3. Экология атмосферы

3.1. Основные особенности атмосферы

Современная земная атмосфера - многокомпонентная оболочка Земли массой менее 10^-6 от массы Земли и радиусом порядка 10^-3 радиуса Земли. Непосредственное влияние на человека в основном оказывает тонкий слой приземной атмосферы, высота которого составляет несколько сот метров. Именно этот атмосферный слой подвергается наибольшим воздействиям в результате деятельности человека, определяя условия жизнедеятельности биоты, а также климатических изменений.

Эффективность контроля и прогноза климатоэкологических изменений достигается только при реализации достаточно полного мониторинга с учетом всех климатообразующих и экологических факторов, влияющих на земную атмосферу. Исследования состояния и изменений атмосферы являются ключевыми для решения не только текущих социально-экономических задач, но и проблем устойчивого развития цивилизации в целом.

Общие сведения о строении атмосферы. Первая группа компонент атмосферы - механическая смесь газов в атомарном, молекулярном или кластерном (комплекс из нескольких атомов или молекул) состояниях. Чаще всего именно главные компоненты атмосферы имеют в виду, когда употребляют термин "атмосферный воздух". Газы земной атмосферы находятся как в нейтральном, так и в ионизованном состоянии. Атмосфера является азотно-кислородной средой, так как объемное содержание нейтральных молекул азота N₂ (78%) и кислорода О₂ (21%) в нижних слоях атмосферы является подавляющим. Тем не менее функциональная роль многих других атмосферных газов (водяного пара, углекислого газа СО₂, озона О₃) остается столь значительной, что их также относят к числу основных газов. Другие атмосферные газы естественного и индустриального происхождения принято называть малыми газовыми примесями.

Второй важнейшей группой компонент атмосферы являются атмосферные аэрозоли - взвешенные в воздухе частицы твердого тела или капли жидкости природного и антропогенного происхождения. Аэрозоль с жидкими (туман, облако) и твердыми частицами (пыль, дым, смог) постоянно присутствует в атмосфере, но варьируется в широких пределах по размерам (от кластеров до дождевых капель) и по концентрации.

Третью важную группу компонент атмосферы составляют физические поля, определяющие многие свойства и структуру земной атмосферы. По влиянию на атмосферные процессы, а через них и на условия жизни и хозяйственную деятельность человека на планете можно выделить:

электромагнитное поле, включающее в свой состав оптическое излучение (ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное);

гравитационное поле, определяемое преимущественно полем тяготения Земли;

электростатическое поле (атмосферное электричество), характеристики которого в земной атмосфере варьируют в широком диапазоне и являются важными параметрами для многих атмосферных процессов и явлений;

магнитное поле Земли (геомагнетизм):

космические лучи как особый сверхкороткий диапазон электромагнитных волн - поток заряженных частиц высокой энергии (в основном протонов).

Все компоненты земной атмосферы имеют неоднородное распределение вдоль земной поверхности и по высоте. Изменяются также и основные физические параметры этих компонент, неоднородность которых по высоте выражена более четко, чем по горизонтали.

Из многих признаков, на основе которых атмосферу делят на слои (сферы), наиболее употребительным является изменение ее температуры по высоте. Общеприняты пять слоев атмосферы: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Определяющим слоем, в котором происходят основные процессы, влияющие на климатоэкологическую обстановку, является тропосфера, которая характеризуется падением температуры с высотой в среднем 6,5 ^оС на 1 км при возможных отклонениях до 3 ^оС на 1 км в ту или другую сторону. Именно в тропосфере образуются туманы и все наиболее важные виды облаков, формируются осадки, грозовая деятельность. В полярных и умеренных широтах высота тропосферы достигает 8...12 км, а в тропиках 16,...18 км.

Основные газовые составляющие. На долю азота, кислорода и аргона в сухом воздухе приходится 99,96 %. Состав сухого воздуха (без учета водяного пара) для некоторых газов с устойчивой концентрацией приведен в табл. 3.1. Под объемным содержанием газа понимается отношение молекулярной массы этого газа к молекулярной массе сухого воздуха, равной по углеродной шкале 28,9645 кг/моль. Полное содержание газа в вертикальном столбе представляет собой количество этого газа, собранного в виде слоя, при стандартных условиях (при температуре 0 ⁰С и при давлении 1 атм = 1013,2 ГПа).

К малым газовым составляющим атмосферы относятся указанные в табл. 3.1., начиная с углекислого газа и ниже, водяной пар, озон, многие газы индустриального происхождения, вызывающие загрязнение атмосферы и называемые антропогенными газовыми примесями и др.

Водяной пар - переменная газовая составляющая атмосферы, определяющая состояние влажного воздуха. Главными источниками и стоками водяного пара являются процессы его испарения с поверхности океанов, морей, водоемов, влажной почвы и растений, а также процессы конденсации при образовании туманов, облаков, осадков, росы, инея и т.д.

Таблица 3.1