7.2.2. Атмосфера

Атмосфера (от греч. athmos — пар, sphaira — шар) — газовая оболочка планеты. На Земле сформировалась в результате геологической эволюции и непрерывной деятельности организмов. Состав современной атмосферы — результат динамического равновесия, поддерживаемого процессами жизнедеятельности организмов и различными геохимическими явлениями глобального масштаба.

Общая масса атмосферы Земли равна 5,3 • 1015 т (по разным оценкам 5,15—5,9 • 1015), причем 90% сосредоточено в околоземном слое толщиной около 16 км. Поскольку атмосфера является наружной оболочкой Земли, она «разграничивает» планету и космическое пространство, ослабляя ряд поступающих из космоса излучений и сглаживая резкие колебания температуры в биосфере. Кроме того, она является средой распространения микроорганизмов, семян, плодов, а также местообитанием многих насекомых, птиц и млекопитающих.
Атмосферы других планет Солнечной системы (табл. 7.1) совершенно иные. На Венере и Марсе преобладает диоксид углерода, на планетах-гигантах — гелий, водород, метан и аммиак, а на Луне и Меркурии атмосферы практически нет.
Таблица 7.1              /
Атмосферы небесных тел Солнечной системы

Небесное тело	Радиус, тыс. км	Температура, К	V	Описание атмосферы	Основные компоненты атмосферы
1	2	3	4	5	6
Солнце	700	5770	4000	Солнце — целиком газовый	е~, Н+ Н, Не
				шар
Мерку рий	2,4	715—775 (в подсолнечной точке)	2,8	Атмосфера крайне разреженная (практически нет)	Ar, Ne, He
Венера	6,1	750	22	Мощная атмосфера, давление у поверхности 100 кПа	С02(97%), N2(lt;2%), н2о (0,05%), примеси СО, НС1, HF

Окончание таблицы 7.1.

1	2	3	4	5	6
		288 (+15 °С)		Мощная атмос-	N2, 02, Н20
Земля	6,4		30	фера над океаном и сушей
Луна	1,7	120—407	1,4	Атмосферы нет	—
		В тропи-		Слабая атмос-	С02(95%),
		ках: 288		фера, давле-	N2(2,5%),
		днем и 198		ние у поверх-	Аг(1,5%),
Марс	3,4	ночью.	7,7	ности 550—	примеси
		На Юж-		650 Па	СО, Н20, 02
		ном полюсе—120		Мощная атмос-	Н2, Не,
				фера в виде га-	СН4, NH3
Юпитер	71,3	110	2000	зожидкостной смеси, давление до 10 млн МПа
Сатурн	60,2	90 (на видимой стороне)	950	Мощная атмосфера в виде газожидкостной смеси	Н2, Не, СН4, NH3
Титан				Мощная атмос-	Н2, приме-
(спут-	2,6	80	5,3	фера над мета-	си СН4 и
ник Са-				новым океаном	с„н
турна)					п т
Уран	26	55	500	Мощная атмосфера	Н2, Не, сн4
Нептун	25	45	800	Мощная атмосфера	сн4, н2, Не
Плутон	1,5	40	1,7	Атмосферы нет (?)	Следы СН4

Структура атмосферы
Параметры, характеризующие атмосферу (температура, давление, химический состав и др.), изменяются прежде всего с высотой относительно уровня моря, а характеризующие нижние 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 изменением сил гравитации по мере удаления от поверхности планеты, 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, имеющая длины волн вблизи максимума спектра, не поглощается атмосферой и доходит до поверхности Земли, согревая ее.
Описанные тепловые процессы и график изменения температуры Т газов по высоте Н относятся только к дневной, освещенной 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 атмосфера сложена иначе.
Высота слоя тропосферы изменяется от 7—10 км над полюсами до 16—18 км над экватором. Тропосфера содержит почти половину всего водяного пара атмосферы, при конденсации которого образуется облачность нижняя (до высоты 1— 2 км), средняя (на высоте 2—4 км) и верхняя (6—10 км). Содержание водяных паров может колебаться от 0 по объему в сухом воздухе до почти 4% в максимально влажном.
При нормальном состоянии тропосферы ей присуще снижение температуры воздуха с градиентом 6,5 °С на 1 км высоты, которое в значительной степени зависит от содержания паров воды 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 газообразные продукты химических реакций, происходивших в первичном веществе под действием высоких давлений и температур; при этом в земной атмосфере оказалось так много паров воды, что большая их часть сконденсировалась, образовав

первичный океан. Эти процессы продолжаются на Земле и сейчас, хотя уже совсем не так интенсивно, как в начале эволюции.
И ныне обновляется земная кора, а вулканы выбрасывают разнообразные газы, присутствие которых в современной атмосфере незаметно. Причина в том, что все газы находятся в динамическом равновесии друг с другом, с океаном и с веществами земных пород. Кислотные оксиды легко растворяются в воде, образуя кислоты. Взаимодействие кислот с основными оксидами земной коры дает соли, часть которых растворима и остается в океане, а другая нерастворимая часть образует осадочные породы.
Сухой воздух, лишенный твердых примесей, по составу практически одинаков по всей территории земного шара. На уровне моря он представляет собой физическую смесь газов — преимущественно азота и кислорода.
Состав атмосферного воздуха над незагрязненной территорией (на уровне моря) приведен в табл. 7.2, а изменение его состава и давления с высотой над уровнем моря — в табл. 7.3.
н, км

а)              б)
Рис. 7.5. Изменение давления (а), температуры (б) над поверхностью Земли и структура атмосферы (в)


Воздух содержит также водород, озон, оксид серы (IV), ксенон, оксид углерода, оксид и диоксид азота, аммиак и др.
За время эволюции с момента образования биосферы состав атмосферы изменился принципиально — появился и стал одним из основных компонентов кислород, образовался защитный озоновый слой, значительно колебалась концентрация диоксида углерода и т. д. На протяжении суток, а также в различные периоды года состав воздуха достаточно постоянен, что объясняется огромной массой земной атмосферы, интенсивным перемешиванием ее нижних слоев (в пределах тропосферы), большой скоростью диффузии газов. Исследования состава атмосферы за последние столетия показали хотя и медленное, но постоянное увеличение концентрации диоксида углерода и метана, относящихся к группе «парниковых газов».

в)


Состав атмосферного воздуха над незагрязненной
территорией на рубеже XX и XXI вв.
Таблица 7 .2

Компонент	Содержание, %
	по объему	по массе
Азот	78,084	75,5
Кислород	20,95	23,14
Аргон	0,93	1,28
Диоксид углерода (С02)	0,036	0,0479
Неон	18,0-Ю"4	125,0-10л5
Гелий	5,24-Ю"4	7,24-Ю-5
Метан	1,7 -10"4	9,4 -Ю"5
Криптон	1,14- 10-4	33,0-10 5
Гемиоксид азота (N20)	0,53 • 10~4	8-10—5

Изменение состава воздуха
и давления с высотой над уровнем моря
Таблица 7.3

Высота, км	Объемная доля, %					Давление, кПа
	кислорода	азота	аргона	гелия	водорода
0	20,95	78,08	0,93			101
5	20,95	77,89	0,94		0,01	54
10	20,99	78,02	0,94		0,01	22
20	18,10	81,24	0,59		0,04	5,5
100	0,11	2,97		0,56	96,31	0,009

Ускорение земного тяготения не только создает давление атмосферы у поверхности планеты, но и препятствует рассеиванию (диссипации) атмосферных газов в космическое пространство. При одинаковой температуре наибольшие скорости теплового движения имеют молекулы водорода и гелия — газов с наименьшей молярной массой. Выше 700 км над уровнем 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 скоростями, близкими ко второй космической скорости Земли (v2 = 11,2 км/с), и, следовательно, может улететь в космос.
Убыль гелия и водорода с планеты постоянно восполняется. Гелий образуется в земной коре при распаде тяжелых радиоактивных элементов, а водород — в верхних слоях атмосферы (на высотах 30—50 км) из воды под действием ультрафиолетовой части спектра излучения Солнца. Ежесекундно из атмосферы в космос улетает примерно 1 кг водорода, для чего разлагается 9 кг Н20. Расчет показывает, что воды Мирового океана хватит на 5 тыс. млрд лет, т. е. навсегда, так как возраст 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 атмосфере. Но для приведения химического состава Земли к современному состоянию потребовалось значительно большее количество 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 10[38] т/г. Однако последние миллионы лет его содержание больше не увеличивается — весь кислород, создаваемый растениями, расходуется на дыхание животных, окисление вулканических газов, горение и гниение мертвых растений. В настоящее время значительное количество кислорода потребляется промышленностью и транспортом. Озоновый слой
К числу наиболее важных характеристик атмосферы Земли, имеющих существенное эколого-биологическое значение, относится наличие в ней озонового слоя, резко (примерно в 6500 раз) ослабляющего часть (с длиной волны X lt; 320 нм) ультрафиолетового спектра (10 lt; Xlt; 400 нм[39]) электромагнитного излучения Солнца, крайне опасную для всего живого на Земле.
Различают ближнее ультрафиолетовое излучение (УФИ) с 200 lt; X lt; 400 нм и дальнее[40], или вакуумное, — с 10 lt; X lt; lt; 200 нм. По биологическому эффекту в диапазоне ближнего УФИ выделяют три области:
УФИ-А с 320 нм lt; Xlt; 400 нм; УФИ-В с 290 нм lt; Xlt; 320 нм; УФИ-С с 200 нм lt; X lt; 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 D, 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 X = 297, 240—260 нм) вызывает тяжелые последствия — солнечные ожоги и ряд иных расстройств вплоть до фотоканцерогенеза — возникновения злокачественных новообразований 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 — и иными газами. Происходит это следующим образом.
Одним из важнейших процессов, протекающих в верхних слоях атмосферы, является диссоциация 02 с образованием атомарного кислорода: + hv -gt; 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 (рис. 7.6).
На высоте около 130 км содержание 02 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:
N2 + Av (lt; 80 нм) -»• N2 + е~
О + Av (lt; 91,2 нм) -» 0+ + е~
02 + Av (lt; 99,3 нм) -» 02 + е~
NO + Av (lt; 134,5 нм) -у NO+ + 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 02, остается еще достаточно интенсивным. На высотах 30—50 км взаимодействие атомарного кислорода с молекулярным приводит к образованию озона:

На меньших высотах скорость образования озона Оэ увеличивается пропорционально соотношению концентраций газов и уменьшается из-за поглощения света с X lt; 240 нм, что определяет наличие максимума содержания озона на высотах около 25 км (рис. 7.7). [41]




В стратосфере озон наряду с прочими процессами поглощает солнечное излучение с X lt; ИЗО нм, а излучение с X lt; 320 нм разлагает его наиболее интенсивно:
0 3 + hv (lt; 320 нм) -gt; 02 + 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—50 км) над уровнем моря (рис. 7.7). 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) (S02) окисляется до оксида серы (VI) (S03), который активно взаимодействует с водой, образуя капельки серной кислоты (H2S04). 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 (см. разд. 3.1.1). 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 дозы1 облучения 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. Ро- дон 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, электронов и ядер легких элементов (1%). Однако Земля имеет за- [42] щиту 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, тг-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 (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Изменение уровня космического облучения с высотой над уровнем моря (по С. В. Савенко)


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.

Еще по теме 7.2.2. Атмосфера:

1. Атмосфера. Структура атмосферы
2. 5.2. Атмосфера
3. 4.5. Атмосфера
4. 12.5. Загрязнение атмосферы
5. 6.1. Атмосфера, ее состав
6. Атмосфера, ее загрязнения и последствия
7. 14.1. Структура и состав атмосферы
8. Г л а в а 16 Загрязнение атмосферы
9. Воздействие на атмосферу
10. 2Л. АТМОСФЕРА2.1 Л. Строение и состав атмосферы
11. ИСТОРИЯ АТМОСФЕРЫ И ГИДРОСФЕРЫ
12. 8.2.1.Классификация веществ загрязняющих атмосферу.
13. 11.3. Загрязнение атмосферы и воды
14. 2.1.2. Естественное и искусственное загрязнение атмосферы
15. Антропогенное загрязнение атмосферы
16. 6.2. Загрязнение атмосферы
17. 3.2 Оценка ущерба от загрязнения атмосферы
18. 9.2. Изменение парникового эффекта атмосферы Земли
19. 14.3. Физические и экологические последствия загрязнения атмосферы