Пыле- и газообразные загрязнения в атмосфере
Структура атмосферы
Параметры, характеризующие атмосферу (температура,
давление, химический состав и др.), изменяются прежде всего
с Бысотой относительно уровня моря, а характеризующие ниж-
ние слои зависят и от географической широты. Вертикальная
структура атмосферы приведена на рис. 7.5, а~в. Давление Р,
так же как и плотность газов атмосферы, связаны с изменени-
ем сил гравитации по мере удаления от поверхности планеты,
I а температура зависит от того, как взаимодействует излучение
Солнца с разными газами в различных слоях атмосферы, а
именно — как эти газы поглощают излучения разных длин
волн. При этом все же большая часть излучения Солнца, имею-
щая длины волн вблизи максимума спектра, не поглощается ат-
мосферой и доходит до поверхности Земли, согревая ее.
Описанные тепловые процессы и график изменения темпе-
ратуры Т газов по высоте Н относятся только к дневной, осве-
щенной стороне Земли, а на ночной происходит охлаждение.
Тем не менее слоистая структура атмосферы сохраняется и
ночью, ибо полусуток недостаточно для размывания тропо-,
страто-, мезо-, термо- и экзосферы. Только полярной ночью ат-
мосфера сложена иначе.
Высота слоя тропосферы изменяется от 7—10 км над по-
люсами до 16—18км над экватором. Тропосфера содержит
почти половину всего водяного пара атмосферы, при конденса-
ции которого образуется облачность нижняя (до высоты 1—
2 км), средняя (на высоте 2—4 км) и верхняя (6—10 км). Со-
держание водяных паров может колебаться от 0 по объему в
сухом воздухе до почти 4% в максимально влажном.
|
|
|
При нормальном состоянии тропосферы ей присуще сниже-
ние температуры воздуха с градиентом 6,5 °С на 1 км высоты,
которое в значительной степени зависит от содержания паров во-
ды и С02. Иногда (при температурной инверсии) на отдельных
высотах температура либо перестает изменяться с высотой, либо
увеличивается, что нарушает нормальную циркуляцию воздуха.
Газовый состав
Первичный состав атмосферы Земли определили газо-
образные продукты химических реакций, происходивших
в первичном веществе под действием высоких давлений и тем-
ператур; при этом в земной атмосфере оказалось так много па-
Ров воды, что большая их часть сконденсировалась, образовав пространство. При одинаковой температуре наибольшие скорости теплового движения имеют молекулы водорода и гелия —
газов с наименьшей молярной массой. Выше 700 км над уров-
нем моря атмосфера Земли состоит практически только из этих
газов. Однако даже при очень высокой температуре (порядка 1200 К) лишь малая доля водорода и гелия обладает ско-
ростями, близкими ко второй космической скорости Земли
(у = 11,2 км/с), и, следовательно, может улететь в космос.
|
|
|
Убыль гелия и водорода с планеты постоянно восполняет-
ся. Гелий образуется в земной коре при распаде тяжелых ра-
диоактивных элементов, а водород — в верхних слоях атмос-
феры (на высотах 30—50 км) из воды под действием ультрафи-
олетовой части спектра излучения Солнца. Ежесекундно из
атмосферы в космос улетает примерно 1 кг водорода, для чего
разлагается 9 кг Н2О. Расчет показывает, что воды Мирового
океана хватит на 5 тыс. млрд лет, т, е. навсегда, так как воз-
раст Земли около 4,6 млрд лет.
Образовавшееся за время существования нашей планеты из
воды (по описанной схеме) количество кислорода оценивается
в 1015 т, что соответствует его количеству в современной атмос-
фере. Но для приведения химического состава Земли к совре-
менному состоянию потребовалось значительно большее количе-
ство кислорода, потраченного на окисление метана и аммиака
первичной атмосферы, а также на окисление всех пород земной
коры. Без участия растений это было бы невозможно. Кислорода
они производят порядка 3 • 106 кг/с или 1011 т/г. Однако послед-
ние миллионы лет его содержание больше не увеличивается —
весь кислород, создаваемый растениями, расходуется на дыха-
ние животных, окисление вулканических газов, горение и гние-
ние мертвых растений. В настоящее время значительное количе-
ство кислорода потребляется промышленностью и транспортом.
|
|
|
Озоновый слой
К числу наиболее важных характеристик атмосферы
Земли, имеющих существенное эколого-биологическое значе-
ние, относится наличие в ней озонового слоя, резко (примерно в
6500 раз) ослабляющего часть (с длиной волны X < 320 нм) ульт-
рафиолетового спектра (10 < X < 400 нм1) электромагнитного из-
лучения Солнца, крайне опасную для всего живого на Земле.
Различают ближнее ультрафиолетовое излучение (УФЦ)
с 200 < Я < 400 нм и дальнее1, или вакуумное, — с 10 < X <
< 200 нм. По биологическому эффекту в диапазоне ближнего
УФИ выделяют три области:
УФИ-А с 320 нм < X < 400 нм; УФИ-В с 290 нм < X < 320 нм-
УФИ-С с 200 нм < А, < 290 нм.
Область УФИ-А. Эта область примыкает к «фиолетовому концу» области видимого света, имеет незначительный отрицательный эффект, но положительно воздействует на все живое. Под его действием в кожном покрове вырабатывается витамин Д, играющий ключевую роль в кальциевом обмене организма человека. Недостаток этого витамина — причина детского рахита и старческой ломкости костей. Загар и пигментация кожи также связаны с излучением этого диапазона.
|
|
|
Область УФИ-В. При малых дозах облучения она также способствует загару, активизирует обмен веществ, улучшает общее состояние человека; однако при больших дозах (особенно при пиках А, = 297, 240—260 нм) вызывает тяжелые последствия — солнечные ожоги и ряд иных расстройств вплоть до фотоканцерогенеза — возникновения злокачественных ново-
образований в коже (меланомы и саркомы).
Область УФИ-С. Ультрафиолетовое излучение в этой области особенно вредно. Оно активно воздействует на нуклеиновые кислоты и белки, умерщвляет живые клетки, обладает
выраженным бактерицидным действием.
В спектре солнечного света, достигающего поверхности Земли, наряду с видимым светом и инфракрасным излучением присутствует только УФИ-А и сильно ослабленное УФИ-В. Излучение в диапазоне УФИ-В задерживается озоном, в диапазоне УФИ-С - кислородом, а в диапазоне дальнего УФИ иными газами. Происходит это следующим образом.
Одним из важнейших процессов, протекающих в верхних слоях атмосферы, является диссоциация О2 с образованием атомарного кислорода:
О2 + лу -> О + О
Такая реакция требует много энергии, ибо энергия связи кислород—кислород в молекуле составляет 498 кДж/моль. Получение необходимого количества энергии возможно либо за счет ультрафиолетового излучения, либо в дуге электрического разряда. Вследствие этой реакции в атмосфере, начиная с высоты 100 км, кислород находится как в молекулярной, так и в атомарной формах.
На высоте около 130 км содержание О2 и О одинаково, а на высотах более 200 км
присутствует практически только атомарный кислород.
Поступающая из космоса радиация проходит через верхние слои атмосферы, встречает присутствующие там газы, и наиболее коротковолновая часть излучения вызывает
их ионизацию, описываемую уравнениями:
М2 + йу (< 80 нм) -» М^ + е~
О + Н\ (< 91,2 нм) -» О+ + е~
О2 + лу (< 99,3 нм) ->• О^ + е~
N0 + Н\ (< 134,5 нм) -> N0* + е~
Таким образом, в процессе приближения к поверхности Земли до расстояния 90 км большая часть коротковолнового излучения оказывается поглощенной, однако излучение, способное вызвать диссоциацию молекулярного кислорода О2, остается еще достаточно интенсивным. На высотах 30—50 км взаимодействие атомарного кислорода с молекулярным приводит к образованию озона:
О2 + О + М1 -> О3 + М
На меньших высотах скорость образования озона О3 увеличивается пропорционально соотношению концентраций газов и уменьшается из-за поглощения света с X < 240 нм, что определяет наличие максимума содержания озона на высотах около 25 км.
В стратосфере озон наряду с прочими процессами поглощает солнечное излучение с X < ИЗО нм, а излучение с А, < 320 нм разлагает его наиболее интенсивно:
О3 + лу (< 320 нм) -» О2 + О
Иными атмосферными газами излучение этого диапазона поглощается менее интенсивно.
Общее количество озона в атмосфере оценивается всего в 3,3 • 109 т. Если бы удалось собрать весь озон атмосферы около поверхности Земли при нормальном давлении (760 мм рт. ст.) и температуре (+20 °С), то получился бы слой (сферическая оболочка) толщиной всего 2,5—3 мм. Такова распространенная теоретическая модель, вызывающая, к сожалению, неверное представление о строении «защитного экрана» биосферы.
Реально в атмосфере никакого «отдельного» слоя озона нет. Это лишь название достаточно широкой области, где концентрация озона максимальна.
Пик содержания озона приходится на высоты 20—30 км (иногда выделяют диапазон 15—50км) над уровнем моря. Считают, что нижняя граница озоносферы лежит над полюсами на высоте 7—8 км, а над экватором — на высоте 17—18 км. У поверхности Земли, где озон образуется преимущественно во время грозовых разрядов, его средняя концентрация почти в 10 раз ниже пиковой.
Пыле- и газообразные загрязнения в атмосфере
Атмосферный воздух нашей планеты также содержит разнообразные загрязнения как естественные (природные), так и искусственные (антропогенные).
К природным источникам относят вулканы, пыльные бури, космическую пыль. Атмосфера загрязняется продуктами выветривания горных пород, частицами почв, пеплом, солью
(в результате разбрызгивания и испарения морской воды), микроорганизмами. Важный источник естественного загрязнения — прижизненные выделения растений, животных
и микроорганизмов. Естественное загрязнение атмосферы бывает чаще всего периодическим и обычно не токсично.
Большое количество различных газов и паров поступает в атмосферу из действующих вулканов, гейзеров, геотермальных и других подземных источников. При извержении вулканов выделяются диоксид углерода, сероводород, сернистый газ, соединения фтора и хлора, а при спокойном состоянии - сероводород, метан, диоксид углерода. Общее количество выбрасываемых геотермальными источниками оксидов углерода и серы приравнивается к выбросам тепловых электростанций.
Источники антропогенного загрязнения атмосферы — различные предприятия промышленности, транспорта, энергетики, коммунального хозяйства и т. п. Загрязняющие атмосферу вещества попадают в воздух в результате сжигания топлива непосредственно из бензо- и газохранилищ, при авариях и т. д.
Атмосферные загрязнители делят на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращений последних. Так, поступающий в атмосферу оксид серы (IV) (802) окисляется до оксида серы (VI) (8О3), который активно взаимодействует с водой, образуя капельки серной кислоты (Н28О4). Аналогичным образом в результате химических, фотохимических и физико-химических реакций между первичными загрязнителями и компонентами атмосферы образуются вторичные загрязнители.
Ионизирующие излучения
Экологически значимая характеристика атмосферы - присутствие в ней ионизирующих излучений, мощность которых меняется в зависимости от географического положения и высоты над уровнем моря. Естественными источниками ионизирующих излучений являются космическое пространство, а также сосредоточенные в земной коре радиоактивные нуклиды урана, тория и актиния, выделяющие в процессе распада в атмосферу изотопы радона. Половину годовой индивидуальной эффективной дозыоблучения от земных источников радиации человек получает от невидимого, не имеющего вкуса и запаха тяжелого газа радона.
В природе радон встречается в двух основных изотопах: радон-222, член радиоактивного ряда, образуемого продуктами распада урана-238, и радон-220, член радиоактивного ряда тория-232. Радон в 7,5 раз тяжелее воздуха и является альфа-радиоактивным. Период полураспада радона-222 равен 3,8 сут. После а-распада ядро радона превращается в ядро полония. Заканчивается ряд стабильным изотопом свинца.
Основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытых, непроветриваемых помещениях. Родон может проникать сквозь трещины в фундаменте, через пол из земли и накапливаться в основном в нижних этажах жилых
зданий. Одним из источников радона могут быть конструкционные материалы, используемые в строительстве. К ним в первую очередь относятся такие материалы, как гранит, пемза, глинозем.
По мере подъема над поверхностью Земли (с удалением от источника) интенсивность облучения ионизирующими излучениями от земных источников постепенно уменьшается.
Другой естественный источник ионизирующего излучения — космос. Из него на Землю поступают космические лучи, представленные потоками высокоэнергетических протонов (примерно 90%), ядер атомов гелия (около 9%), нейтронов, элект-
ронов и ядер легких элементов (1%). Однако Земля имеет защиту от радиационного воздействия, иначе жизнь на ней была бы невозможна. Мощную защиту человека и всей биосферы от космических заряженных частиц радиации создает магнитное поле Земли. Тем не менее часть частиц с высокой энергией преодолевает магнитосферу и достигает верхних слоев атмосферы.
Большинство оставшихся частиц космического излучения сталкивается с атомами азота, кислорода, углерода атмосферы, взаимодействует с их ядрами и рождает вторичное космическое излучение из протонов, л-мезонов, ц-мезонов и нейтронов. В результате образуются радиоактивные изотопы ряда легких элементов - бериллия-7, углерода-14, трития (водорода-3) и др., а при взаимодействии космических лучей с аргоном - кремния-32, серы-35 и других радиоактивных элементов.
Поглощенная доза ионизирующего излучения —это отношение средней энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, к массе этого вещества. В системе СИ единица измерения — грей (Гр). 1 Гр = 1 Дж/кг.
Радиационный фон, создаваемый космическими лучами, составляет половину всего облучения, получаемого человеком от естественных источников радиации. Защититься от такого невидимого «космического душа» невозможно, причем различные участки поверхности планеты подвергаются его воздействию по-разному. Северный и Южный полюсы получают больше космической радиации, чем экваториальные области
(так как защитное влияние магнитного поля здесь ослаблено). По мере подъема интенсивность облучения вследствие воздействия космического излучения усиливается.
Антропогенными источниками ионизирующих излучений и ряда долго- и короткоживущих изотопов являются ядерные взрывы, атомная энергетика, включая объекты по переработке и захоронению ее отходов, установки рентгеноскопии в промышленности и медицине, теплоэнергетические устройства, работающие на угле, и др.
Ветры
Неравномерный нагрев поверхности Земли из-за времени года, облачности, способности водных объектов аккумулировать теплоту и прочие причины ведут к возникновению
в тропосфере разнообразных потоков горизонтальной циркуляции воздушных масс (ветры, ураганы, циклоны, муссоны, пассаты и др.).
Главная причина переноса воздушных масс — подъем теплого легкого воздуха (конвекция) и замещение его снизу холодным. Сильнее всего за день прогреваются тропические области, где солнечные лучи падают на Землю почти отвесно. Воздух вблизи экватора устремляется вверх, приподнимая верхнюю границу тропосферы в тропиках до высоты около
17 км, что вдвое выше, чем у полюсов. Далее на больших высотах воздух растекается от экватора на север и юг.
Вертикальные конвекционные потоки переходят в горизонтальные. Теплый воздух в верхней части тропосферы частично охлаждается, отдавая теплоту в космическое пространство. В средних широтах он опускается, компенсируя убыль от конвекционного подъема, и устремляется обратно к экватору. Такова схема работы «тепловой машины» Земли.
Расчеты на основании приведенной схемы показывают, что время, за которое воздушная масса атмосферы перемещается на расстояние земного радиуса, составляет около недели. Неделя — характерное время изменения погоды. Она является
границей между краткосрочной переменой погоды и долго-
срочной, связанной с изменениями условий нагревания Зем-
ли. По тем же расчетам средняя скорость воздуха у поверхно-
сти Земли составляет около 10 м/с или 36 км/ч.
На высотах около 10км, где плотность воздуха в 10 раз
меньше, чем у поверхности, ветры дуют со скоростью около
100 м/с или даже нескольких сотен километров в час (от эква-
тора воздушные потоки оттекают со скоростью около 200 м/с)-
Однако направлены они не на север и не на юг от экватора.
Из-за вращения Земли верхние ветры и в Северном,
и в Южном полушариях отклоняются и становятся западны-
ми, а нижние ветры, направляющиеся к экватору, приобрета-
ют восточное направление. Такой восточный ветер, преобла-
дающий на океанских просторах тропических широт, называ-
ют пассатом. Следовательно, схема на рис. 7.9 справедлива, но
только как проекция направлений ветров на плоскость, прохо-
дящую через центр Земли и перпендикулярную плоскости эк-
ватора.
Конвективный подъем масс воздуха приводит к их попа-
данию в верхние разреженные слои атмосферы, а расширение
сопровождается охлаждением. При температурах ниже точ-
ки росы происходит конденсация паров воды, образуются об-
лака. Над тропиками на высоте 17 км воздух охлаждается до
-75 °С (самое холодное место тропосферы) и становится очень
сухим, так как почти вся его влага остается в облаках на высотах
1—5 км. Путь от экватора до средних широт, где воздух опус-
кается к поверхности Земли, преодолевается очень быстро -
приблизительно за сутки, поэтому поток теряет мало энергии.
В результате опустившийся воздух увеличивает свою плотность,
нагревается за счет этого и снова имеет температуру около
+30 °С, почти такую же, как была у экватора, но при меньшей
внутренней энергии из-за значительно меньшей влажности.
Опускание очень сухого и теплого воздуха происходит на
широтах 25—30° в обоих полушариях. Именно там находятся
крупнейшие пустыни Земли: Сахара в Африке, Аравийская и
Тар в Азии, а также южные пустыни Калахари в Африке и не-
сколько пустынь в Австралии. На Американском континенте
пустынь меньше (из-за горной цепи Анды—Кордильеры), до
расположены они на тех же широтах.
Воздух опускается сверху и растекается по поверхности
с малой скоростью. Соответствующие широты — это область
штилей. Они были названы моряками «конскими широтами»,
ибо во времена парусного флота суда, случалось, месяцами не
могли выбраться из них. Жара и жажда были причиной гибе-
ли прежде всего перевозимых морем лошадей.
Почти такое же объяснение пассатов было дано в 1735г.
английским ученым Дж. Хэдли с той лишь разницей, что он
рассматривал атмосферную циркуляцию от экватора до полю-
сов. В честь него тропический круговорот воздуха называют
ячейкой Хедли.
Позже, в 1856 г. У. Феррел модифицировал схему Дж. Хэд-
ли, дав объяснение средним направлениям потоков воздуха
в полосе широт от 30—40 до 60—70°. Это, в частности, объяс--
нило природу возникновения ураганных западных ветров
у поверхности океана в Южном полушарии, известных как
«ревущие сороковые». В честь У. Феррела названа ячейка ат-
мосферной циркуляции в средних широтах с обратным на-
правлением потоков
Наконец, ближе к полюсам циркуляция воздуха проис-
ходит снова в прямом направлении. Подробнее объяснение
причин возникновения указанных ячеек и общей схемы цир-
куляции воздуха в атмосфере приведено в специальной лите-
ратуре.
Рассмотренная схема описывает только очень усреднен-
ную картину земных ветров. Фактическая картина сильно от-
личается от нее. Одни отклонения связаны с рельефом суши
и разным альбедо1суши, моря и их отдельных участков, дру-
гие — с погодой. Кроме того, пока невозможно отделить явле-
ния климата от погодных явлений. Переменчивость и неспо-
койствие — неотъемлемое свойство земной атмосферы. Несмот-
ря на многие исследования, выполненные после Дж. Хэдли,
исчерпывающего объяснения общей циркуляции атмосферы
не найдено до сих пор.
Облака
Воздействие облачности на биосферу многообразно. Она влияет на альбедо Земли, переносит воду с поверхности морей и океанов на сушу в виде дождя, снега, града, а также ночью закрывает Землю, как одеялом, уменьшая ее радиационное охлаждение.
Облако, по выражению В. Даля, — это «туман на высоте». Туман является разновидностью аэрозоля — дисперсной системы, состоящей из капель жидкости или твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в газовой среде (обычно в воздухе). К аэрозолям относятся также дым, пыль. В атмосфере туман представляет собой скопление свободно витающих в воздухе, водяных капель или ледяных кристаллов, резко снижающих прозрачность среды.
Облака бывают трех основных видов: слоистые, кучевые, перистые.
Слоистые облака (от лат. — настил, слой). Они образуются при охлаждении малоподвижных воздушных масс, что происходит либо ночью, когда с верхней границы облака тепловое излучение уходит в космос, либо при движении теплой влажной массы воздуха над холодной поверхностью Земли или холодной воздушной массой.
Кучевые облака (от лат.- груда, скопление). Они являются результатом конвекции (подъема) богатого влагой воздуха. Адиабатическое охлаждение приводит к тому, что на определенной высоте влажность воздуха достигает насыщенного состояния и начинается конденсация влаги. Это и есть нижняя граница кучевого облака, которая остается практически неподвижной, хотя воздух постоянно проходит через нее. Над верхней границей облака (состоящей обычно не из капель, а из кристалликов льда) воздух, охлажденный и лишившийся влаги, растекается в стороны и опускается вниз вокруг кучевого облака. С самолета можно видеть, что большое кучевое облако имеет правильно расположенные конвекционные ячейки, ровными рядами или отдельными холмами возвышающимися в шахматном порядке.
При мощной конвекции рождается туча — грозовое кучевое облако. Его обычная высота 7—10, а у экватора 12—15 км. В туче существуют восходящие и нисходящие потоки воздуха. Вниз он увлекается падающими каплями дождя или льдинками.
Перистые облака (от лат. Ниггоз — локон, завиток). Они состоят из мелких кристаллов льда и образуются на больших высотах в быстрых турбулентных струях ветра. Слоистые и кучевые облака вместе составляют гамму смешанных видов облаков.
Облака присущи и другим планетам с мощными атмосферами. Ими полностью скрыты поверхности Венеры и Титана, а поверхностью Юпитера и Сатурна считают верхние края облаков, ибо другой поверхности (ни жидкой, ни твердой) там нет. Химический состав облаков соответствует химическому составу атмосфер других планет: так, считают, что некоторые облака Венеры — это капельки кислоты.
Облака на Земле — существенная характеристика погоды. Преимущественно мощная облачность располагается над теми местами, где давление у поверхности низкое. Туда стремятся, закручиваясь из-за вращения Земли, поверхностные ветры. В центре такого циклона (от греч. гуЫопе — вращающийся, кольцо змеи) воздух поднимается вверх и, охлаждаясь, образует облака. В верхних слоях атмосферы циклона, посфере воздух из-за избыточного давления расходится от центра циклона.
Антициклон— область повышенного атмосферного давления у поверхности. В антициклоне сухой воздух опускается из верхней тропосферы, поэтому над местами, где он образовался, безоблачное, ясное небо.
Циклоны и антициклоны имеют диаметры около 200— 3000 км и в среднем существуют около недели. При этом есть на Земле и постоянный циклон, и летом, и зимой стоящий около Исландии. Он существует благодаря встрече теплых вод Гольфстрима с холодным полярным воздухом.
Погода нашей страны зимой во многом определяется Сибирским антициклоном, главную роль в формировании которого играют Гималаи, не пропускающие на север влажный
воздух Индийского океана.
Число циклонов и антициклонов по всей Земле в каждый момент времени примерно одинаково. Облачность закрывает около половины поверхности планеты.
Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 374; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!