Текст книги "Инженерная геоэкология"

1.2. Состав и строение атмосферы

Состав воздуха в нижних и верхних слоях атмосферы

Нижние слои атмосферы, наиболее важные для жизни человека, содержат в себе так называемые сухие газы, водяные пары, аэрозоли, радиоактивные вещества и ионы. Концентрация сухих газов в атмосферном воздухе приведена в табл. 1.

Таблица 1. Состав сухого воздуха у земной поверхности, %

В составе атмосферы основная доля приходится на азот, кислород и аргон; на остальные газы приходится всего около двух процентов.

Преобладание азота в атмосферном воздухе объясняется его инертностью, поэтому, выделившись при образовании атмосферы, он сохранился в ней в большем количестве, чем другие газы. Высокое содержание кислорода в атмосфере Земли объясняется фотосинтетическим действием растений (выделением кислорода и потреблением углекислого газа).

Кроме указанных газов, в воздухе нижних слоев атмосферы в переменном количестве постоянно присутствуют аммиак, соединения хлора и фтора, радон и другие газы, а также ранее не знакомые человечеству суперэкотоксиканты.

Углекислый газ поступает в атмосферу при вулканических извержениях, в результате гниения и разложения органических веществ; в процессе дыхания животных и растений и при сжигании топлива в промышленности и на транспорте. Содержание его в атмосфере составляет 0,033 %. Углекислый газ потребляется растениями, которые при этом вырабатывают кислород. Кроме океана, основными «легкими» Земли являются сибирская тайга и джунгли Амазонки, причем тайга дает миру больше кислорода, так как тратит его меньше на перегнивание органических остатков. Углекислый газ интенсивно поглощает и излучает длинноволновую лучистую энергию и является основной причиной парникового эффекта. Содержание углекислого газа в воздухе изменяется в зависимости от широты, местных условий, времени суток и года. В высоких широтах его меньше, чем в умеренных; над океаном меньше, чем над сушей; в дневные часы меньше, чем в ночные. Основным регулятором концентрации углекислого газа служит океан. В океане его примерно в 100 раз больше, чем в атмосфере. Это объясняется тем, что растворимость СO₂ в воде во много раз выше, чем растворимость других атмосферных газов. В результате обмена углекислым газом устанавливается динамическое равновесие между поступлением его из воздуха в воду и из воды в воздух. Растворимость газов в воде зависит от ее температуры. Холодные моря и океаны умеренных и высоких широт поглощают примерно столько же СO₂, сколько его выделяют в атмосферу океаны в тропическом поясе Земли. В биосфере в процессе фотосинтеза поглощается столько же углекислого газа, сколько выделяется при дыхании живых организмов и разложении органических веществ.

При сжигании топлива и гниении органических веществ в атмосферу поступает также оксид углерода (СО), который при наличии кислорода восстанавливается до углекислого газа.

Оксид серы (SO₂) и оксиды азота (которым экологи дали общее название NO_x), к сожалению, тоже широко распространены в атмосфере; они являются общезагрязняющими веществами.

Водяной пар содержится в нижних слоях атмосферы и занимает по объему от 0,1 до 4 %. Количество его зависит от воздушных течений и характера земной поверхности. В атмосферу водяной пар поступает в результате испарения влаги с водных поверхностей, с суши, с растительного покрова, а также от снежного и ледяного покровов Земли; он выделяется при дыхании живых организмов, при вулканических извержениях, при получении тепловой и электрической энергии и при некоторых производственных процессах. В результате перемешивания с газами водяной пар распространяется от земной поверхности вверх и ветром переносится на значительные расстояния. С высотой содержание его резко убывает. Благодаря водяному пару в атмосфере образуются облака, из которых могут выпадать осадки.

Аэрозолями называются твердые частицы и капли, взвешенные в атмосфере. Эти частицы имеют, как правило, небольшие размеры (менее 1 мкм). Более крупные частицы называются пылью. Даже самый чистый воздух всегда содержит аэрозоли. Источники аэрозолей делятся на естественные (испарения морской соли, пыление почвы, вулканическая деятельность, лесные пожары) и антропогенные (выбросы промышленности, транспорта и за счет эрозии почвы). Аэрозоли влияют на климат и на биоту (т. е. на все живое на Земле). Содержание аэрозолей в атмосфере зависит от месторасположения и времени. Некоторые из них являются ядрами для конденсации водяного пара. К аэрозолям относятся водяные капли и ледяные кристаллы; мелкая пыль; сажа и пепел, попадающие в воздух при пожарах и горении лесов и торфяников; почвенная, космическая и вулканическая пыль; пыльца растений и т. д. При восходящем движении воздуха аэрозоли поднимаются на большие высоты; горизонтальными потоками воздуха (ветром) они переносятся на большие расстояния. С высотой содержание аэрозолей резко убывает.

Аэрозолем является также смесь дыма с туманом (смог). Смог может переноситься воздушными потоками на расстояние 100–200 км от источника загрязнения.

В атмосфере содержатся радиоактивные газы (в том числе радон), концентрацию которых очень сложно определить. Во взвешенном состоянии в воздухе находятся и такие твердые радиоактивные вещества, как стронций 90, уран 239, йод 131. В атмосферу поступает большое количество радиоактивных веществ, которые переносятся воздушными потоками и сохраняются в ней на протяжении десятилетий, так как характеризуются большими периодами полураспада.

В атмосфере постоянно образуются электрически заряженные молекулы, имеющие электрический потенциал; они называются ионами. Ионы делятся на легкие и тяжелые. Легкие ионы могут оседать на аэрозолях, взвешенных в атмосфере, образуя более крупные и тяжелые ионы с массами, во много раз большими, чем масса легких ионов. В нижнем слое атмосферы в 1 см³ воздуха содержится несколько сотен легких ионов и от нескольких сотен до десятков тысяч тяжелых, а на больших высотах происходит расслоение газов по плотности, увеличивающееся с высотой, в то время как на высоте до 100 км газы перемешиваются и не расслаиваются по плотности. Другие газообразные примеси (кроме азота, кислорода и аргона) и кислые газы, озон, аммиак в силу своего большого молекулярного веса притягиваются к земной поверхности. Выше 100 км стремление к равновесию преобладает над перемешиванием и содержание более тяжелых газов с высотой уменьшается быстрее, чем содержание более легких: процентное содержание аргона, более тяжелого, чем азот и кислород, с высотой уменьшается. Молекулы кислорода на высоте около 200 км разлагаются на заряженные атомы. Азот в высоких слоях атмосферы также частично находится в атомарном состоянии.

Выше 100 км атмосфера состоит из гелия и водорода, причем преобладает атомарный водород. Атмосфера и космическое пространство связаны между собой, поэтому различные атомы и атомные ядра из космоса проникают в атмосферу, из которой, в свою очередь, в мировое пространство вылетают легкие газы. Водород, покидающий атмосферу, образует вокруг Земли геокорону, плотность которой по мере удаления от Земли уменьшается, и на расстоянии 3000 км геокорона полностью переходит в космическое пространство.

Большая часть атмосферы сосредоточена в относительно тонком слое, прилегающем к земной поверхности. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в тропосфере – в слое до высоты примерно 5,5 км, 75 % – до высоты около 11 км, 95 % – в слое до высоты 20 км.

В результате человеческой деятельности за последнее столетие состав атмосферы изменился в худшую сторону. С середины XIX века по 1975 год общее содержание в ней углекислого газа увеличилось на 12–15 %. Локальный же рост концентрации СO₂ в промышленных центрах еще более значителен. В больших городах (мегаполисах) концентрация этого газа может достигать 0,1–0,2 % при одновременном снижении в воздухе содержания кислорода. Углекислый газ явился основной причиной появления парникового эффекта. Основными источниками выбросов СO₂ (а также NО_х и SO₂) в больших городах являются автотранспорт (до 80 % от общего количества загрязняющих веществ), ТЭЦ и другие топливосжигающие промышленные производства. Экологи считают, что относительная вредность этих трех газов определяется соотношением 20: 12: 1, причем на первом месте располагаются оксиды азота, на втором – оксид серы, на третьем – углекислый газ. Оксиды азота более агрессивны, чем оксид серы. Оксиды азота принимают активное участие в возникновении и расширении озоновых дыр (наряду с фреонами, NO_х разрушает озоновый слой); вместе с СO₂ инициируют парниковый эффект; после растворения в водяных каплях облаков с образованием слабых азотной и азотистой кислот выпадают на землю в виде кислотных дождей. Оксид серы (сернистый ангидрид) попадает в атмосферу при сжигании твердого или жидкого топлива с большим содержанием серы или при работе химических и металлургических предприятий. Для атмосферы городов особенно опасно применение при выработке тепла и электроэнергии высокосернистого мазута и использование дизельного топлива в автотранспорте. В настоящее время в крупных городах применяют жидкое топливо со сниженным содержанием серы или переходят на сжигание природного газа.

Диоксид серы, угарный газ (СО) и диоксиды азота отличаются большим временем жизни в атмосфере. Превышения концентрации этих газов над фоновой концентрацией в атмосфере весьма значительны: SO₂ – в 50—300 раз; СО – в 80—1250 раз; NO_х – до 25 раз.

Для климата Земли большую опасность представляет выброс в атмосферу хлорфторуглеводородов, в частности фреонов. Они применяются в холодильном производстве в виде хладагентов, имеют большое время жизни (более года) и обладают свойством разрушать озоновый слой. Наибольшую концентрацию из этих газов имеют метилхлорид, дихлордифторметан и фтортрихлорметан.

Одним из главных компонентов атмосферы является метан (CH₄). Этот газ участвует в образовании парникового эффекта. Концентрация метана в воздухе постоянно растет – за последние 20 лет она увеличилась на 10 %, причем максимумы концентрации метана приходятся на весну и осень, а минимумы – на зиму и лето.

Прошлый век «подарил» человечеству неизвестные прежде газообразные вещества, чуждые биоте, – ксенобиотики. Из-за чрезвычайно опасного воздействия на человека их еще называют суперэкотоксикантами. Эти вещества очень медленно разлагаются под действием природных процессов, иногда – десятки лет. Их главным переносчиком является воздушная среда. К суперэкотоксикантам относятся диоксины, бенз-α-пирен, ДДТ, полихлорированные бифенилы. Их отличает очень низкая предельно допустимая концентрация (ПДК). Суперэкотоксиканты образуются главным образом при сжигании полиэтилена в условиях недостатка кислорода, при работе мусоросжигающих заводов и сжигании бытового мусора на свалках.

Радиоактивные газы (в основном радон) характерны для нижних (подстилающих) слоев атмосферы и имеют выход в местах образования геологических разломов и при захоронении мусора.

Выбросы в атмосферу других загрязняющих ее газов (например, аммиака, сероводорода, бутана) носят, как правило, локальный характер.

Вместе с газами промышленные предприятия и транспорт ежегодно выбрасывают огромное количество сажи, шлаков, пыли, каменноугольной смолы, органических кислот, углеводородов.

Наибольшее количество аэрозолей содержится в нижних слоях атмосферы.

Загрязнение атмосферы, обусловленное смесью вредных газов, паров и аэрозолей, является фотохимическим смогом. Он оказывает вредное воздействие на человеческий организм, на животных и растения. В крупных городах локальное загрязнение воздуха носит характер экологического бедствия.

Основным экологическим требованием к чистоте воздуха является следующий норматив: сумма отношений реальной концентрации вредных веществ к их ПДК должна быть меньше единицы.

В городах основными средствами борьбы с загрязнением воздуха являются их озеленение и перевод предприятий на сжигание природного газа. Каждое предприятие должно в обязательном порядке проходить экологическую экспертизу.

В природе постоянно происходят процессы самоочищения воздуха. Но в последнее время природа уже не справляется с антропогенным воздействием на нее, и в атмосфере происходит глобальный рост концентрации некоторых газов, что приводит к отрицательным климатическим, медико-биологическим и экономическим последствиям. На сжигание топлива расходуется большое количество кислорода. Если наметившиеся в последние десятилетия темпы роста потребления топлива сохранятся и в дальнейшем, то, по прогнозам ученых, за 50 лет будет израсходовано около 1,0 % свободного кислорода, содержащегося в атмосфере.

Озон представляет собой трехатомный кислород. Он образуется в атмосфере на высоте от 15 до 70 км под влиянием грозовых разрядов и окисления органических веществ, а в высоких слоях – под действием ультрафиолетовых лучей Солнца. Озон поглощает ультрафиолетовую радиацию, тем самым защищая от нее все живое на Земле. Да и сама жизнь возникла после того, как содержание кислорода превысило 1 % и в атмосфере смог образовываться слой озона. Если условно собрать весь озон при нормальном давлении, то приведенная толщина его слоя составит всего 3 мм. Но и этого небольшого количества достаточно для того, чтобы поглотить 3 % солнечной радиации и на высоте 30–55 км повысить температуру атмосферы.

Антропогенное воздействие на природу в настоящее время приводит к резкому снижению концентрации озона и образованию над Землей озоновых дыр. По данным метеорологических исследований уже сейчас над Антарктидой образовалась озоновая дыра размером более площади этого континента; она же наблюдается над Тасманией и Огненной Землей. Над Арктикой также появилась озоновая дыра, правда меньшего размера. Уменьшение толщины слоя озона происходит и над низкими широтами, особенно над расположенными в этих широтах крупными промышленными городами (в том числе над Москвой). В настоящее время толщина озонового слоя продолжает уменьшаться: по данным НАСА, среднее снижение концентрации озона с 1969 по 1986 год составило 3 %.

Главными причинами снижения содержания озона в высоких слоях атмосферы являются выбросы хлорфторуглеродов (ХФУ) и оксидов азота. ХФУ настолько активны, что один атом хлора может превратить 100 тыс. молекул озона в молекулы кислорода. Оксиды азота опасны тем, что, несмотря на меньшую реакционность по сравнению с ХФУ, этих газов выбрасывается в воздух значительно больше, так как без сжигания органического топлива (в том числе бензина) человек обходиться еще не может. В небольших концентрациях озон полезен для человека, но при высоких концентрациях в приземных слоях воздуха он становится вредным для органического мира, так как является мощным окислителем. Особенно опасен озон в составе фотохимического смога.

Другой важнейшей экологической и метеорологической проблемой в настоящее время стало возникновение парникового эффекта. Человечество в последние десятилетия выбросило (и продолжает выбрасывать) в атмосферу огромное количество так называемых парниковых газов – диоксида углерода, ХФУ, метана и оксидов азота. Механизм парникового эффекта заключается в том, что слой парниковых газов, окутывающих Землю как одеяло на высоте нескольких километров, препятствует возвращению потока «лишней» солнечной энергии в Космос после его отражения от Земли. Этот слой частично отражает тепловой поток и возвращает его обратно на Землю, нарушая при этом ее тепловой баланс и изменяя климат на Земле. Вследствие парникового эффекта земной шар нагревается тем больше, чем больше парниковых газов выбрасывается в атмосферу. Рост глобальной температуры всего на 4,5 °C до 2050 года приведет к катастрофическим последствиям: на полюсах начнут интенсивно таять ледники, в результате чего на 0,5–1,5 м повысится уровень океана и прибрежные низменные земли будут затоплены; урожайность сельскохозяйственных культур снизится из-за интенсивного размножения вредителей; метеорологические закономерности (осадки, ветры, циклоны и морские течения) изменятся; теплые ветры, самумы и ураганы участятся при увеличении их силы на 50 %; Гольфстрим изменит свое направление, из-за чего похолодает в Европе; уменьшится темп роста деревьев; многие болезни (например, малярия) усилятся и будут мигрировать к северу и югу от экватора.

Вертикальное расслоение атмосферы

Наиболее сильное изменение метеорологических параметров происходит по вертикали. Например, температура по вертикали изменяется в сотни раз быстрее, чем по горизонтали. С учетом изменения по вертикали температуры, давления, состава, электрических свойств и других характеристик воздуха, атмосферу разделяют на ряд слоев (сфер), показанных на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Строение атмосферы: а – распределение температуры (а_Т – в тропиках, а_х.п. – в холодной полярной зоне); b_Т и b_х – распределение озона в тропической и полярной зонах; с – тропопауза тропическая; d – тропопауза полярная; e – струйное течение субтропическое; f – струйное течение полярное; g – стратопауза; h – мезопауза; i – турбопауза; j – уровень диссипации – ускользания атомов H и H_ē; k – слой стратосферного аэрозоля; l₁ , l₂, l₃, l₄, l₅ – тропосферные облака: перистые, высококучевые, кучевые, кучево-дождевые, фронтальные; э – экзосфера

Наиболее отчетливо различие слоев атмосферы проявляется в характере распределения температуры воздуха с высотой. По этому признаку выделяют пять основных сфер: тропосферу (в среднем до высоты 11 км), стратосферу (от 11 до 50–55 км), мезосферу (от 50–55 до 90 км), термосферу (от 90 до 450 км) и экзосферу (свыше 450 км). Между этими слоями имеются прослойки относительно небольшой вертикальной протяженности. Их называют паузами. Например, между тропосферой и стратосферой находится тропопауза. Между остальными сферами располагаются соответственно стратопауза, мезопауза и термопауза.

Тропосфера – самый нижний слой атмосферы, начинающийся от земной поверхности. Ее высота зависит от времени года, широты места, а также от характера циркуляции воздуха. На одной и той же широте верхняя граница тропосферы опускается зимой и поднимается летом. В одно и то же время года вертикальная протяженность тропосферы в умеренных широтах составляет 9—12 км, к полюсам она уменьшается до 8—10 км, а к экватору возрастает до 16–18 км. Над областями повышенного давления верхняя граница тропосферы опускается, а над областями пониженного давления поднимается. В тропосфере наблюдаются перемещения воздуха в горизонтальном и вертикальном направлениях, а также интенсивное его перемешивание. В тропосфере находится основная масса водяного пара; здесь происходит образование облаков, выпадение осадков, наблюдаются другие метеорологические явления. Характерная особенность тропосферы – убывание температуры с высотой. На каждые 100 м высоты температура убывает в среднем на 0,65 °C. Средняя годовая температура на верхней границе тропосферы составляет примерно —55 °C в умеренных широтах, —75 °C над экватором, —65 °C над Северным полюсом зимой и —47 °C – летом. Вертикальная протяженность тропопаузы колеблется от нескольких сотен метров до 1–2 км. За ее нижнюю границу принимается высота, на которой температура перестает уменьшаться с высотой или начинает повышаться. На уровнях, близких к тропопаузе, наблюдаются потоки воздуха в виде узких течений с очень большими скоростями (150–300 км/ч). Эти потоки называются струйными течениями.

Над тропопаузой до высоты около 50 км простирается стратосфера, характеризующаяся ростом температуры с высотой. До высоты 35 км этот рост происходит очень медленно, а выше 35 км температура быстро растет и на верхней границе стратосферы достигает среднегодового значения около 0 °C с отклонением ±20 °C. Рост температуры воздуха с высотой в стратосфере объясняется поглощением солнечной радиации озоном. На верхней границе стратосферы температура испытывает резкие колебания в зависимости от времени года и широты места, связанные с колебаниями слоя озона.

Водяной пар в стратосфере содержится в небольшом количестве, поэтому обычные облака в этом слое не образуются. Изредка на высотах 20–25 км наблюдаются перламутровые облака. В стратосфере также происходят интенсивная циркуляция воздуха и его вертикальные перемещения.

Над стратопаузой расположена мезосфера. До высоты около 80 км в мезосфере наблюдается падение температуры с высотой до значений 90 °C. Наблюдения за движением метеорных зондов и данные, полученные с помощью ракет, свидетельствуют о том, что скорость ветра в мезосфере достигает 150 м/с. Уменьшение температуры с высотой дает основание предполагать наличие в мезосфере интенсивного перемешивания воздуха. В мезосфере на высотах 82–85 км иногда наблюдаются серебристые облака. Над мезосферой расположена мезопауза.

Выше лежит термосфера, в которой температура возрастает с высотой. По косвенным данным и результатам ракетных наблюдений температура на высоте 150 км равна примерно 220–240 К, на высоте 200 км достигает 500 К, а на верхней границе термосферы превышает 1000 К. Рост температуры с высотой объясняется поглощением ультрафиолетовой радиации атомарным кислородом и азотом. Однако температура на указанных высотах характеризует только энергию движения молекул. Постороннее же тело, помещенное на эту высоту, вследствие очень сильной разреженности воздуха не воспринимает от него столь высокую температуру. Температура искусственных спутников Земли, космических кораблей, ракет на этих высотах в основном определяется поглощаемой ими лучистой энергией.

Экзосфера (сфера рассеяния) – внешний слой атмосферы – простирается до земной короны и постепенно переходит в межпланетное пространство. Температура в экзосфере возрастает с высотой предположительно до 2000 К. В экзосфере газы находятся в весьма разреженном состоянии и частицы их, двигаясь с огромными скоростями, почти не сталкиваются друг с другом.

В атмосфере имеется слой с высокой электрической проводимостью, образующийся в результате интенсивной ионизации воздуха космическими лучами, ультрафиолетовой и корпускулярной радиацией Солнца. Нижняя граница этого слоя расположена на высоте 60–80 км, а верхняя достигает нескольких сотен километров. Этот слой называется ионосферой.

Слой атмосферы, расположенный между высотами 20 и 55 км и содержащий основную массу озона, называется озоносферой.

По характеру взаимодействия с земной поверхностью атмосферу разделяют на пограничный слой, нижний слой высотой 11,5 км и свободную атмосферу, расположенную выше этого слоя. Пограничный слой характеризуется суточными изменениями метеорологических величин. Самую нижнюю часть пограничного слоя (высотой 50—100 м), примыкающую к земной поверхности, называют приземным слоем. В этом слое потоки тепла и водяного пара мало изменяются с высотой.

Горизонтальная неоднородность тропосферы

Атмосфера по своим физическим свойствам неоднородна не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении. Изменение метеорологических величин по горизонтали происходит неравномерно. Вся тропосфера разделяется на обширные области с относительно однородными условиями погоды и на сравнительно узкие полосы, в которых происходит резкое изменение метеорологических величин.

Большие объемы воздуха в тропосфере, обладающие относительно однородными свойствами и перемещающиеся в одном из течений общей циркуляции атмосферы, называются воздушными массами.

В Северном полушарии различают следующие воздушные массы:

1) арктический воздух, формирующийся за Полярным кругом, в Арктическом бассейне и над примыкающими к нему частями материков;

2) умеренный воздух, формирующийся в умеренных широтах;

3) тропический воздух, формирующийся в тропических и субтропических областях, а летом иногда в южных районах умеренных широт над континентом;

4) экваториальный воздух, формирующийся в экваториальной зоне и иногда переходящий из одного полушария в другое.

В зависимости от поверхности, над которой сформировались воздушные массы, их разделяют на морские и континентальные.

Воздушные массы в тропосфере находятся в непрерывном движении, т. е. перемещаются из очага своего формирования в другие области.

По термической классификации воздушные массы разделяют на холодные и теплые. Холодной называется воздушная масса, приход которой вызывает похолодание в данном районе. Холодная масса обычно движется на более теплую подстилающую поверхность. Теплой называется воздушная масса, приход которой в данный район вызывает потепление. Теплая масса движется на более холодную подстилающую поверхность. Воздушные массы постоянно взаимодействуют между собой.

В пределах одной воздушной массы метеорологические величины изменяются незначительно. При переходе же из одной воздушной массы в другую происходит скачкообразное изменение метеорологических величин. Переходные зоны между соседними воздушными массами, в которых метеорологические величины быстро изменяются в горизонтальном направлении, называются фронтальными зонами или фронтальными поверхностями. Часто их называют просто фронтами. Фронтальная зона всегда наклонена в сторону холодного воздуха, но угол ее наклона составляет лишь несколько угловых минут.

Фронты разделяют на холодные и теплые. Если надвигается холодный воздух и клином подтекает под отступающий теплый, вытесняя его вверх, то фронт называется холодным. Когда же надвигается теплый воздух, который постепенно натекает на отступающий холодный воздух, то фронт называется теплым.

Исходя из географической классификации воздушных масс принято различать три главных фронта: арктический – между арктическим и умеренным воздухом, фронт умеренных широт – между умеренным и тропическим воздухом, тропический – между тропическим и экваториальным воздухом.