Экология атмосферы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Экология атмосферы

1. Строение атмосферы

Наша планета окружена обширной атмосферой. В соответствии с температурой составом и физическими свойствами атмосферы можно разделить на разные слои. Тропосфера - это область, лежащая между поверхностью Земли и высотой в 11 км. Это довольно толстый и густой слой, содержащий большую часть водяных паров, находящихся в воздухе. В ней имеют место почти все атмосферные явления, которые непосредственно интересуют жителей Земли. В тропосфере находятся облака, атмосферные осадки и т.д. Слой отделяющий тропосферу от следующего атмосферного слоя - стратосферы, называется тропопауза. Это область весьма низких температур.

Состав стратосферы такой же, как и тропосферы, но в ней возникает и концентрируется озон. Ионосфера, то есть ионизированный слой воздуха, образуется как в тропосфере, так и в более низких слоях. Она отражает высоко частотные радиоволны (например, короткие волны).

Основными газами, входящими в состав нижних слоев атмосферы являются азот (примерно 78,08%), кислород (около 20,9%) и аргон (около 0,93%). Других газов в атмосфере Земли очень мало, например углекислого газа около 0,03%. Атмосферное давление на уровне поверхности океана составляет при нормальных условиях приблизительно 0,1 МПа. Полагают, что земная атмосфера сильно изменилась в процессе эволюции: обогатилась кислородом и приобрела современный состав в результате длительного взаимодействия с горными породами и при участии биосферы, т.е. растительных и животных организмов. Доказательством того, что такие изменения действительно произошли, служат, например, залежи каменного угля и мощные пласты отложений карбонатов в осадочных породах, они содержат громадное количество углерода, который раньше входил в состав земной атмосферы в виде углекислого газа и окиси углерода. Ученые считают, что древняя атмосфера произошла из газообразных продуктов вулканических извержений; о ее составе судят по химическому анализу образцов газа, «замурованных» в полостях древних горных пород. В исследованных образцах, возраст которых приблизительно 3,5 млрд. лет содержится приблизительно 60% углекислого газа, а остальные 40% - соединения серы, аммиак, хлористый и фтористый водород. В небольшом количестве найдены азот и инертные газы. Весь кислород был химически связанным. Одной из важнейших задач современной науки о Земле является изучение эволюции атмосферы, поверхности и наружных слоев Земли, а так же внутреннее строение ее недр.

Основным признаком, определяющим подразделение атмосферы на отдельные слои, является изменение ее температуры с высотой. Характер этого изменения во многом зависит от состава атмосферы.

Нижний слой атмосферы Земли (тропосфера) имеет следующий химический состав (по объему, в процентах): азот - 78.09, кислород - 20.95, аргон - 0.93, углекислый газ - 0.03. На долю остальных газов приходятся уже тысячные и десятитысячные доли процента. Такой состав атмосфера имеет почти до высоты 90 км.

Кроме постоянных компонентов, перечисленных выше, атмосфера содержит переменные компоненты: озон и водяной пар. Эти компоненты оказывают большое влияние на тепловой режим Земли и ее атмосферы.

Рассмотрим схему строения земной атмосферы. Известно, что в ее нижнем слое, именуемом тропосферой (от греческого тропэ - поворот), температура быстро падает с высотой: на 6-7 градусов на километр высоты (зимой несколько меньше). Это происходит потому, что нижние, (приземные) слои атмосферы получают тепло от земной поверхности, излучающей его в диапазоне инфракрасных лучей и передающей тепло также за счет конвекции и теплопроводности. В тропосфере образуются облака, осадки, дуют ветры, образуются самые различные метеорологические явления.

В зависимости от строения атомов и молекул различных газов они способны поглощать в той или иной степени излучение в различных диапазонах длин волн. Так, молекула водяного пара (Н20) интенсивно поглощает инфракрасные лучи во всем диапазоне, за исключением «окна» на длинах волн 8-13 мкм. Напротив, озон, трехатомный кислород, поглощает ультрафиолетовые лучи короче 0,36 мкм. На уровне от 11 до 17 км падение температуры с высотой прекращается и начинается стратосфера - сравнительно спокойная область атмосферы с почти постоянной температурой до высоты 34-36 км и ростом температуры до уровня 50 км. Этот рост происходит за счет поглощения солнечных ультрафиолетовых лучей слоем озона, о котором подробнее будет сказано ниже. Пограничная область между тропосферой и стратосферой называется тропопаузой.

Строение атмосферы

Тропосфера

Её верхняя граница находится на высоте 8-10 км в полярных, 10-12 км в умеренных и 16-18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80% всей массы атмосферного воздуха и около 90% всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м

Тропопауза

Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.

Стратосфера

Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11-25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25-40 км от ?56,5 до 0,8°С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0°C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.

Стратопауза

Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0°C).

Мезосфера

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80-90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25-0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и т.д. обусловливают свечение атмосферы.

Мезопауза

Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около -90°C).

Линия Кармана

Высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. В соответствии с определением ФАИ, линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.

Термосфера

Верхний предел - около 800 км. Температура растёт до высот 200-300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») - основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца. В периоды низкой активности - например, в 2008-2009 гг. - происходит заметное уменьшение размеров этого слоя^[6].

Термопауза

Область атмосферы прилегающая сверху к термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно и температура фактически не меняется с высотой.

Экзосфера (сфера рассеяния)

Атмосферные слои до высоты 120 км

Экзосфера - зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежён, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация). До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0°C в стратосфере до ?110°C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200-250 км соответствует температуре ~150°C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.

На высоте около 2000-3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разрежёнными 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 чрезвычайно разрежённых пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

На долю тропосферы приходится около 80% массы атмосферы, на долю стратосферы - около 20%; масса мезосферы - не более 0,3%, термосферы - менее 0,05% от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000-3000 км.

В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера - это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около120 км.

атмосфера смог газ экология

2. Основные газы атмосферы и их роль

Оставшийся приблизительно один процент газового состава атмосферы сформирован рядом газов в «следовых» (сравнительно низкой концентрации) количествах. Аргон - самый распространенный из них, но и его, с точки зрения влияния на климат, не следует принимать в расчет. Оставшиеся газы состоят из водяного пара, углекислого газа, закиси азота (веселящий газ), метана, хлорфторуглеродов (ХФУ) и озона, каждый из которых играет важную роль в формировании климата.

Земная атмосфера огромна, сказать по правде она ошеломляюще огромна! Масса атмосферы земли составляет 5.600.000.000.000.000 тонн. Многие люди привыкли думать, что вызванное человеком загрязнение воздуха настолько незначительно по сравнению с объемом атмосферы, что оно просто рассеется до безопасных концентраций. Вся человеческая деятельность по сведению и выжиганию лесов для сельскохозяйственных нужд, все дымовые трубы индустриальной цивилизации, кажется, не изменили азотно-кислородный баланс атмосферы. По этой причине трудно бороться с нежеланием большинства людей задуматься о проблемах глобального потепления. Однако это серьезная ошибка.

В вопросах климата именно газы в следовых количествах играют главную роль. Если быть точным, то концентрации этих газов в атмосфере настолько незначительны, что любое загрязнение вследствие деятельности человека может серьезно нарушить их пропорции.

Пары воды

Парадокс состоит в том, что одним из наиболее важных газов, приводящих к парниковому эффекту, является газ, который большинство людей не считают газом вообще - это вода (Н2О). Мы привыкли думать о воде как о жидкости, и редко представляем себе воду в виде газа или пара. Пары воды в атмосфере, по сути, это молекулы испарившейся воды, которые в виде аэрозоли рассеяны между молекулами азота и кислорода, составной части атмосферы. Водяной пар в атмосфере - это то, что мы называем влажностью.

Водяной пар играет несколько важных функций в процессе формирования как климата, так и погоды. Количество пара в атмосфере не является величиной постоянной, как раз наоборот. Его количество меняется радикально и быстро, часто в течение нескольких часов, приводя, к примеру, к грозовым ливням.

Для того чтобы испарить воду, необходимо затратить значительное количество энергии. Поэтому, молекула пара содержит в себе намного больше «энергии», чем молекула воды. Ежедневно Солнце испаряет большое количество воды с обширных просторов земных океанов. Иначе говоря, водяной пар является одним из самых важных «хранилищ» энергии в атмосфере и в климатической системе.

Вода теряет энергию, когда она начинает конденсироваться в виде капель в облаках или в более крупных каплях дождя. Такая энергия не исчезает, а расходуется на обогрев атмосферы. Таким образом, энергия просто перераспределяется посредством испарения и конденсации.

Когда водяной пар, при конденсировании, начинает собираться в облака, он приобретает еще одну важную функцию - он «затеняет» поверхность Земли и нижнюю атмосферу. Возьмем в качестве аналогии парник для овощей. Когда тень ложится на него, то температура внутри этой теплицы уменьшается, как уменьшается температура в комнате, когда облака перекрывают доступ солнечного света в нее. Формирование облаков это важный процесс в климатической системе, однако он трудно поддается расчетам и моделированию. При затемнении поверхности Земли облаками, некоторое количество солнечной энергии отражается верхней поверхностью облаков назад в космос. Также, некоторое количество энергии поглощается самими облаками и затем излучается как в направлении земли, так и в направлении космоса. Таким образом, определенное количество энергии остается в пределах Земли, хотя и не у самой ее поверхности, но все же в атмосфере.

Вода в состоянии пара обладает высокой способностью к улавливанию тепла и парниковому эффекту. Это объясняется тем, что пар хорошо пропускает коротковолновое и ультрафиолетовое излучение - формы, которые свойственны солнечной энергии при поступлении на Землю. Но после того, как эта энергия согревает земную поверхность (с потерей определенного количества энергии и изменением длины отраженных от земли волн) и отражается от нее уже в виде инфракрасного излучения, пар поглощает энергию этого излучения, улавливая тепло в нижней атмосфере (тропосфере). Таким образом, водяной пар действует как стекло в парнике.

В конечном итоге, уловленное тепло находит выход в космос. Но, сначала, ему приходится пройти через различные слои атмосферы. Из-за того, что солнечная радиация (сейчас уже в виде излучаемого тепла) задерживается в атмосфере прежде, чем возвратиться в космос, температура нижней атмосферы становится выше, чем если бы она была, не присутствуй в ней водяной пар.

Человеческая деятельность влияет на увеличение и уменьшение содержания пара в атмосфере. Однако, это влияние незначительно по сравнению с колебаниями, вызванными естественными процессами. Водяной пар, несмотря ни на что, является важным фактором, поскольку, во-первых, способствует разогреванию атмосферы и, во-вторых, потому, что влияние это трудно подсчитать, смоделировать или спрогнозировать. Фактически, количество пара в атмосфере предопределено климатом. В то же время, водяной пар сам имеет огромное влияние на климат. Это классический пример обратной связи между климатом и водяным паром. Как будет позже обсуждено в четвертой главе («Роль облаков»), среди ученых существуют серьезные разногласия по поводу роли пара или облаков. Так как пар и вода одновременно способствуют разогреву и охлаждению атмосферы, вода остается «темной лошадкой» в проблеме изменения климата.

Углекислый газ (СО2).

Углекислый газ, возможно, является самым важным из всех парниковых газов, выбрасываемых в атмосферу человеком, во-первых, потому что он вызывает сильный парниковый эффект и, во-вторых, потому что по вине человека этого газа образуется так много.

Углекислый газ, это очень «естественный» компонент атмосферы - настолько естественный, что мы лишь недавно стали задумываться об углекислом газе антропогенного происхождения как о загрязнителе. Углекислый газ может быть полезной вещью. Однако ключевой вопрос заключается в том, в какой момент СО2 становится слишком много? Или, иными словами, в каких количествах он начинает оказывать вредное воздействие на окружающую среду?

То, что кажется естественным с точки зрения человека сегодня, может значительно отличаться от того, что было естественным для Земли в процессе ее эволюционного развития. История человечества представляет собой лишь очень тонкий срез (не более нескольких миллионов лет) на геологическом пласте, насчитывающим более чем 4,6 миллиардов лет.

Некоторые экологи опасаются, что углекислый газ приведет к катастрофическим изменениям в климате, таким, например, какие описаны в книге Билла Маккибена «Конец природы».

Вероятнее всего, углекислый газ преобладал в ранней атмосфере Земли. Сегодня содержание СО2 в атмосфере составляет лишь около 0,03 процента, и самые пессимистические прогнозы предсказывают повышение его уровня до 0,09 процентов к 2100 году. Приблизительно 4,5 миллиардов лет назад, как полагают некоторые ученые, СО2 составлял 80 процентов состава атмосферы Земли, медленно понижаясь сначала до 30-20 процентов в следующие 2,5 миллиарда лет. Свободный кислород практически не встречался в ранней атмосфере и был ядовит для анаэробных форм жизни, существовавших в то время.

Существование человека, как мы знаем сегодня, в условиях избыточного содержания углекислого газа в атмосфере, было просто невозможно. К счастью для людей и животных, большая часть СО2 была удалена из атмосферы на поздних этапах истории Земли, когда обитатели морей, ранние формы альгае, выработали способность к фотосинтезу. В процессе фотосинтеза растения используют энергию Солнца для того, чтобы превратить углекислый газ и воду в сахар и кислород. В конце концов, альгае и другие, более совершенные жизненные формы, появившиеся в процессе эволюции (планктон, растения и деревья), погибали, связывая большую часть углерода в различных углеродных минералах (нефтяных сланцах, в угле и нефти) в земной коре. То, что осталось в атмосфере - это кислород, которым мы дышим сейчас.

Углекислый газ поступает в атмосферу из различных источников - большая часть которых естественные. Но количество СО2 обычно остается приблизительно на одном уровне, поскольку существуют механизмы, которые выводят углекислый газ из атмосферы (рисунок 5 дает упрощенную схему циркуляции СО2 в атмосфере).

Одним из главных природных механизмов циркуляции СО2 является обмен газами между атмосферой и поверхностью океанов. Этот обмен представляет собой очень тонкий, хорошо сбалансированный процесс с обратной связью. Количество углекислого газа, вовлеченного в него, поистине огромно. Ученые измеряют эти количества в гига тоннах (Ггт - миллиардах метрических тонн) углерода для удобства.

Углекислый газ легко растворяется в воде (процесс, в результате которого получается газированная вода). Он также легко выделяется из воды (в газированной воде мы видим это как шипение). Углекислый газ атмосферы непрерывно растворяется в воде на поверхности океанов и выделяется назад в атмосферу. Этот феномен практически полностью объясняется физическими и химическими процессами. Поверхностью мирового океана ежегодно выделяется 90 Ггт углерода, а поглощается 92 Ггт углерода. Когда ученые сопоставляют эти два процесса, то получается, что поверхность мирового океана, по сути, является поглотителем углекислого газа, то есть поглощает больше СО2, чем выделяет назад в атмосферу.

Величина потоков углекислого газа в цикле атмосфера / океан остается наиболее важным фактором, потому что незначительные изменения в существующем балансе могут иметь непредсказуемые последствия для других природных процессов.

Не менее важное значение в циркуляции углекислого газа в атмосфере играют биологические процессы. СО2 необходим для фотосинтеза. Растения «дышат» углекислым газом, поглощая около 102 Ггт углерода ежегодно. Однако растения, животные и другие организмы также выделяют СО2. Одна из причин образования углекислого газа объясняется метаболическим процессом - дыханием. При дыхании живые организмы сжигают вдыхаемый ими кислород. Люди и другие наземные животные, к примеру, вдыхают кислород для поддержания жизни и выдыхают углекислый газ назад в атмосферу в качестве отходов. По расчетам, все живые организмы на Земле ежегодно выдыхают около 50 Ггт углерода.

Когда растения и животные умирают, органические соединения углерода, находящиеся в них, включаются в состав почвы или ила в болотах. Природа компостирует эти продукты увядшей жизни подобно садовнику, разбивая их на составные части в процессе различных химических превращений и работы микроорганизмов. По расчетам ученых, при распаде обратно в атмосферу попадает около 50 Ггт углерода.

Таким образом, 102 Ггт углерода, поглощенные из атмосферы ежегодно, почти на сто процентов сбалансированы 102-мя Гг тоннами углерода, попадающими ежегодно в атмосферу в процессе дыхания и распада животных и растений. Необходимо отдавать себе полный отчет в величине потоков углерода в природе, поскольку незначительные отклонения в существующем балансе могут иметь далеко идущие последствия.

По сравнению с циклом атмосфера-океан и биологическим циклом, количество углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу в результате человеческой деятельности, на первый взгляд кажется незначительным. При сжигании угля, нефти и природного газа человек выбрасывает в атмосферу приблизительно 5,7 Ггт углерода (по данным IPCC). При вырубке и сжигании лесов люди, добавляют еще 2 Гг тонны. Следует учесть, что существуют различные оценки количества углерода, попадающего в атмосферу в результате сведения лесов.

Эти количества несомненно играют определенную роль, потому что естественные углеродные циклы (атмосфера / океан и биологический цикл) долгое время находились в хорошо отрегулированном равновесии. По крайней мере, баланс сохранялся на временном отрезке, на котором происходило зарождение и развитие человечества. Промышленная и сельскохозяйственная деятельность человека, похоже внесли значительный перекос в углеродный баланс.

Различные научные исследования показали увеличение концентраций углекислого газа в атмосфере в последние несколько столетий. В течение этого времени население планеты росло в геометрической прогрессии, в промышленности стали применять паровой двигатель, автомобили с двигателями внутреннего сгорания распространились по всей планете, и фермеры-переселенцы расчистили от растительности огромные территории Америки, Австралии и Азии.

В течение того же времени, атмосферные концентрации углекислого газа увеличились с 280 частиц на миллион (ppmv) допромышленного периода (1750 год) до около 353 ррmv, что составляет приблизительно 25 процентов. Этого количества может оказаться достаточно, чтобы вызвать значительные изменения, в случае если климат действительно чувствителен к парниковым газам в той степени, в какой это предполагают ученые. Измерения в обсерватории Мануа Лоа на Гавайях, далеко удаленной от источников промышленных загрязнений, показывают стабильный рост концентраций СО2 между 1958 и 1990 годами (рисунок 6). В последние два года, однако, роста концентраций углекислого газа не наблюдалось.

Тесная связь между концентрациями углекислого газа и расчетными средними мировыми температурами просто поразительна (рисунок 7)! Однако, является ли эта корреляция случайной, до сих пор остается загадкой. Легко поддаться искушению и объяснить колебания температуры колебаниями концентраций СО2. Но связь может быть и обратной - изменение температуры может вызывать изменение концентраций углекислого газа.

Закись азота

Закись азота (N2O) широко известна как «веселящий газ». Основу его составляют два доминирующих в атмосфере газа: азот и кислород. Оба этих газа играют важную роль в химических процессах, происходящих в живых организмах (азот входит в состав аминокислот, основы протеинов и ключевого элемента для метаболизма, роста и восстановления тканей). Хотя азот и кислород составляют 99 процентов земной атмосферы, количество закиси азота в ней очень незначительно (средние концентрации этого газа в 1980 году составляли 310 частиц на миллиард (ppbv) по данным IPCC). Количество N2O в атмосфере составляет лишь одну тысячную от количества СО2.

Сравнительно низкая концентрация этого газа компенсируется его чрезвычайной активностью - молекула закиси азота в 200-300 раз сильнее способствует образованию парникового эффекта, чем молекула углекислого газа. Более того, молекула закиси азота живет в атмосфере значительно дольше, чем молекула углекислого газа и молекулы некоторых других парниковых газов. В конечном итоге, молекула N2O распадается в стратосфере на кислород и азот под воздействием солнечного света, но продолжительность ее жизни в атмосфере составляет приблизительно 150 лет. В результате кумулятивный эффект любых количеств закиси азота антропогенного происхождения будет значительно больше, чем эффект от углекислого газа. 

Микроорганизмы и растения постоянно поглощают азот из атмосферы и в результате этого процесса азот попадает в почву. Атмосферный азот (N2) довольно инертен и в большинстве случаев непригоден для живых существ. Процесс, вследствие которого микроорганизмы трансформируют атмосферный азот в формы, пригодные для использования растениями, такие как аммиак (NH3), называется азотной фиксацией. После того, как азот «зафиксирован», он может быть много раз включен в цикл «растение / животное».

Одновременно другие микроорганизмы постоянно выводят азот из его «фиксированных» форм и азот снова попадает в атмосферу. Этот процесс получил название денитрификация. Кроме молекулярного азота (N2) в процессе денитрификации образуется закись азота. Ученые подсчитали, что почвенная денитрификация - это основной источник поступления закиси азота в атмосферу. Еще один важный источник поступления в атмосферу закиси азота - это природные процессы океана. Они до сих пор остаются плохо изученными.

В начале индустриальной эпохи атмосферные концентрации закиси азота были стабильными - около 285 частиц на миллиард (ppbv), таким образом сегодняшние 310 ppbv представляют собой увеличение концентраций этого газа на 8,8 процента. Такое увеличение, как полагают, произошло по вине человека.

Процесс горения представляет собой еще один источник образования закиси азота (N2О). При этом не важно, что горит: ископаемые виды топлива, дерево или другая биомасса. Тем не менее, ученые сегодня полагают, что при горении образуется меньше антропогенного N2O, чем при использовании удобрений.

Каждый, кому доводилось ухаживать за огородом, знает, что азот способствует буйному росту растений. Фермеры тоже знают об этом. Во всем мире в почву ежегодно вносится около 55 миллионов тонн азота. Азотные удобрения производят либо из нитратной породы, либо путем промышленной фиксации атмосферного азота (переводя его в форму одного из нитратов или в аммиак). Когда искусственно обогащенная почва подвергается процессу денитрификации, или когда удобрения просачиваются в грунтовые воды с выделением различных соединений азота, закись азота поступает в атмосферу.

Расчеты показывают, что количество закиси азота, ежегодно поступающей в атмосферу вследствие использования удобрений, может сильно отличаться год от года - от 10 тысяч тонн до 2,2 миллионов тон (в пересчете на азот) в год. Подобного рода неопределенность не позволяет точно подсчитать роль закиси азота в процессе антропогенного потепления.* Расчетные количества N2O, поступающего ежегодно в атмосферу изо всех источников, включая океан, почвы, тропические леса и леса умеренных зон, сжигание биомассы и ископаемых видов топлива и удобрения, составляют от 4,4 до 10,5 миллионов тонн в год (в прересчете на азот).

Несмотря ни на что, сжигание и интенсивное развитие сельского хозяйства являются неотъемлемой частью человеческой культуры. Детали образования антропогенного N2O, возможно, имеют второстепенное значение. Главная идея заключается в том, что население планеты не может увеличиваться бесконечно, одновременно поддерживая необходимые условия для жизни человека на Земле.

Метан

Метан (СН4) - газ, который горит в вашей кухонной плите. Это природный газ. В атмосфере метан содержится в «следовых» концентрациях и по данным Межправительственной группы экспертов по проблемам изменения климата вызывает больший парниковый эффект, чем СО2 (в 21 раз больше, из расчета на каждую молекулу и в 58 раз, из расчета фунт на фунт). 

Еще одна плохая новость заключается в том, что концентрации метана с момента начала индустриальной революции удвоились (увеличение концентраций этого газа происходит в восемь раз быстрее, чем увеличение концентраций углекислого газа). Сегодняшние исследования показывают, что замедления этого процесса ожидать не приходится.

К счастью, продолжительность жизни метана в атмосфере значительно меньше продолжительности жизни большинства парниковых газов - только одиннадцать лет. Он выводится из состава атмосферы после того, как вступает в реакцию с гидроксил ионом (ОН) с образованием воды. 

Метан - это один из газов, образующихся в недрах земли под давлением и выходящий на поверхность через вулканы и трещины в земной коре. Пока не удалось подсчитать количество метана, ежегодно поступающее в атмосферу из естественных источников. Ученые склонны полагать, что поступление метана в атмосферу и его естественное выведение из нее, при отсутствии дополнительного загрязнения техногенного происхождения, находится в устойчивом равновесии.

Остается неясным, какое количество метана поступает в атмосферу вследствие естественных процессов, а сколько - в результате человеческой деятельности. Существуют только экспериментальные расчеты. 

Большая часть атмосферного метана имеет биологическое происхождение. Метан производят бактерии в отсутствии кислорода (так называемые анаэробные бактерии). Эти бактерии разлагают останки растений и животных в болотах естественного происхождения. Второе название метана - болотный газ (хотя запах исходит главным образом от сероводорода смешанного с метаном). По расчетам, болота производят около 115 миллионов тонн СН4 или около одной пятой от общего количества метана, поступающего в атмосферу Земли ежегодно (около 500 миллионов тонн в год).

Еще один важный источник метана - кишечник животных, особенно крупного рогатого скота, овец и других жвачных животных, выращиваемых на фермах. Анаэробные микроорганизмы в кишечнике этих животных необходимы для переваривания пищи, однако, образующийся при этом метан попадает в атмосферу. В результате этого процесса, получившего название кишечной ферментации, в атмосферу ежегодно попадает, по расчетам специалистов, около 80 миллионов тонн СН4. Это значительное количество и, вероятно, оно меняется в зависимости от сельскохозяйственной активности человека. Рисовые поля, фактически, являющиеся болотами искусственного происхождения, согласно расчетам ученых, добавляют еще 60 миллионов тонн метана ежегодно.

Другие источники антропогенного метана включают в себя добычу ископаемых видов топлива (еще 100 миллионов тонн СН4 в год), отходы жизнедеятельности животных (25 миллионов тонн СН4 в год), утилизацию отходов (25 миллионов тонн СН4 в год), свалки (30 миллионов тонн СН4 в год) и сжигание биомассы (40 миллионов тонн СН4 в год).

Результаты этих расчетов существенно изменялись в последние несколько лет и до сих пор остаются спорными. Несмотря на это, похоже, что рост концентраций атмосферного метана с начала индустриальной революции является результатом человеческой деятельности. Из этого следует, что, если не произойдет усовершенствования технологий, растущее население планеты, промышленность и сельское хозяйство приведут к дальнейшему увеличению концентраций атмосферного метана.

Галогенуглероды

Еще одна группа веществ, усиливающих парниковый эффект в земной атмосфере, получила название галогенуглеродов. Эти соединения получаются при объединении углерода с одним или несколькими из пяти элементов, называемых галогенами: фтором, хлором, бромом, йодом или астатом. Однако, только первые три элемента из этой группы имеют отношение к предмету нашего разговора. 

В группу галогенуглеродов включены хлорфторуглероды (ХФУ, в англоязычной литературе CFC), хлорфторуглеводороды (ХФУВ, в англоязычной литературе HCFC), заменители ХФУВ, а также некоторые другие вещества: четыреххлористый углерод, галоны, метилхлорид, метилхлороформ и метилбромид.

О некоторых из этих газов, таких например, как ХФУ -11, -12, -113, -114 и -115, средства массовой информации писали довольно много. До середины 70-х годов эти вещества широко использовали в США в различного рода баллончиках в качестве компонентов, способствующих распрыскиванию их содержимого (например, дезодоранта) или в качестве растворителей, моющих средств или хладонов. В 1987 году, после подписания Монреальского протокола о веществах, разрушающих озоновый слой, многие страны стали контролировать выбросы в атмосферу этих химических соединений. В дополнение к этому соглашению, в 1990 и 1992 годах были приняты еще более жесткие ограничения в отношении галогенуглеродов. В то время, как галогенуглероды обратили на себя внимание из-за своих озоноразрушающих способностей, другие их свойства - способность вызывать парниковый эффект - часто упускают из вида. Однако эту особенность галогенуглеродов необходимо учитывать при разговоре о парниковом эффекте.

Все галогенуглероды попадают в атмосферу в результате человеческой деятельности, за исключением метилхлорида и метилбромида, которые образуются в естественных источниках. Концентрации метилхлорида, судя по всему, не увеличиваются, в то время, как отмечен некоторый рост концентраций метилбромида. Концентрации галогенуглеродов в атмосфере несравнимо ниже, чем концентрации любых других парниковых газов. Обычно они составляют где-то между 0,2 и 16,5 частиц на триллион. Иными словами, если провести аналогию между концентрациями галогенуглеродов в атмосфере и зернышками риса и пшеницы, то получается, что в каждом триллионе зернышек риса будет от 0,2 до 16,5 зернышек пшеницы.

Именно галогенуглероды вызывают особую обеспокоенность ученых, потому что их воздействие на атмосферу несравнимо больше воздействия углекислого газа в пересчете на каждую молекулу. Молекулы пяти видов ХФУ, которые также обладают самым большим озоноразрушающим потенциалом, в 3-13 тысяч раз активнее молекулы углекислого газа. 

Еще одна причина, по которой галогенуглероды вызывают обеспокоенность ученых, это продолжительность их жизни. Химические инженеры специально создавали вещества, обладающие высокой стабильностью, необходимой для выполнения возложенных на эти вещества функций. Однако при попадании в атмосферу, стабильность галогенуглеродов становится отрицательным фактором: они существуют в атмосфере многие десятилетия. Продолжительность жизни в атмосфере ХФУ-13 и ХФУ-115, наиболее долгоживущих галогенуглеродов, составляет около 400 лет. Таким образом, отрицательное воздействие, которым они обладают, будет продолжаться еще в течение нескольких столетий после того, как мы перестанем загрязнять ими атмосферу.

Сокращение и прекращение использования ХФУ в рамках международной конвенции, известной как Монреальский протокол, поможет не только замедлить процесс разрушения озонового слоя, но и снизить рост концентраций парниковых газов. Тем не менее, использование некоторых галогенуглеродов, обладающих «парниковыми» свойствами, не регулируется Монреальским протоколом, а некоторые заменители ХФУ, рекомендованные этим протоколом, представляют собой опять же галогенуглероды, обладающие «парниковыми» свойствами.

Озон в тропосфере - городской смог

В последнее десятилетие СМИ приписывали озону качества «злодея» и «жертвы». Озон - неотъемлемая часть атмосферы и он выполняет целый ряд сложных функций, постоянно разрушаясь и образуясь вновь. Скорее всего, озон вокруг нас будет присутствовать до тех пор, пока в атмосфере будут содержаться значительные количества кислорода. В своей обычной форме, в качестве свободного элемента, кислород присутствует в виде молекулы, состоящей из двух атомов кислорода - О2. Молекула озона состоит из трех атомов кислорода - O3. Он образуется, когда определенного рода энергия, скажем, электрическая энергия или очень интенсивное ультрафиолетовое излучение, воздействует на молекулу кислорода. Озон является менее стабильной формой, по сравнению с молекулой кислорода, состоящей из двух атомов. Каждая молекула озона «стремится отдать» дополнительную энергию и свой дополнительный третий атом кислорода.

Озон обладает сладко-едким запахом, который можно почувствовать при работе электромоторов. Озон также образуется при работе лазерных принтеров, при грозе, и является одним из веществ, раздражающих наши глаза и легкие.

Большая часть озона образуется, когда ультрафиолетовое излучение Солнца достигает разреженной атмосферы в области стратосферы. Ультрафиолетовое излучение приводит атомы кислорода в состояние возбуждения, и они начинают образовывать молекулы озона.

Что вызывает особое восхищение, так это то, что, одновременно с образованием озона, ультрафиолетовое излучение более низкой энергии разрушает его молекулы. Большая часть ультрафиолетового излучения никогда не достигает земной поверхности, потому что О2 поглощает ультрафиолетовое излучение высокой энергии, а O3 - ультрафиолетовое излучение низкой энергии. Таким образом, именно процессу образования и разрушения озона мы обязаны тем, что излишние количества ультрафиолетового излучения не доходят до поверхности Земли и ее обитатели, люди и животные, оказываются защищенными от солнечных ожогов и раковых заболеваний кожи. 

В земной атмосфере озон распределяется неравномерно. Большая часть озона естественного происхождения находится в нижних слоях стратосферы, где происходит множество фотохимических реакций с участием ультрафиолетового излучения. Однако, не это является главной причиной сравнительно высоких концентраций озона в этой области, так как энергии ультрафиолетового излучения в нижних слоях стратосферы не достаточно для образования больших количеств этого вещества. На концентрации озона большое влияние оказывают такие факторы, как разогрев и охлаждение (расширение и сжатие) и ветры, которые переносят озон из одного места в другое.

Некоторые количества озона попадают в нижние слои атмосферы - тропосферу. Кроме того, озон попадает в тропосферу и в результате человеческой деятельности. Когда в атмосферу попадает угарный газ (СО), метан и другие углеводороды, вместе с выхлопами автомобилей и из других источников искусственного происхождения, то, вступая в реакцию с оксидами азота, под влиянием солнечного света, они образуют озоновый смог (фотохимический смог) тропосферы. Озоновый смог является причиной возникновения проблем со здоровьем у населения в наших городах, переполненных транспортом.

Озон в верхней тропосфере и в нижней стратосфере является парниковым газом. Ученым еще предстоит выяснить то, насколько сильным парниковым эффектом обладает озон, по сравнению с углекислым газом. Возможно парниковый эффект озона ниже, чем парниковый эффект СО2. На сегодняшний день существует немного исследований о концентрациях озона в атмосфере и особенно о том, как эти концентрации менялись на протяжении современной истории. Некоторые исследования выдвигают предположение, что количество озона у поверхности земли удвоилось с момента начала индустриальной революции.

3. Основные источники загрязнения атмосферы

В настоящее время «основной вклад» в загрязнение атмосферного воздуха на территории России вносят: теплоэнергетика (тепловые и атомные электростанции, промышленные и городские котельные и др.), далее предприятия черной металлургии, нефтедобычи и нефтехимии, автотранспорт, предприятия цветной металлургии и производство стройматериалов.

Роль различных отраслей хозяйства в загрязнении атмосферы в развитых промышленных странах Запада несколько иная. Так, например, основное количество выбросов вредных веществ в США, Великобритании и ФРГ приходится на автотранспорт (50-60%), тогда как на долю теплоэнергетики значительно меньше, всего 16-20%.

Тепловые и атомные электростанции. Котельные установки.

Тепловые и атомные электростанции. Котельные установки. В процессе сжигания твердого или жидкого топлива в атмосферу выделяется дым, содержащий продукты полного (диоксид углерода и пары воды) и неполного (оксиды углерода, серы, азота, углеводороды и др.) сгорания. Объем энергетических выбросов очень велик. Так, современная теплоэлектростанция мощностью 2,4 млн кВт расходует в сутки до 20 тыс. т угля и выбрасывает в атмосферу за это время 680 т S02 и S03, 120 - 140 т твердых частиц (зола, пыль, сажа), 200 т оксидов азота.

Перевод установок на жидкое топливо (мазут) снижает выбросы золы, но практически не уменьшает выбросы оксидов серы и азота. Наиболее экологично газовое топливо, которое в три раза меньше загрязняет атмосферный воздух, чем мазут, и в пять раз меньше, чем уголь.

Источники загрязнения воздуха токсичными веществами на атомных электростанциях (АЭС) - радиоактивный йод, радиоактивные инертные газы и аэрозоли. Крупный источник энергетического загрязнения атмосферы - отопительная система жилищ (котельные установки) дает мало оксидов азота, но много продуктов неполного сгорания. Из-за небольшой высоты дымовых труб токсичные вещества в высоких концентрациях рассеиваются вблизи котельных установок.

Черная и цветная металлургия

При выплавке одной тонны стали в атмосферу выбрасывается 0,04 т твердых частиц, 0,03 т оксидов серы и до 0,05 т оксида углерода, а также в небольших количествах такие опасные загрязнители, как марганец, свинец, фосфор, мышьяк, пары ртути и др. В процессе сталеплавильного производства в атмосферу выбрасываются парогазовые смеси, состоящие из фенола, формальдегида, бензола, аммиака и других токсичных веществ. Существенно загрязняется атмосфера также на агломерационных фабриках, при доменном и ферросплавном производстве.

Значительные выбросы отходящих газов и пыли, содержащих токсичные вещества, отмечаются на заводах цветной металлургии при переработке свинцово-цинковых, медных, сульфидных руд, при производстве алюминия и др.

Химическое производство

Химическое производство. Выбросы этой отрасли хотя и невелики по объему (около 2% всех промышленных выбросов), тем не менее, ввиду своей весьма высокой токсичности, значительного разнообразия и концентрированности, представляют значительную угрозу для человека и всей биоты. На разнообразных химических производствах атмосферный воздух загрязняют оксиды серы, соединения фтора, аммиак, нитрозные газы (смесь оксидов азота), хлористые соединения, сероводород, неорганическая пыль и т.п.).

Выбросы автотранспорта

Выбросы автотранспорта. В мире насчитывается несколько сот миллионов автомобилей, которые сжигают огромное количество нефтепродуктов, существенно загрязняя атмосферный воздух, прежде всего в крупных городах. Так, в г. Москве на долю автотранспорта приходится 80% от общего количества выбросов в атмосферу. Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (особенно карбюраторных) содержат огромное количество токсичных соединений - бенз(а) пирена, альдегидов, оксидов азота и углерода и особо опасных соединений свинца (в случае применения этилированного бензина).

Наибольшее количество вредных веществ в составе отработанных газов образуется при неотрегулированной топливной системе автомобиля. Правильная ее регулировка позволяет снизить их количество в 1,5 раза, а специальные нейтрализаторы снижают токсичность выхлопных газов в шесть и более раз.

Интенсивное загрязнение атмосферного воздуха отмечается также при добыче и переработки минерального сырья, на нефте-и газоперерабатывающих заводах, при выбросе пыли и газов из подземных горных выработок, при сжигании мусора и горении пород в отвалах (терриконах) и т.д. В сельских районах очагами загрязнения атмосферного воздуха являются животноводческие и птицеводческие фермы, промышленные комплексы по производству мяса, распыление пестицидов и т.д. от российских источников загрязнения выпало только 190 тыс. т серы, т.е. в 6,3 раза меньше.

4. Проблема контролирования выброса в атмосферу загрязняющих веществ промышленными предприятиями (ПДК)

Приоритет в области разработки предельно допустимых концентраций в воздухе принадлежит СССР. ПДК - такие концентрации, которые на человека и его потомство прямого или косвенного воздействия, не ухудшают их работоспособности, самочувствия, а также санитарно-бытовых условий жизни людей. Обобщение всей информации по ПДК, получаемой всеми ведомствами, осуществляется в ГГО - Главной Геофизической Обсерватории. Чтобы по результатам наблюдений определить значения воздуха, измеренные значения концентраций сравнивают с максимальной разовой предельно допустимой концентрацией и определяют число случаев, когда были превышены ПДК, а также во сколько раз наибольшее значение было выше ПДК. Среднее значение концентрации за месяц или за год сравнивается с ПДК длительного действия среднеустойчивой ПДК. Состояние загрязнение воздуха несколькими веществами, наблюдаемые в атмосфере города, оценивается с помощью комплексного показателя - индекса загрязнения атмосферы (ИЗА). Для этого нормированные на соответствующее значения ПДК и средние концентрации различных веществ с помощью несложных расчетов приводят к величине концентраций сернистого ангидрида, а затем суммируют.

Максимальные разовые концентрации основных загрязняющих веществ были наибольшими в Норильске (окислы азота и серы), Фрунзе (пыль), Омске (угарный газ). Степень загрязнения воздуха основными загрязняющими веществами находится в прямой зависимости от промышленного развития города. Наибольшие максимальные концентрации характерны для городов с численностью населения более 500 тыс. жителей. Загрязнение воздуха специфическими веществами зависит от вида промышленности, развитой в городе. Если в крупном городе размещены предприятия нескольких отраслей промышленности, то создается очень высокий уровень загрязнения воздуха, однако проблема снижения выбросов многих специфических веществ до сих пор остается нерешенной

Загрязнение атмосферы оказывает неблагоприятное воздействие не только на человека, но и на флору и фауну, на различного рода сооружения, транспортные средства и др. На территорию Северной Швеции и Норвегии серы выпадает в 2-2,5 раза больше, чем выбрасывается в воздушный бассейн с этих территорий. В то же время во многих промышленных странах Западной Европы, в частности в Великобритании и Голландии, отношение выпадений серы к выбросам составляет лишь 10-20%, а в ФРГ, Франции и Дании - 20-45%.

Следовательно, остальная часть выбросов переносится воздушными потоками. Опасность выбросов сернистых соединений заключается прежде всего в их массовости, токсичности и сравнительно большом общем «сроке жизни». «Продолжительность жизни» сернистого газа в атмосфере сравнительно невелика: от двух-трех недель, если воздух сравнительно сухой и чистый, до нескольких часов, если воздух влажен и в нем присутствует аммиак или некоторые другие примеси. Но он растворяется в каплях атмосферной влаги. В результате каталитических, фотохимических и других реакций окисляется и образует раствор серной кислоты. Следовательно, агрессивность выбросов возрастает. В конечном счете переносимые воздушными массами сернистые соединения переходят в форму сульфатов. Их перенос в основном происходит на высоте от 750 до 1500 м, где средние скорости перемещения воздушных масс близки к 10 м/с.

Поэтому дальность переноса сернистого газа 300-400 км. На этом же удалении от источника выбросов в струе переноса отмечается максимум концентрации раствора серной кислоты. Ее обнаруживают и на расстоянии 1000-1500 км, где в основном завершается ее переход в сульфаты. Описанный процесс - упрощенная схема, не учитывающая возможности вымывания сернитого газа и серной кислоты по пути переноса каплями дождя, а также абсорбирования их растительностью, почвой, поверхностными и морскими водами. Воздействие сернистого газа и его производных на человека и животных проявляется прежде всего в поражении верхних дыхательных путей.

Под влиянием сернистого газа и серной кислоты происходит разрушение хлорофилла в листьях растений, в связи с чем ухудшаются фотосинтез и дыхание, замедляется рост, снижаются качество древесных насаждений и урожайность сельскохозяйственных культур, а при более высоких дозах и продолжительном воздействии растительность погибает. Так называемые кислые дожди вызывают повышение кислотности почв. В итоге снижается эффективность применяемых минеральных удобрений на пахотных землях, из видового состава трав на долголетних культурных сенокосах и пастбищах выпадают наиболее ценные. Особенно сильное влияние кислые осадки оказывают на дерново-подзолистые и торфяные почвы, широко распространенные в северной части Европы.

Наличие в воздухе соединений серы ускоряет процессы коррозии металлов, разрушения зданий, сооружений, памятников истории и культуры, ухудшает качество промышленных изделий и материалов. Установлено, что в промышленных районах сталь ржавеет в 20 раз, а алюминий разрушается в 100 раз быстрее, чем в сельской местности. Увеличение задымленности воздуха ведет к ухудшению микроклимата города: увеличению числа туманных дней, уменьшению прозрачности атмосферы и, следовательно, к снижению видимости, освещенности, ультрафиолетовой радиации. Утром 26 октября 1948 г. густой туман - смог - окутал г. Донора (штат Пенсильвания, США). Из смеси тумана с дымом и копотью начала выпадать сажа, покрывшая дома, тротуары и мостовые черным покрывалом.

Двое суток видимость была настолько плохой, что жители с трудом находили дорогу домой. Вскоре врачей стали осаждать кашлящие и задыхающиеся пациенты, жаловавшиеся на нехватку воздуха, насморк, резь в глазах, боль в горле и тошноту. В течение следующих четырех дней, пока не начался сильный дождь, заболело 5910 человек из 14 тыс. жителей города. Двадцать человек умерло. Погибло много собак, кошек и птиц. Исследуя причины этой трагедии, метеорологи установили, что она вызвана температурной инверсией, которая препятствовала нормальной циркуляции воздуха. Обычно теплый воздух поднимается от земли в вышележащие холодные области, унося с собой значительную часть загрязняющих воздух продуктов деятельности человека.