Атмосфера, как часть природной среды

АТМОСФЕРА, КАК  ЧАСТЬ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ  
Атмосфера (от греч. atmoc — пар и сфера — шар) — газовая (воздушная) оболочка Земли, вращающаяся вместе с ней. Жизнь на Земле возможна, пока существует атмосфера. Все живые организмы используют воздух атмосферы для дыхания, атмосфера защищает от вредного воздействия космических лучей и губительной для живых организмов температуры, холодного «дыхания» космоса. 
Атмосферный воздух — это смесь газов, из которых состоит атмосфера Земли. Воздух не имеет запаха, прозрачен, его плотность 1,2928 г/л, растворимость в воде 29,18 см~/л, в жидком состоянии приобретает голубоватую окраску. Жизнь людей невозможна без воздуха, без воды и пищи, но если без пищи человек может прожить несколько недель, без воды — несколько дней, то смерть от удушья наступает через 4 — 5 мин. 
Основными составными частями атмосферы являются: азот, кислород, аргон и углекислый газ. Кроме аргона в малых концентрациях содержатся другие инертные газы. В атмосферном воздухе всегда присутствуют пары воды (примерно 3 — 4%) и твердые частицы — пыль.  
Атмосфера Земли подразделяется на нижнюю (до 100 км) — гомосферу с однородным составом приземного воздуха и верхнюю гетеросферу с неоднородным химическим составом. Одним из важных свойств атмосферы является наличие кислорода. В первичной атмосфере Земли кислород отсутствовал. Появление и накопление его связано с распространением зеленых растений и процессом фотосинтеза. В результате химического взаимодействия веществ с кислородом живые организмы получают энергию, необходимую для их жизнедеятельности.  
Через атмосферу осуществляется обмен веществ между Землей и Космосом, при этом Земля получает космическую пыль и метеориты и теряет самые легкие газы — водород и гелий. Атмосфера пронизана мощной солнечной радиацией, которая определяет тепловой режим поверхности планеты, вызывает диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов. Обширная разреженная верхняя часть атмосферы состоит преимущественно из ионов. 
Физические свойства и состояние атмосферы меняются во времени: в течение суток, сезонов, лет — и в пространстве в зависимости от высоты над уровнем моря, широты местности, удаленности от океана.  
          

CTPOEHИE АТМОСФЕРЫ

Атмосфера, общая масса  которой составляет 5,15 10» т, простирается вверх от поверхности Земли примерно до 3 тыс. км. С высотой меняются химический состав и физические свойства атмосферы, поэтому ее подразделяют на тропосферу, стратосферу, мезосферу, ионосферу (термосферу) и экзосферу.  
Основная масса воздуха в атмосфере (до 80%) находится в нижнем, приземном слое — тропосфере. Толщина тропосферы в среднем 11 — 12 км: 8 — 10 км — над полюсами, 16 — 18 км — над экватором. При удалении от поверхности Земли в тропосфере происходит понижение температуры на 6'С на 1 км (рис. 8). На высоте 18 — 20 км плавное уменьшение температуры прекращается, она остается почти постоянной: — 60...— 70'С. Этот участок атмосферы называется тропопаузой. Следующий слой — стратосфера — занимает высоту 20 — 50 км от земной поверхности. В ней сосредоточена остальная (20%) часть воздуха. Здесь температура повышается при удалении от поверхности Земли на 1 — 2'С на 1 км и в стратопаузе на высоте 50 — 55 км доходит до 0'С. Далее на высоте 55— 80 км расположена мезосфера. При удалении от Земли температура понижается на 2 — 3'С на 1 км, и на высоте 80 км, в мезопаузе, она достигает — 75...— 90'С. Термосфера и экзосфера, занимающие высоты соответственно 80 — 1000 и 1000 — 2000 км, представляют собой наиболее разреженные части атмосферы. Здесь встречаются лишь отдельные молекулы, атомы и ионы газов, плотность которых в миллионы раз меньше, чем у поверхности Земли. Следы газов обнаружены до высоты 10 — 20 тыс. км.  
 Толщина воздушной оболочки сравнительно невелика при сопоставлении с космическими расстояниями: она составляет одну четвертую радиуса Земли и одну десятитысячную часть расстояния от Земли до Солнца. Плотность атмосферы на уровне моря равна 0,001 г/см~, т.е. в тысячу раз меньше плотности воды.  
Между атмосферой, земной поверхностью и другими сферами Земли происходит постоянный обмен теплом, влагой и газами, который вместе с циркуляцией воздушных масс в атмосфере влияет на основные климатообразующие процессы. Атмосфера защищает живые организмы от мощного потока космического излучения. Ежесекундно на верхние слои атмосферы обрушивается поток космических лучей: гамма, рентгеновские, ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные. Если бы все они достигали земной поверхности, то в течение нескольких мгновений уничтожили бы все живое.  
Важнейшее защитное значение имеет озоновый экран. Он расположен в стратосфере на высоте от 20 до 50 км от поверхности Земли. Общее количество озона (Оз) в атмосфере оценивается в 3,3 млрд. т. Мощность этого слоя сравнительно небольшая: суммарно она составляет 2 мм на экваторе и 4 мм у полюсов при нормальных условиях. Максимальная концентрация озона — 8 частей на миллион частей воздуха — находится на высоте 20 — 25 км.  
Основное значение озонового экрана состоит в том, что он защищает живые организмы от жесткого ультрафиолетового излучения. Часть его энергии расходуется на реакцию: SО2 <> S0з. Озоновый экран поглощает ультрафиолетовые лучи с длиной волны около 290 нм и менее, поэтому до земной поверхности доходят ультрафиолетовые лучи, полезные для высших животных и человека и губительные для микроорганизмов. Разрушение озонового слоя, замеченное в начале 1980-х гг., объясняют применением фреонов в холодильных установках и выбросом в атмосферу аэрозолей, применяемых в быту. Выбросы фреонов в мире тогда достигали 1,4 млн. т в год, а вклад отдельных стран в загрязнение атмосферы фреонами составлял: 35% — США, по 10% — Япония и Россия, 40% — страны ЕЭС, 5% — остальные страны. Согласованные меры позволили сократить поступление фреонов в атмосферу. Разрушительное воздействие на озоновый слой оказывают полеты сверхзвуковых самолетов и космических аппаратов.  
Атмосфера защищает Землю от многочисленных метеоритов. Ежесекундно в атмосферу попадает до 200 млн. метеоритов, доступных для наблюдения невооруженным глазом, но они сгорают в атмосфере. Замедляют свое движение в атмосфере мелкие частицы космической пыли. Ежесуточно на Землю опускается около 10" мелких метеоритов. Это приводит к увеличению массы Земли на 1 тыс. т. в год. Атмосфера является теплоизоляционным фильтром. Без атмосферы перепад температур на Земле в сутки достигал бы 200'С (от 100'С днем до — 100'С ночью).  

БАЛАНС ГАЗОВ  В АТМОСФЕРЕ

Наибольшее значение для  всех живых организмов имеет относительно постоянный состав атмосферного воздуха  в тропосфере. Баланс газов в атмосфере  поддерживается за счет постоянно идущих процессов использования их живыми организмами и поступления газов  в атмосферу. Азот выделяется при  мощных геологических процессах (извержениях  вулканов, землетрясениях), при разложении органических соединений. Изъятие азота  из воздуха происходит за счет деятельности клубеньковых бактерий. 
Однако в последние годы происходит изменение баланса азота в атмосфере за счет хозяйственной деятельности людей. Заметно увеличилось связывание азота при производстве азотных удобрений. Предполагают, что объем промышленной фиксации азота в ближайшее время значительно возрастет и превысит его поступление в атмосферу. Согласно прогнозам производство азотных удобрений удваивается каждые 6 лет. Эго обеспечивает растущие потребности сельского хозяйства в азотных удобрениях. Однако нерешенным остается вопрос компенсации изъятия азота из атмосферного воздуха. В то же время из-за огромного общего количества азота в атмосфере эта проблема не столь серьезна, как баланс кислорода и диоксида углерода.  
Около 3,5 — 4 млрд. лет назад содержание кислорода в атмосфере было в 1000 раз меньше, чем сейчас, так как не было основных продуцентов кислорода — зеленых растений. Современное соотношение кислорода и диоксида углерода поддерживается жизнедеятельностью живых организмов. В результате фотосинтеза зеленые растения потребляют диоксид углерода и выделяют кисло- род. Он используется для дыхания всеми живыми организмами. Естественные процессы потребления СО3 и О2 и их поступление в атмосферу хорошо сбалансированы.  
С развитием промышленности и транспорта кислород используется на процессы горения все в возрастающих размерах. Например, за один трансатлантический рейс реактивный самолет сжигает 35 т кислорода. Легковой автомобиль за 1,5 тыс. км пробега расходует суточную норму кислорода одного человека (в среднем человек потребляет в сутки 500 л кислорода, пропуская через легкие 12 т воздуха). По подсчетам специалистов, на сгорание разнообразных видов топлива сейчас требуется от 10 до 25% кислорода, производимого зелеными растениями. Уменьшается поступление кислорода в атмосферу из-за сокращения площадей лесов, саванн, степей и увеличения пустынных территорий, роста городов, транспортных магистралей. Сокращается число продуцентов кислорода среди водных растений из-за загрязнения рек, озер, морей и океанов. Полагают, что в ближайшие 150 — 180 лет количество кислорода в атмосфере сократится на треть по сравнению с современным его содержанием.  
Использование запасов кислорода увеличивается одновременно с эквивалентным ростом выделения диоксида углерода в атмосферу. По данным ООН, за последние 100 лет количество СО~ в атмосфере Земли увеличилось на 10 — 15%. Если намеченная тенденция сохранится, то в третьем тысячелетии количество СО~ в атмосфере может возрасти на 25%, т.е. с 0,0324 до 0,04% объема сухого атмосферного воздуха. Некоторое увеличение диоксида углерода в атмосфере сказывается положительно на продуктивности сельскохозяйственных растений. Так, при насыщении воздуха теплиц углекислым газом урожайность овощей повышается за счет интенсификации процесса фотосинтеза. Однако с увеличением COz в атмосфере возникают сложные глобальные проблемы, которые будут рассмотрены ниже.  
Атмосфера является одним из основных метеорологических и климатообразующих факторов. Климатообразующая система включает в себя атмосферу, океан, поверхность суши, криосферу и биосферу. Подвижность и инерционные характеристики этих составляющих различны, они имеют разное время реакции на внешние возмущения в смежных системах. Так, для атмосферы и поверхности суши время ответной реакции составляет несколько недель или месяцев. С атмосферой связаны циркуляционные процессы переноса влаги и тепла, циклоническая деятельность.  

ЕСТЕСТВЕННОЕ  И ИСКУССТВЕННОЕ

ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ  
Источники загрязнения атмосферы могут быть естественными и искусственными. Естественные источники загрязнения атмосферы — извержения вулканов, лесные пожары, пыльные бури, процессы выветривания, разложение органических веществ. К искусственным (антропогенным) источникам загрязнения атмосферы относятся промышленные и теплоэнергетические предприятия, транспорт, системы отопления жилищ, сельское хозяйство, бытовые отходы.  
Естественные источники загрязнения атмосферы представляют собой такие грозные явления природы, как извержения вулканов и пыльные бури. Обычно они имеют катастрофический характер. При извержении вулканов в атмосферу выбрасывается огромное количество газов, паров воды, твердых частиц, пепла и пыли. После затухания вулканической деятельности общий баланс газов в атмосфере постепенно восстанавливается. Так, в результате извержения вулкана Кракатау в 1883 г. в атмосферу было выброшено около 150 млрд. т пыли и пепла. Мелкие пылевые частицы держались в верхних слоях атмосферы в течение нескольких лет. «Над Кракатау поднялась черная туча высотой около 27 км. Взрывы продолжались всю ночь и были слышны на расстоянии 160 км от вулкана. Газы, пары, обломки, песок и пыль поднялись на высоту 70 — 80 км и рассеялись на площади свыше 827000 км'» (Влодавец, 1973).  
При извержениях вулкана Катмай на Аляске в 1912 г. было выброшено в воздух около 20 млрд. т. пыли, которая долго держалась в атмосфере. Извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 г. сопровождалось выбросами в атмосферный воздух диоксида серы. Его количество составило более 20 млн. т. При извержении вулканов происходит тепловое загрязнение атмосферы, так как в воздух выбрасываются сильно нагретые вещества. Температура их, в том числе паров и газов, такова, что они сжигают все на своем пути.  
Существенно загрязняют атмосферу крупные лесные пожары. Чаще всего они возникают в засушливые годы. В России наиболее опасны лесные пожары в Сибири, на Дальнем Востоке, на Урале, в Республике Коми. В среднем за год площадь, пройденная пожарами, составляет около 700 тыс. га. В засушливые годы, например, в 1915 г. она достигла 1 — 1,5 млн. га. Дым от лесных пожаров распространяется на огромные площади — около 6 млн. км. Памятным для жителей Подмосковья остается лето 1972 г., когда воздух в течение всего лета был сизым от дыма пожаров, видимость на дорогах не превышала 20 — 30 м. Горели лес и торфяники. Прямой ущерб от лесных пожаров в среднем составляет 200 — 250 млн. долл. 
В среднем за год сгорает и повреждается на корню до 20-25 млн. м³древесины.  
Пыльные бури возникают в связи с переносом сильным ветром поднятых с земной поверхности мельчайших частиц почвы. Сильные ветры - смерчи и ураганы - поднимают в воздух и крупные обломки горных пород, но они не держатся долго в воздухе. При сильных бурях в атмосферный воздух поднимается до 50 млн. т пыли. Причинами пыльных бурь являются засуха, суховеи; провоцируют их интенсивная распашка, выпас скота, сведение лесов и кустарников. Наиболее часты пыльные бури в степных, полупустынных и пустынных районах. В России катастрофические пыльные бури наблюдались в 1928-м, 1960-м, 1969-м, гг.  
 Катастрофические явления, связанные с извержением вулканов, лесными пожарами и пыльными бурями, приводят к возникновению светозащитного экрана вокруг Земли, который несколько изменяет тепловой баланс планеты. В целом эти явления имеют заметный, но локальный эффект в отношении загрязнения атмосферы. И совсем незначительный местный характер носит загрязнение атмосферного воздуха, связанное с выветриванием и разложением органических веществ Искусственные источники загрязнения наиболее опасны для атмосферы. По агрегатному состоянию все загрязняющие вещества антропогенного происхождения подразделяются на твердые жидкие и газообразные, причем последние составляют около 90% [от общей массы выбрасываемых в атмосферу загрязняющих веществ (рис. 9).  
 Проблема загрязнения воздуха не нова. Более двух столетий серьезные опасения вызывает загрязнение воздуха в крупных промышленных центрах многих европейских стран. Однако длительное время эти загрязнения имели локальный характер. Дым и копоть загрязняли сравнительно небольшие участки атмосферы и легко разбавлялись массой чистого воздуха в то время, когда заводов и фабрик было немного. Быстрый рост промышленности и транспорта в XX в. привел к тому, что такое количество выброшенных в воздух веществ не может больше рассеиваться. Их концентрация увеличивается, что влечет за собой опасные и даже фатальные последствия для биосферы. 
Загрязнение атмосферного воздуха в промышленных городах и городских агломерациях значительно выше, чем на прилегающих территориях. Так, по данным американских ученых, концентрация различных веществ в городах следующим образом относится к средним (фоновым) показателям этих веществ в тропосфере (в частях на млн. частей): SOз - 0, 3/0, 0002-0, 0004; NO2 - 0, 05/0, 001-0, 003;  
Оз- во время смогов - до 0, 5/0, 01-0, 03; СО - 4/0, 1; NНз - 2/1-1,5;  
пыль (в мкг/м³) - 100/1 -30.  
В 1970 г. в городах США было выброшено в воздух (в млн. т): пыли — 26,2; SOД — 34,1; NOД — 22,8; СО — 149; НС — 34,9. На 1 км' в Нью-Йорке ежемесячно выпадает 17 т сажи, в Токио — 34 т.  
Особое место среди источников загрязнения атмосферы занимает химическая промышленность. Она поставляет диоксид серы (SO2),сероводород (H2S), оксиды азота (NO, NO2), углеводороды (СxНy) галогены (F2, Сl2) и др. Для химической промышленности характерна высокая концентрация предприятий, что создает повышенное загрязнение окружающей среды. Вещества, выделяемые в атмосферу, могут вступать в химические реакции друг с другом, образуя высокотоксичные соединения. Вместе с туманом и некоторыми другими природными явлениями в местах повышенной концентрации химических веществ возникает фотохимический смог. Часто при этом концентрации озона во много раз превосходят его нормальный уровень в воздухе у поверхности Земли, что опасно для жизни растений, животных и человека.