Глава 4 экохимические процессы в атмосфере

Важное место в круговороте веществ в окружающей среде занимают атмосферные процессы. В первую очередь это касается круговорота кислорода, углерода, азота и серы. Огромны и масштабы антропоген­ного загрязнения атмосферы газовыми выбросами предприятий энер­гетики, промышленности, транспорта. Атмосфера — наиболее подвиж­ная часть биосферы, в силу чего воздействие на нее множества рассре­доточенных источников загрязнения зачастую приобретает глобаль­ный характер. Для понимания процессов распространения и трансфор­мации загрязняющих веществ в воздушной среде и выявления наибо­лее опасных видов антропогенных воздействий существенное значение имеют физико-химические свойства атмосферы.

§ 4.1. Физико-химические свойства атмосферы

Атмосфера — газовая оболочка земли — имеет массу около 5,15*10¹⁵ т. Верхняя ее граница, где происходит рассеивание газов в межпланет­ное пространство, находится на высоте примерно 1000 км над уровнем моря. В приземном слое толщиной 5,5 км сосредоточена половина, а в слое толщиной 40 км — более 99% массы всей атмосферы.

Проведем мысленный разрез атмосферы по вертикали и проследим за изменением таких параметров, как давление, температура, газовый состав.

С увеличением высоты давление стремительно падает и на высоте 50 км уменьшается до 1 мм рт.ст. Из-за сжимаемости атмосферы на малых высотах давление уменьшается гораздо быстрей, чем на боль­ших.

Температурная зависимость гораздо сложней, имеются максимумы и минимумы. По характеру изменения температуры с увеличением высоты можно выделить несколько слоев, разделенные узкими пере­ходными зонами — так называемыми паузами (рис. 5).

Нижний, примыкающий к земле слой — тропосфера — характеризу­ется средним вертикальным градиентом температуры 6 град/км. Высо­та верхней границы тропосферы меняется от 8 км в полярных широтах

99

д о 16—18 км над экватором. Следую­щий слой — стратосфера. Здесь темпе­ратура остается примерно постоянной до высоты 25 км, а затем постепенно возрастает до 265-270 К на нижней границе стратопаузы (около 55 км). Расположенная выше мезосфера харак­теризуется новым понижением темпера­туры от 190 до 130 К на высоте около 80 км. Выше находится термосфера, в которой кинетическая температура равномерно возрастает с высотой до 1000-1500 К.

Характер изменения температуры в различных слоях атмосферы зависит от особенностей химического состава воз­ духа в этих слоях. Атмосфера земли состоит преимущест- Рис. 5. Вертикальное распределение венно из азота и кислорода (99%) с не­ температуры в атмосфере большой примесью благородных газов, главным образом аргона (0,93%), и СОг (0,03%). Содержание остальных газов (неон, гелий, метан, криптон) исчисляется тысячными и десятитысячными долями объемных процентов.

В целом область ниже 90 км характеризуется интенсивным переме­шиванием и имеет довольно постоянный газовый состав. На этих высо­тах средняя молекулярная масса атмосферы, как и на уровне моря, составляет 28,96 а.е.м., а на высотах более 90 км она резко уменьшает­ся. Так, важнейшим компонентом атмосферы на высотах 500—1000 км становится гелий, относительное содержание которого в атмосфере на уровне моря чрезвычайно мало.

Одной из наиболее важных, переменных по концентрации составля­ющих атмосферы является водяной пар. Содержание паров воды быстро уменьшается с высотой вплоть до тропопаузы. В стратосфере паров воды мало (около 2* 10~⁶%). Значителен широтный градиент концентрации водяного пара у поверхности Земли: в тропических районах содержание паров воды достигает 3%, тогда как в арктичес­ких уменьшается до 2* 10"⁵%.

Парциальное давление паров воды значительно изменяется в раз­ных местах и в разное время, но в целом оно достигает максимального значения вблизи земной поверхности. и резко убывает по высоте. Вследствие того что пары воды сильно поглощают инфракрасное излучение, они играют важную роль в поддержании температуры 100

атмосферы в ночное время, когда земная поверхность излучает энер­гию в космическое' пространство и не получает солнечной энергии, например в пустынях, где концентрация паров воды чрезвычайно мала, днем жарко, а ночью холодно.

Уменьшение концентрации водяного пара, поглощающего тепловое излучение земной поверхности, с изменением высоты является одной из основных причин снижения температуры в тропосфере.

Решающее влияние на тепловой режим стратосферы оказывает содержание в ней озона. Нагревание воздуха стратосферы происходит вследствие поглощения озоном ультрафиолетовой радиации Солнца.

В мезосфере концентрации озона и паров воды ничтожны, поэтому температура в ней ниже, чем в тропосфере и стратосфере. Рост темпе­ратуры в термосфере связан с поглощением жесткого УФ-излучения Солнца молекулами и атомами кислорода и азота.

УФ-излучение, поглощаемое озоном в стратосфере, хотя и играет важное значение для поддержания жизни на земле, не вносит большо­го вклада в полную энергию, получаемую извне. Основная часть энер­гии проходит через верхние слои и частично поглощается в тропосфе­ре парами воды, углекислым газом и другими так называемыми парни­ковыми газами, а также аэрозолями и частицами пыли.

Радиация, поглощенная поверхностью земли, возвращается в атмо­сферу в виде длинноволнового инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 16,7—7,6 мк с широким максимумом в области 12 мкм, а также расходуется на испарение воды и создание конвективных турбу­лентных потоков воздуха. Конденсация паров воды сопровождается выделением теплоты, идущей на разогрев тропосферы.

Лишь небольшая часть тепловой энергии, излучаемой земной по­верхностью, проходит через атмосферу и рассеивается в космосе. Ос­новное количество ее поглощается молекулами воды и углекислого газа, что приводит к дополнительному нагреву воздуха.

Количество солнечной энергии, поступающей в атмосферу, зависит от угла падения солнечных лучей на земную поверхность, в результате чего атмосфера в различных районах Земного шара нагревается нерав­номерно. Особенно большие различия температуры, у поверхности наблюдаются между полярными и экваториальными областями. Эта неравномерность служит главной причиной общей циркуляции атмо­сферы, представляющей собой сложную крупномасштабную систему воздушных течений над Земным шаром. Вследствие такой циркуляции сглаживается градиент температуры атмосферного воздуха в различ­ных районах.

Кроме крупномасштабных воздушных течений в низших слоях „атмосферы возникают многочисленные местные циркуляции, связан- ^! 101

ные с особенностями нагревания атмосферы в отдельных районах. Вследствие образования различных воздушных течений в атмосфере происходит перемешивание больших масс воздуха и перемещение на значительные расстояния различных химических; соединений, выде­ляемых различными источниками на поверхности земли.

На распространение воздушных масс и содержащихся в них приме­сей большое влияние может оказывать развитие температурных инвер­сий, препятствующих вертикальному движению воздуха. Такие инвер­сии периодически возникают у земной поверхности по разным причи­нам. Часто инверсия возникает в результате натекания теплого воздуха на нижерасположенные холодные слои. Приземные инверсии с толщи­ной до нескольких сотен метров обычно наблюдаются в безветренные ночи при сильном охлаждении поверхности Земли и прилегающего слоя воздуха.