтрат отработанных газов, состоящий из углеродов. Сажа является адсорбентом канцерогенных веществ.

Пыль это разновидность аэрозоли

В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб.км. пылевидных частиц искусственного происхождения.

Большое разнообразие свойственно органической пыли, которая образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях.

Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250-300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс.куб.м. условного оксида углерода и более 150 т. пыли.

Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств - измельчение и химическая обработка полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу.

Автотранспорт –основной частью пали является кварц, запыление в результате покрытие автомагистралей, типы шин, интенсивность движения, уборка улиц, грузоподъемность автомобилей.

Проблема «парникового эффекта»

Атмосфера и Земля поглощают примерно 67% солнечного излучения. Около 33%излучения отражается обратно. Лучше всего отражают облака, атмосферная пыль, молекулы атмосферных газов, снег и земля, лишенная растительности. Поток солнечного излучения содержит лучи инфракрасной части спектра (ИК), видимые лучи и ультрафиолетовые (УФ), максимум приходится на видимые лучи.

Еще в 1827 году французский физик Жозеф Фурье предположил, что атмосфера земли выполняет функцию своего рода стекла в теплице: воздух пропускает солнечное тепло, не давая ему при этом испариться обратно в космос. В этом и состоит сущность парникового эффекта. Этот эффект достигается благодаря наличию в атмосфере некоторых атмосферным газам. Они пропускают видимый и инфракрасный свет, излучаемый солнцем, но поглощают инфракрасное излучение, образующееся при нагревании земной поверхности солнечными лучами. Их называют парниковыми газами

Видимый свет от солнца достигает поверхности земли и нагревает ее. Земля отдает поглощенную энергию в атмосферу в виде инфракрасного излучения. Часть инфракрасного излучения поглощается СО2 и таким образом улавливается атмосферой. Еще часть отражается или переизлучается обратно к земле.

Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли, являются водяной пар (главный парниковый газ), углекислый газ(60%), метан(20%), озон, галоуглероды или фреоны и оксид азота. В атмосферу попадают как результат человеческой деятельности. Некоторые из этих газов куда более опасны с точки зрения глобального потепления, чем углекислый газ.

Количество СО2 в атмосфере неуклонно растет вот уже более века из-за того, что в качестве источника энергии стали широко применяться различные виды ископаемого топлива (уголь и нефть), Источниками углекислого газа в атмосфере Земли являются вулканические выбросы, жизнедеятельность организмов, деятельность человека. Антропогенными источниками является сжигание ископаемого топлива, сжигание биомассы (в т. ч. сведение лесов), некоторые промышленные процессы (например производство цемента).

Основными антропогенными источниками метана являются пищеварительная ферментация у скота (скотоводство), рисоводство, горение биомассы, предположительно в результате увеличения пахотных земель и пастбищ и выжигания лесов, использования древесины для отопления, увеличения поголовья домашнего скота, количества нечистот, свалки. Некоторый вклад в поступление метана дают утечки при разработке месторождений каменного угля и природного газа, а также эмиссия метана в составе биогаза, образующегося на полигонах захоронения отходов. В середине 21 века ожидается удвоение концентрации метана в атмосфере.

• Средняя глобальная температура у поверхности Земли составляет 15°С. Именно такая температура необходима для поддержания теплового равновесия у поверхности земли. Увеличение концентрации парниковых газов приведет к разогреву нижних слоев атмосферы и поверхности земли. К 2100должно произойти повышение температуры на 1,5—5,8 °С.

последствия глобального потепления

• Уровень мирового океана может повысится на 84-117 см к 2050г и 156-345 см к 2100г из-за таяния полярных льдов и расширения воды. При повышении уровня океана на несколько метров будут затоплены такие города как Нью-Йорк, Лондон, Санкт-Петербург, Амстердам, Шанхай, Токио и густонаселенный\е прибрежные территории, где проживает около 30-50% населения.

• Сдвинуться природные зоны и зоны земледелия. С тостом температуры увеличится количество осадков. Ливни затопят тропики. Засушливые зоны сдвинуться на север. Площадь пустынь увеличится. Урожаи сократятся. Серьезные изменения климата произойдут в рв Скандинавии. Сибири и Канаде.

• При глобальном потеплении на 2 °С сплошной многолетней мерзлоты не будет . а зона лесотундры достигнет побережья Ледовитого окена. Для сельского хозяйства Европейской части может быть благоприятно, так как позволит возделывать теплолюбивые культуры на более обширных территориях.

Тем не менее, ведутся ожесточенные споры вокруг того, какое конкретно количество этих газов вызовет потепление климата и в какой степени, а также как скоро это произойдет. В конце восьмидесятых - начале девяностых годов XX века несколько лет подряд среднегодовая глобальная температура была выше обычной. Это вызвало опасения в том, что вызванное человеческой деятельностью глобальное потепление уже началось. Среди ученых существует консенсус, что за последние сто лет среднегодовая глобальная температура поднялась на 0,3 - 0,6 градусов Цельсия. Однако среди них нет согласия в том, что именно вызвало это явление. Трудно с уверенностью сказать, происходит глобальное потепление или нет, так как наблюдаемый рост температуры все еще находится в пределах естественных температурных колебаний.

• Группа ученых под руководством Будыко выяснила что скорость образования карбонатных отложений пропорциональна количеству СО2 в атмосфере. Т.е. углекислый газ уйдет в геологию.

• Повышение температуры приведет к усилению испарения, увеличению облачности и уменьшению поступления солнечной радиации на поверхность земли, и как следствие понижение температуры приземного слоя воздуха т.е. похоладание.

• Американский физик Шнейдер , автор фундаментальной работы по климатологии отмечает ,что увеличение поступления углекислого газа в атмосфере вызовет возрастание скорости потребления его растениями и океаном, и последствия парникового эффекта могут быть смещены.

В декабре 1997 года на встрече в Киото (Япония), посвященной глобальному изменению климата, делегатами из более чем ста шестидесяти стран была принята конвенция, обязывающая развитые страны сократить выбросы СО2. Киотский протокол обязывает тридцать восемь индустриально развитых стран сократить к 2008-2012 годам выбросы СО2 на 5% от уровня 1990 года:

• Европейский союз должен сократить выбросы СО2 и других тепличных газов на 8%.

• США - на 7%.

• Япония - на 6%.

Протокол предусматривает систему квот на выбросы тепличных газов. Суть его заключается в том, что каждая из стран (пока это относится только к тридцати восьми странам, которые взяли на себя обязательства сократить выбросы), получает разрешение на выброс определенного количества парниковых газов. При этом предполагается, что какие-то страны или компании превысят квоту выбросов. В таких случаях эти страны или компании смогут купить право на дополнительныe выбросы у тех стран или компаний, выбросы которых меньше выделенной квоты. Таким образом предполагается, что главная цель - сокращение выбросов тепличных газов в следующие 15 лет на 5% - будет выполнена.

Тем не менее, переговоры по вопросу сокращения выбросов парниковых газов идут очень сложно. Прежде всего, конфликт существует на уровне официальных лиц и бизнеса с одной стороны и неправительственного сектора - с другой. Неправительственные экологические организации считают, что достигнутое соглашение не решает проблемы, так как пятипроцентное сокращение выбросов тепличных газов недостаточно для того, чтобы остановить потепление, и призывают сократить выбросы как минимум на 60%.

Кроме того, конфликт существует и на уровне государств. Такие развивающиеся страны, как Индия и Китай, вносящие значительный вклад в загрязнение атмосферы тепличными газами, присутствовали на встрече в Киото, но не подписали соглашение. Развивающиеся страны вообще с настороженностью воспринимают экологические инициативы индустриальных государств. Аргументы просты:

• основное загрязнение тепличными газами осуществляют развитые страны

• ужесточение контроля на руку индустриальным странам, так как это будет сдерживать экономическое развитие развивающихся стран.

В 2001 году СЩА отказались ратифицировать протокол и были осуждены многими странами.

В любом случае проблема глобального потепления климата - яркий пример того, какие механизмы, подчас, включены в решение экологической проблемы. Такие компоненты, как научная неопределенность, экономика и политика нередко играют в этом процессе ключевую роль.

Мероприятия

• отказ от ископаемых видов топлива, таких как нефть и уголь

• развитие атомной энергетики

• развитие альтернативных видов энергетики (ветровая, солнечная, геотермальная)

• всемирная экономия энергии.

Проблема разрушения и сохранения озонового слоя

Важнейшей составной частью атмосферы, защищающей все живое на Земле от вредного действия ультрафиолетового излучения, является озоновый слой. Он образовался 570—400 мил.лет назад. Озоновый слой - это воздушный слой в верхних слоях атмосферы (стратосфере) состоящий из особой формы кислорода - озона. Молекула озона состоит из трех атомов кислорода (О₃). Озоновый слой начинается на высотах около 8 км над полюсами (или 17 км над Экватором) и простирается вверх до высот приблизительно равных 50-ти км. Однако плотность озона очень низкая, и если сжать его до плотности, которую имеет воздух у поверхности земли, то толщина озонового слоя не превысит 3,5 мм.. Озон образуется, когда солнечное ультрафиолетовое излучение бомбардирует молекулы кислорода (О₂ —> О₃).

Почему так важно поглощение озоном жесткого ультрафиолетового излучении ?

УФ излучение с длинной волны менее200нм хорошо поглощается кислородом, от 200 до 320 нм отражается озоном, а более320 нм проникает на землю. Спектр от200-400 нм называют биологически активным ультрофиолетом. В случае истощения озонового слоя человечеству грозит резкий рост заболеваний раком кожи и слепота, ожоги кожи, возникновение мутаций, и др. изменения на молекулярном, клеточном, тканевом уровнях.

В 1985 году британские ученые обнародовали данные, согласно которым в предшествующие восемь лет были обнаружены увеличивающиеся каждую весну озоновые дыры над Северным и Южным полюсами.

Ученые предложили три теории, объяснявшие причины этого феномена:

1. разрушение озонового слоя окисями азота - соединениями, образующимися естественным образом на солнечном свету;

2. воздушные потоки из нижних слоев атмосферы при движении вверх расталкивают озон

3. соединения хлора в атмосфере разрушают озон.

Попытаемся разобраться в механизме образования и разрушения озонового слоя.

Образование озона начинается с реакции диссоциации молекулярного кислорода под действием УФ

О2 +квант света hv→О·+ О·

Образовавшиеся радикалы либо образуют молекулы кислорода или озона

О+О → О2 или О+О2 → О3

Образовавшийся озон либо разрушается под влиянием внешних условий либо будучи химически активным образует молекулы кислорода

О3 + hv→ О2 + О или О + О3 → О2 + О2

Циклы разрушения

Азотный О+NO2 → O2+NO (1)

NO + O3 → NO2+ O2 (2)

O + O3 → O2 + O3

Водородный O+HO2 → OH + O2 (1)

OH + O3 → HO2 + O2 (2)

O=O3 → O2+O2

Хлорный CI + O3 → CIO + O2 (1)

O + CIO → CI + O2 (2)

O+O3 → O2+ O2

Обратите внимание, что в первых двух реакциях 1и2 озон реагирует с веществом, которое в ходе химических реакций никуда не исчезает. В первой реакции оно вступает в процесс, во второй образуется в первоначальном виде . Эти вещества называются катализаторами, они ускоряют реакции при этом сами не расходуются.

Источники этих веществ:

• гражданская авиация и химические производства

• применение азотных удобрений

• хлорирование питьевой воды

• Ученые пришли к заключению, что соединения хлора, называемые хлорфторуглеродами (ХФУ) или фреоны, которые широко использовались в промышленности и в быту, несут ответственность за разрушение озонового слоя земли. Некоторые виды хлорфторуглеродов использовались в качестве охладителей в холодильных установках и кондиционерах.

• Другие ХФУ применялись для производства поролонов и пенопластов - материалов, широко используемых во многих потребительских товарах, начиная от одноразовой пенопластовой посуды и заканчивая изоляционными материалами.

• Хлорфторуглероды нашли широкое применение в баллонах для распыления аэрозолей и в качестве веществ для промывания электрооборудования.

В середине сентября 1987 года представители двадцати четырех стран встретились в Монреале и подписали соглашение, по которому обязались сократить вдвое использование озоноразрушаюших ХФУ к 1999-му году. Однако в связи с ухудшающейся ситуацией в 1990-м году в Лондоне были приняты поправки к Монреальскому протоколу. Согласно Лондонским поправкам в список регулируемых ХФУ вошли еще десять веществ и было принято решение прекратить использование ХФУ, галогенов и четырехлористого углерода к 2000-х тысячному, а метилхлороформа - к 2005-му году. В 1994 году Генеральная Ассамблея провозгласила 16 сентября Международным днем охраны озонового слоя. День установлен в память о подписании Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой.

Генеральный секретарь ООН Кофи Аннан в своём послании в 2006 году отметил огромный прогресс в усилиях по сохранению озонового слоя, сказал об оптимистических прогнозах, предсказывающих восстановление озонового слоя.