Атмосфера
Атмосфера
АТМОСФЕРА
АТМОСФЕРА, газовая оболочка, окружающая небесное тело. Ее характеристики
зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического
состава данного небесного тела, а также определяются историей его
формирования начиная с момента зарождения. Атмосфера Земли образована
смесью газов, называемой воздухом. Ее основные составляющие – азот и
кислород в соотношении приблизительно 4:1.
На человека оказывает воздействие главным образом состояние нижних 15–25
км атмосферы, поскольку именно в этом нижнем слое сосредоточена основная
масса воздуха. Наука, изучающая атмосферу, называется метеорологией, хотя
предметом этой науки являются также погода и ее влияние на человека.
Состояние верхних слоев атмосферы, расположенных на высотах от 60 до 300 и
даже 1000 км от поверхности Земли, также изменяется. Здесь развиваются
сильные ветры, штормы и проявляются такие удивительные электрические
явления, как полярные сияния. Многие из перечисленных феноменов связаны с
потоками солнечной радиации, космического излучения, а также магнитным
полем Земли. Высокие слои атмосферы – это также и химическая лаборатория,
поскольку там,0 в условиях, близких к вакууму, некоторые атмосферные газы
под влиянием мощного потока солнечной энергии вступают в химические
реакции. Наука, изучающая эти взаимосвязанные явления и процессы,
называется физикой высоких слоев атмосферы.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
Размеры. Пока ракеты-зонды и искусственные спутники не исследовали внешние
слои атмосферы на расстояниях, в несколько раз превосходящих радиус Земли,
считалось, что по мере удаления от земной поверхности атмосфера постепенно
становится более разреженной и плавно переходит в межпланетное
пространство. Сейчас установлено, что потоки энергии из глубоких слоев
Солнца проникают в космическое пространство далеко за орбиту Земли, вплоть
до внешних пределов Солнечной системы. Этот т.н. солнечный ветер обтекает
магнитное поле Земли, формируя удлиненную «полость», внутри которой и
сосредоточена земная атмосфера. Магнитное поле Земли заметно сужено с
обращенной к Солнцу дневной стороны и образует длинный язык, вероятно
выходящий за пределы орбиты Луны, – с противоположной, ночной стороны.
Граница 0магнитного поля Земли называется магнитопаузой. С дневной стороны
эта граница проходит на расстоянии около семи земных радиусов от
поверхности, но в периоды повышенной солнечной активности оказывается еще
ближе к поверхности Земли. Магнитопауза является одновременно границей
земной атмосферы, внешняя оболочка которой называется также магнитосферой,
так как в ней сосредоточены заряженные частицы (ионы), движение которых
обусловлено магнитным полем Земли.
Общий вес газов атмосферы составляет приблизительно 4,5Ч1015 т. Таким
образом, «вес» атмосферы, приходящийся на единицу площади, или атмосферное
давление, составляет на уровне моря примерно 11 т/м2.
Значение для жизни. Из сказанного выше следует, что Землю от межпланетного
пространства отделяет мощный защитный слой. Космическое пространство
пронизано мощным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца и еще
более жестким космическим излучением, и эти виды радиации губительны для
всего живого. На внешней границе атмосферы интенсивность излучения
смертоносна, но значительная его часть задерживается атмосферой далеко от
поверхности Земли. Поглощением этого излучения объясняются многие свойства
высоких слоев атмосферы и особенно происходящие там электрические явления.
Самый нижний, приземной слой атмосферы особенно важен для человека,
который обитает в месте контакта твердой, жидкой и газообразной оболочек
Земли. Верхняя оболочка «твердой» Земли называется литосферой. Около 72%
поверхности Земли покрыто водами океанов, составляющими б[pic]льшую часть
гидросферы. Атмосфера граничит как с литосферой, так и с гидросферой.
Человек живет на дне воздушного океана и вблизи или выше уровня океана
водного. Взаимодействие этих океанов является одним из важных факторов,
определяющих состояние атмосферы.
Состав. Нижние слои атмосферы состоят из смеси газов (см. табл.). Кроме
приведенных в таблице, в виде небольших примесей в воздухе присутствуют и
другие газы: озон, метан, такие вещества, как оксид углерода (СО), оксиды
азота и серы, аммиак.
|СОСТАВ АТМОСФЕРЫ |
|Газ |Содержание в сухом воздухе, % |
|N2 |азот |78,08 |
|O2 |кислород |20,95 |
|Ar |аргон |0,93 |
|CO2 |углекислый газ |0,03 |
|Ne |неон |0,0018 |
|He |гелий |0,0005 |
|Kr |криптон |0,0001 |
|H2 |водород |0,00005 |
|X |ксенон |0,000009 |
В высоких слоях атмосферы состав воздуха меняется под воздействием жесткого
излучения Солнца, которое приводит к распаду молекул кислорода на атомы.
Атомарный кислород является основным компонентом высоких слоев атмосферы.
Наконец, в наиболее удаленных от поверхности Земли слоях атмосферы главными
компонентами становятся самые легкие газы – водород и гелий. Поскольку
основная масса вещества сосредоточена в нижних 30 км, то изменения состава
воздуха на высотах более 100 км не оказывают заметного влияния на общий
состав атмосферы.
Энергообмен. Солнце является главным источником энергии, поступающей на
Землю. Находясь на расстоянии ок. 150 млн. км от Солнца, Земля получает
примерно одну двухмиллиардную часть излучаемой им энергии, главным образом
в видимой части спектра, которую человек называет «светом». Большая часть
этой энергии поглощается атмосферой и литосферой. Земля также излучает
энергию, в основном в виде длинноволновой инфракрасной радиации. Таким
образом, устанавливается равновесие между получаемой от Солнца энергией,
нагреванием Земли и атмосферы и обратным потоком тепловой энергии,
излучаемой в пространство. Механизм этого равновесия крайне сложен.
Пыль и молекулы газов рассеивают свет, частично отражая его в мировое
пространство. Еще большую часть приходящей радиации отражают облака. Часть
энергии поглощается непосредственно молекулами газов, но в основном –
горными породами, растительностью и поверхностными водами. Водяной пар и
углекислый газ, присутствующие в атмосфере, пропускают видимое излучение,
но поглощают инфракрасное. Тепловая энергия накапливается главным образом в
нижних слоях атмосферы. Подобный эффект возникает в теплице, когда стекло
пропускает свет внутрь и почва нагревается. Поскольку стекло относительно
непрозрачно для инфракрасной радиации, в парнике аккумулируется тепло.
Нагрев нижних слоев атмосферы за счет присутствия водяного пара и
углекислого газа часто называют парниковым эффектом.
Существенную роль в сохранении тепла в нижних слоях атмосферы играет
облачность. Если облака рассеиваются или возрастает прозрачность воздушных
масс, температура неизбежно понижается по мере того, как поверхность Земли
беспрепятственно излучает тепловую энергию в окружающее пространство. Вода,
находящаяся на поверхности Земли, поглощает солнечную энергию и испаряется,
превращаясь в газ – водяной пар, который выносит огромное количество
энергии в нижние слои атмосферы. При конденсации водяного пара и
образовании при этом облаков или тумана эта энергия освобождается в виде
тепла. Около половины солнечной энергии, достигающей земной поверхности,
расходуется на испарение воды и поступает в нижние слои атмосферы.
Таким образом, вследствие парникового эффекта и испарения воды атмосфера
прогревается снизу. Этим отчасти объясняется высокая активность ее
циркуляции по сравнению с циркуляцией Мирового океана, который прогревается
только сверху и потому значительно стабильнее атмосферы.
Помимо общего нагревания атмосферы солнечным «светом», значительное
прогревание некоторых ее слоев происходит за счет ультрафиолетового и
рентгеновского излучения Солнца.
Строение. По сравнению с жидкостями и твердыми телами, в газообразных
веществах сила притяжения между молекулами минимальна. По мере увеличения
расстояния между молекулами газы способны расширяться беспредельно, если им
ничто не препятствует. Нижней границей атмосферы является поверхность
Земли. Строго говоря, этот барьер непроницаем, так как газообмен происходит
между воздухом и водой и даже между воздухом и горными породами, но в
данном случае этими факторами можно пренебречь. Поскольку атмосфера
является сферической оболочкой, у нее нет боковых границ, а имеются только
нижняя граница и верхняя (внешняя) граница, открытая со стороны
межпланетного пространства. Через внешнюю границу происходит утечка
некоторых нейтральных газов, а также поступление вещества из окружающего
космического пространства. Большая часть заряженных частиц, за исключением
космических лучей, обладающих высокой энергией, либо захватывается
магнитосферой, либо отталкивается ею.
На атмосферу действует также сила земного притяжения, которая удерживает
воздушную оболочку у поверхности Земли. Атмосферные газы сжимаются под
действием собственного веса. Это сжатие максимально у нижней границы
атмосферы, поэтому и плотность воздуха здесь наибольшая. На любой высоте
над земной поверхностью давление воздуха равно весу вышележащего столба
атмосферы, приходящемуся на единицу площади. Поэтому с высотой давление
монотонно уменьшается; а поскольку оно находится в прямой связи с
плотностью, то и плотность воздуха уменьшается с высотой.
Если бы атмосфера представляла собой «идеальный газ» с не зависящим от
высоты постоянным составом, неизменной температурой и на нее действовала бы
постоянная сила тяжести, то давление уменьшалось бы в 10 раз на каждые 20
км высоты. Реальная атмосфера незначительно отличается от идеального газа
примерно до высоты 100 км, а затем давление с высотой убывает медленнее,
так как изменяется состав воздуха. Небольшие изменения в описанную модель
вносит и уменьшение силы тяжести по мере удаления от центра Земли,
составляющее вблизи земной поверхности ок. 3% на каждые 100 км высоты.
В отличие от атмосферного давления температура с высотой не понижается
непрерывно. Это происходит при поглощении солнечной ультрафиолетовой
радиации кислородом. При этом образуется газ озон, молекулы которого
состоят из трех атомов кислорода (О3). Он тоже поглощает ультрафиолетовое
излучение, и поэтому этот слой атмосферы, называемый озоносферой,
нагревается. Выше температура вновь понижается, так как там гораздо меньше
молекул газа, и соответственно сокращается поглощение энергии. В еще более
высоких слоях температура вновь повышается вследствие поглощения атмосферой
наиболее коротковолнового ультрафиолетового и рентгеновского излучения
Солнца. Под воздействием этого мощного излучения происходит ионизация
атмосферы, т.е. молекула газа теряет электрон и приобретает положительный
электрический заряд. Такие молекулы становятся положительно заряженными
ионами. Благодаря наличию свободных электронов и ионов этот слой атмосферы
приобретает свойства электропроводника. Полагают, что температура
продолжает повышаться до высот, где разреженная атмосфера переходит в
межпланетное пространство. На расстоянии нескольких тысяч километров от
поверхности Земли, вероятно, преобладают температуры от 5000° до 10 000° С.
Хотя молекулы и атомы имеют очень большие скорости движения, а
следовательно, и высокую температуру, этот разреженный газ не является
«горячим» в привычном смысле. Из-за мизерного количества молекул на больших
высотах их суммарная тепловая энергия весьма невелика.
Таким образом, атмосфера состоит из отдельных слоев (т.е. серии
концентрических оболочек, или сфер), выделение которых зависит от того,
какое свойство представляет наибольший интерес.
Тропосфера – нижний слой атмосферы, простирающийся до первого термического
минимума (т.н. тропопаузы). Верхняя граница тропосферы зависит от
географической широты (в тропиках – 18–20 км, в умеренных широтах – ок. 10
км) и времени года. Национальная метеорологическая служба США провела
зондирование вблизи Южного полюса и выявила сезонные изменения высоты
тропопаузы. В марте тропопауза находится на высоте ок. 7,5 км. С марта до
августа или сентября происходит неуклонное охлаждение тропосферы, и ее
граница на короткий период в августе или сентябре поднимается
приблизительно до высоты 11,5 км. Затем с сентября по декабрь она быстро
понижается и достигает своего самого низкого положения – 7,5 км, где и
остается до марта, испытывая колебания в пределах всего 0,5 км.
Именно в тропосфере в основном формируется погода, которая определяет
условия существования человека. Большая часть атмосферного водяного пара
сосредоточена в тропосфере, и поэтому здесь главным образом и формируются
облака, хотя некоторые из них, состоящие из ледяных кристаллов, встречаются
и в более высоких слоях. Для тропосферы характерны турбулентность и мощные
воздушные течения (ветры) и штормы. В верхней тропосфере существуют сильные
воздушные течения строго определенного направления. Турбулентные вихри,
подобные небольшим водоворотам, образуются под воздействием трения и
динамического взаимодействия между медленно и быстро движущимися воздушными
массами. Поскольку в этих высоких слоях облачности обычно нет, такую
турбулентность называют «турбулентностью ясного неба».
Стратосфера. Вышележащий слой атмосферы часто ошибочно описывают как слой
со сравнительно постоянными температурами, где ветры дуют более или менее
устойчиво и где метеорологические элементы мало меняются. Верхние слои
стратосферы нагреваются при поглощении кислородом и озоном солнечного
ультрафиолетового излучения. Верхняя граница стратосферы (стратопауза)
проводится там, где температура несколько повышается, достигая
промежуточного максимума, который нередко сопоставим с температурой
приземного слоя воздуха.
На основе наблюдений, проведенных с помощью самолетов и шаров-зондов,
приспособленных для полетов на постоянной высоте, в стратосфере установлены
турбулентные возмущения и сильные ветры, дующие в разных направлениях. Как
и в тропосфере, отмечаются мощные воздушные вихри, которые особенно опасны
для высокоскоростных летательных аппаратов. Сильные ветры, называемые
струйными течениями, дуют в узких зонах вдоль границ умеренных широт,
обращенных к полюсам. Однако эти зоны могут смещаться, исчезать и
появляться вновь. Струйные течения обычно проникают в тропопаузу и
проявляются в верхних слоях тропосферы, но их скорость быстро уменьшается с
понижением высоты. Возможно, часть энергии, поступающей в стратосферу
(главным образом затрачиваемой на образование озона), оказывает воздействие
на процессы в тропосфере. Особенно активное перемешивание связано с
атмосферными фронтами, где обширные потоки стратосферного воздуха были
зарегистрированы существенно ниже тропопаузы, а тропосферный воздух
вовлекался в нижние слои стратосферы. Значительные успехи были достигнуты в
изучении вертикальной структуры нижних слоев атмосферы в связи с
совершенствованием техники запуска на высоты 25–30 км радиозондов.
Мезосфера, располагающаяся выше стратосферы, представляет собой оболочку, в
которой до высоты 80–85 км происходит понижение температуры до минимальных
показателей для атмосферы в целом. Рекордно низкие температуры до –110° С
были зарегистрированы метеорологическими ракетами, запущенными с американо-
канадской установки в Форт-Черчилле (Канада). Верхний предел мезосферы
(мезопауза) примерно совпадает с нижней границей области активного
поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового
излучения Солнца, что сопровождается нагреванием и ионизацией газа.
В полярных регионах летом в мезопаузе часто появляются облачные системы,
которые занимают большую площадь, но имеют незначительное вертикальное
развитие. Такие светящиеся по ночам облака часто позволяют обнаруживать
крупномасштабные волнообразные движения воздуха в мезосфере. Состав этих
облаков, источники влаги и ядер конденсации, динамика и связь с
метеорологическими факторами пока еще недостаточно изучены.
Термосфера представляет собой слой атмосферы, в котором непрерывно
повышается температура. Его мощность может достигать 600 км. Давление и,
следовательно, плотность газа с высотой постоянно уменьшаются. Вблизи
земной поверхности в 1 м3 воздуха содержится ок. 2,5Ч1025 молекул, на
высоте ок. 100 км, в нижних слоях термосферы, – приблизительно 1019, на
высоте 200 км, в ионосфере, – 5Ч1015 и, по расчетам, на высоте ок. 850 км –
примерно 1012 молекул. В межпланетном пространстве концентрация молекул
составляет 108–109 на 1 м3.
На высоте ок. 100 км количество молекул невелико, и они редко сталкиваются
между собой. Среднее расстояние, которое преодолевает хаотически движущаяся
молекула до столкновения с другой такой же молекулой, называется ее средним
свободным пробегом. Слой, в котором эта величина настолько увеличивается,
что вероятностью межмолекулярных или межатомных столкновений можно
пренебречь, находится на границе между термосферой и вышележащей оболочкой
(экзосферой) и называется термопаузой. Термопауза отстоит от земной
поверхности примерно на 650 км.
При определенной температуре скорость движения молекулы зависит от ее
массы: более легкие молекулы движутся быстрее тяжелых. В нижней атмосфере,
где свободный пробег очень короткий, не наблюдается заметного разделения
газов по их молекулярному весу, но оно выражено выше 100 км. Кроме того,
под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца
молекулы кислорода распадаются на атомы, масса которых составляет половину
массы молекулы. Поэтому по мере удаления от поверхности Земли атомарный
кислород приобретает все большее значение в составе атмосферы и на высоте
ок. 200 км становится ее главным компонентом. Выше, приблизительно на
расстоянии 1200 км от поверхности Земли, преобладают легкие газы – гелий и
водород. Из них и состоит внешняя оболочка атмосферы. Такое разделение по
весу, называемое диффузным расслоением, напоминает разделение смесей с
помощью центрифуги.
Экзосферой называется внешний слой атмосферы, выделяемый на основе
изменений температуры и свойств нейтрального газа. Молекулы и атомы в
экзосфере вращаются вокруг Земли по баллистическим орбитам под воздействием
силы тяжести. Некоторые из этих орбит параболические и похожи на траектории
метательных снарядов. Молекулы могут вращаться вокруг Земли и по
эллиптическим орбитам, как спутники. Некоторые молекулы, в основном
водорода и гелия, имеют разомкнутые траектории и уходят в космическое
пространство.
ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ
На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим
миром. Но с тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное
вмешательство человека в природу резко усилилось, расширился объём этого
вмешательства, оно стало много образнее и сейчас грозит стать
глобальной опасностью для человечества. Расход невозобновимых видов
сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, так на
них строятся города и заводы. Человеку приходится все
больше вмешиваться в хозяйство биосферы - той части нашей планеты, в
которой существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается
нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько
наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает
экологическую ситуацию на планете. Наиболее масштабным и значительным
является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами
химической природы. Среди них - газообразные и аэрозольные загрязнители
промышленно-бытового происхождения. Прогрессирует и накопление углекислого
газа в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать
нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой температуры на
планете. Вызывает тревогу у экологов и продолжающееся загрязнение Мирового
океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее уже 11/5 его общей
поверхности. Нефтяное загрязнение таких размеров может вызвать
существенные нарушения газо и водообмена между гидросферой и атмосферой.
Не вызывает сомнений и значение химического загрязнения почвы пестицидами
и ее повышенная кислотность, ведущая к распаду экосистемы. В целом все
рассмотренные факторы, которым можно приписать загрязняющий эффект,
оказывают заметное влияние на процессы, происходящие в биосфере.
Промышленное загрязнение. Человек загрязняет атмосферу уже тысячелетиями,
однако последствия употребления огня, которым он пользовался весь этот
период, были незначительны. Приходилось мириться с тем, что дым мешал
дыханию, и что сажа ложилась черным покровом на потолке и стенах жилища.
Получаемое тепло было для человека важнее, чем чистый воздух и не
закопченные стены пещеры. Это начальное загрязнение воздуха не
представляло проблемы, ибо люди обитали тогда небольшими группами,
занимая неизмерно обширную нетронутую природную среду. И даже значительное
сосредоточение людей на сравнительно небольшой территории, как это было в
классической древности, не сопровождалось еще серьезными последствиями.
Так было вплоть до начала девятнадцатого века. Лишь за последние сто
лет развитие промышленности "одарило" нас такими производственными
процессами, последствия которых вначале человек еще не мог себе
представить. Возникли города-миллионеры, рост которых остановить нельзя.
Все это результат великих изобретений и завоеваний человека.
В основном существуют три основных источника загрязнения атмосферы:
промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каждого из этих
источников в общем, загрязнении воздуха сильно различается в зависимости от
места. Сейчас общепризнанно, что наиболее сильно загрязняет воздух
промышленное производство. Источники загрязнении - теплоэлектростанции,
которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ;
металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые
выбрасывают в воздухоксилы азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак,
соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и
цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания
топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта,
сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов. Атмосферные
загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в
атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних.
Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного
ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки
серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком
образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате
химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими
веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные
признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются
тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия,
котельные установки, потребляющие более 170% ежегодно добываемого твердого
и жидкого топлива. Вредными основными примесями пирогенного
происхождения являются следующие:
а) Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых
веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с
выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа
поступает в атмосферу не менее 1250 млн.т. Оксид углерода является
соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и
способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового
эффекта.
б) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серу содержащего
топлива или переработки сернистых руд (до 170 млн.т. в год). Часть
соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных
отвалах. Только в США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого
ангидрида составило 65 процентов от общемирового выброса.
в) Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида.
Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты
в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания
дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых
факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой
влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на
расстоянии менее 11 км. от таких предприятий, обычно бывают густо
усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания
капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной
металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу 1десятки
миллионов тонн серного ангидрида.
г) Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или
вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются
предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара,
коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере
при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному
окислению до серного ангидрида.
д) Оксиды азота. Основными источниками выброса являются предприятия,
производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые
красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидов
азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн.т. в год.
е) Соединения фтора. Источниками загрязнения являются
предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали,
фосфорных удобрений. Фторсодержащие вещества поступают в атмосферу в виде
газообразных соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция.
Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора
являются
сильными инсектицидами.
ж) Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических
предприятий, производящих соляную кислоту, хлорсодержащие пестициды,
органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В
атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты.
Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией. В
металлургической промышленности при выплавке чугуна и при переработке
его на сталь происходит выброс в атмосферу тяжелых различных металлов и
ядовитых газов. Так, в расчете на 11 т. 0передельного чугуна выделяется
кроме 12,7 кг. 0сернистого газа и 14,5 кг. 0пылевых частиц,
определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров
ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.
Загрязнение транспортными средствами. В последние десятилетия в связи
с быстрым развитием автотранспорта и авиации существенно увеличилась доля
выбросов, поступающих в атмосферу от подвижных источников:
грузовых и легковых автомобилей, тракторов, тепловозов и самолетов.
Согласно оценкам, в городах на долю автотранспорта приходится (в
зависимости т развития в данном городе промышленности и числа автомобилей)
от 30 до 70 % общей массы выбросов. В США в целом по стране, по крайней
мере, 40 % общей массы пяти основных загрязняющих веществ составляют
выбросы подвижных источников.
Автотранспорт. Основной вклад в загрязнение атмосферы вносят автомобили,
работающие на бензине (в США на их долю приходится около 75 %), затем
самолеты (примерно 5 %), автомобили с дизельными двигателями (около 4
%), тракторы и другие сельскохозяйственные машины (около 4 %),
железнодорожный и водный транспорт (примерно 2 %). К основным загрязняющим
атмосферу веществам, которые выбрасывают подвижные источники, (общее число
таких веществ превышает 40), относятся оксид углерода (в США его доля в
общей массе составляет около 70 %), углеводороды (примерно 19 %) и оксиды
азота (около 9 %). Оксид углерода (CO) и оксиды азота (N0x) поступают в
атмосферу только с выхлопными газами, тогда как не полностью сгоревшие
углеводороды (HnCm) поступают как вместе с выхлопными газами, (он
составляет примерно 60 % от общей массы выбрасываемых углеводородов), так
и из картера (около 20 %), топливного бака (около 10 %) и карбюратора
(примерно 10 %); твердые примеси поступают в основном с выхлопными газами
(90 %) и из картера (10 %).
Наибольшее количество загрязняющих веществ выбрасывается при разгоне
автомобиля, особенно при быстром, а также при движении с малой скоростью
(из диапазона наиболее экономичных). Относительная доля (от общей массы
выбросов) углеводородов и оксида углерода наиболее высока при торможении и
на холостом ходу, доля оксидов азота - при разгоне. Из этих данных следует,
что автомобили особенно сильно загрязняют воздушную среду при частых
остановках и при движении с малой скоростью.
Создаваемые в городах системы движения в режиме "зеленой волны",
существенно сокращающие число остановок транспорта на перекрестках,
призваны сократить загрязнение атмосферного воздуха в городах. Большое
влияние на качество и количество выбросов примесей оказывает режим работы
двигателя, в частности соотношение между массами топлива и воздуха, момент
зажигания, качество топлива, отношение поверхности камеры сгорания к ее
объему и др. При увеличении отношения массы воздуха и топлива, поступающих
в камеру сгорания, сокращаются выбросы оксида углерода и углеводородов, но
возрастает выброс оксидов азота.
Несмотря на то, что дизельные двигатели более экономичны, таких
веществ, как СО, HnCm, NOx, выбрасывают не более чем бензиновые, они
существенно больше выбрасывают дыма (преимущественно несгоревшего
углерода), который к тому же обладает неприятным запахом, создаваемым
некоторыми несгоревшими углеводородами. В сочетании же с создаваемым шумом
дизельные двигатели не только сильнее загрязняют среду, но и воздействуют
на здоровье человека гораздо в большей степени, чем бензиновые.
Авиатранспорт. Хотя суммарный выброс загрязняющих веществ
двигателями самолетов сравнительно невелик (для города, страны), в районе
аэропорта эти выбросы вносят определяющий вклад в загрязнение среды. К
тому же турбореактивные двигатели (так же как дизельные) при посадке и
взлете выбрасывают хорошо заметный на глаз шлейф дыма. Значительное
количество примесей в аэропорту выбрасывают и наземные передвижные
средства, подъезжающие и отъезжающие автомобили.
Согласно полученным оценкам, в среднем около 42 % общего расхода
топлива тратится на выруливание самолета к взлетно-посадочной полосе
(ВПП) перед взлетом и на заруливание с ВПП после посадки (по времени в
среднем около 22 мин). При этом доля несгоревшего и выброшенного в
атмосферу топлива при рулении намного больше, чем в полете. Помимо
улучшения работы двигателей (распыление топлива, обогащение смеси в зоне
горения, использование присадок к топливу, впрыск воды и др.),
существенного уменьшения выбросов можно добиться путем сокращения
времени работы двигателей на земле и числа работающих двигателей при
рулении (только за счет последнего достигается снижение выбросов в 3 - 8
раз).
В последние 10 - 15 лет большое внимание уделяется исследованию тех
эффектов, которые могут возникнуть в связи с полетами сверхзвуковых
самолетов и космических кораблей. Эти полеты сопровождаются
загрязнением стратосферы оксидами азота и серной кислотой (сверхзвуковые
самолеты), а также частицами оксида алюминия (транспортные космические
корабли). Поскольку эти загрязняющие вещества разрушают озон, то
первоначально создалось мнение (подкрепленное соответствующими модельными
расчетами), что планируемый рост числа полетов сверхзвуковых самолетов и
транспортных космических кораблей приведет к существенному уменьшению
содержания озона со всеми губительными последующими воздействиями
ультрафиолетовой радиации на биосферу Земли. Однако более глубокий подход
к этой проблеме позволил сделать заключение о слабом влиянии выбросы
сверхзвуковых самолетов на состояние стратосферы. Так, при современном
числе сверхзвуковых самолетов и выбросе загрязняющих веществ на высоте
около 16 км относительное уменьшение содержания О3 может составить примерно
0.60; если их число возрастет до 200 и высота полета будет близка к 20 км,
то относительное уменьшение содержания О3 может подняться до 17%.
Глобальная приземная температура воздуха за счет парникового эффекта,
создаваемого выбросами сверхзвуковыми самолетами может повыситься не более
чем на 0,1(C/
Более сильное воздействие на озонный слой и глобальную температуру
воздуха могут оказать хлорфторметаны (ХФМ0 фреон-11 и фреон-12 ( газы,
образующиеся в частности, при испарении аэрозольных препаратов, которые
используются (преимущественно женщинами) для крашения волос. Поскольку ХФМ
очень инертны, то они распространяются и долго живут не только в
тропосфере, но и в стратосфере. Обладая довольно сильными полосами
поглощения в окне прозрачности атмосферы (8-12 мкм), фреоны усиливают
парниковый эффект. Наметившееся в последние десятилетия темпы роста
производства фреонов могут привести к увеличению содержания фреона-11 и
фреона-12 в 2030 г. до 0,8 и 2,3 млрд. (при современных значениях 0,1 и 0,2
млрд.). Под влиянием такого количества фреонов общее содержание озона в
атмосфере уменьшится на 18%, а в нижней стратосфере даже на 40; глобальная
приземная температура возрастет на 0,12-0,21(С.
В заключение можно отметить, что все эти антропогенные эффекты
перекрываются в глобальном масштабе естественными факторами, например,
загрязнением атмосферы вулканическими извержениями.
ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
Проблема загрязнения воздуха в городах и общее ухудшение качества
атмосферного воздуха вызывает серьезную озабоченность. Для оценки уровня
загрязнения атмосферы в 506 городах России создана сеть постов
общегосударственной службы наблюдений и контроля за загрязнением атмосферы
как части природной среды. На сети определяется содержание в атмосфере
вредных различных веществ, поступающих от антропогенных источников
выбросов. Наблюдения проводятся сотрудниками местных организаций
Госкомгидромета, Госкомэкологии, Госсанэпиднадзора, санитарно-промышленных
лабораторий различных предприятий. В некоторых городах наблюдения
проводятся одновременно всеми ведомствами. Контроль качества атмосферного
воздуха в населенных пунктах организуется в соответствии с ГОСТом 17.2.3.01-
86 «Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населенных
пунктов», для чего устанавливают три категории постов наблюдений за
загрязнением атмосферы: стационарный, маршрутный, передвижной или
подфакельный. Стационарные посты предназначены для обеспечения непрерывного
контроля за содержанием загрязняющих веществ или регулярного отбора проб
воздуха для последующего контроля, для этого в различных районах города
устанавливаются стационарные павильоны, оснащенные оборудованием для
проведения регулярных наблюдений за уровнем загрязнения атмосферы.
Регулярные наблюдения проводятся и на маршрутных постах, с помощью
оборудованных для этой цели автомашин. Наблюдения на стационарных и
маршрутных постах в различных точках города позволяет следить за уровнем
загрязнения атмосферы. В каждом городе проводят определения концентраций
основных загрязняющих веществ, т.е. тех, которые выбрасываются в атмосферу
почти всеми источниками: пыль, оксиды серы, оксиды азота, оксид углерода и
др. Кроме того, измеряются концентрации веществ, наиболее характерных для
выбросов предприятий данного города. Для изучения особенностей загрязнения
воздуха выбросами отдельных промышленных предприятий проводятся измерения
концентраций с подветренной стороны под дымовым факелом, выходящим из труб
предприятия на разном расстоянии от него. Подфакельные наблюдения
проводятся на автомашине или на стационарных постах. Чтобы детально
ознакомиться с особенностями загрязнения воздуха, создаваемого
автомобилями, проводятся специальные обследования вблизи магистралей.
Химические методы отчистки от газо- и парообразных выбросов в
атмосферу. Процессы очистки технологических и вентиляционных выбросов
машиностроительных предприятий от газо- и парообразных примесей
характеризуются рядом особенностей: во-первых, газы, выбрасываемые в
атмосферу, имеют достаточно высокую температуру и содержат большое
количество пыли, что существенно затрудняет процесс газоочистки и требует
предварительной подготовки отходящих газов; во-вторых, концентрация
газообразных и парообразных примесей чаще в вентиляционных и реже в
технологических выбросах обычно переменна и очень низка.
Методы очистки промышленных выбросов от газообразных примесей по
характеру протекания физико-химических процессов делятся на четыре группы:
промывка выбросов растворителями примеси (метод абсорбции); промывка
выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически (метод
хемосорбции); поглощение газообразных примесей твердыми активными
веществами (метод адсорбции); поглощение примесей путем применения
каталитического превращения.
Метод абсорбции. Этот метод заключается в разделении газо-воздушной
смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых
компонентов этой смеси поглотителем (называемых абсорбентом) с образованием
раствора. Поглощаемую жидкость (абсорбент) выбирают из условия
растворимости в ней поглощаемого газа, температуры и парциального давления
газа над жидкостью. Решающим условием при выборе абсорбента является
растворимость в нем извлекаемого компонента и ее зависимость от температуры
и давления. Если растворимость газов при 0° С и парциальном давлении 101,3
кПа составляет сотни граммов на 1 кг растворителя, то такие газы называются
хорошо растворимыми.
Для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак,
хлористый или фтористый водород, целесообразно применить в качестве
поглотительной жидкости воду, т. к. растворимость их в воде составляет
сотни граммов на 1 кг воды. При поглощении же из газов сернистого ангидрида
или хлора расход воды будет значительным, т. к. растворимость их составляет
сотые доли грамма на 1 кг воды. В некоторых специальных случаях вместо воды
применяют водные растворы таких химических веществ, как серная кислота (для
улавливания водяных паров), вязкие масла (для улавливания ароматических
углеводородов из коксового газа) и др. Применение абсорбционных методов
очистки, как правило, связано с использованием схем, включающих узлы
абсорбции и десорбции. Десорбция растворенного газа (или регенерация
растворителя) производится либо снижением общего давления (или парциального
давления) примеси, либо повышением температуры, либо использованием обоих
приемов одновременно. В зависимости от конкретных задач применяются
абсорбенты различных конструкций: пленочные, насадочные, трубчатые и др.
Наибольшее распространение получили скрубберы, представляющие собой
насадку, размещенную в полости вертикальной колонны. В качестве насадки,
обеспечивающей большую поверхность контакта газа с жидкостью, обычно
используются кольца Ролинга, кольца с перфорированными стенками и др.
материалы.
Метод хемосорбции. Основан на поглощении газов и паров твердыми или
жидкими поглотителями с образованием мало летучих или малорастворимых
химических соединений.
Примером хемосорбции может служить очистка газо-воздушной смеси от
сероводорода путем применения мышьяково-щелочного, этаноламинового и других
растворов. При мышьяково-щелочном методе извлекаемый из отходящего газа
сероводород связывается окси-сульфомышьяковой солью, находящейся в водном
растворе.
Методы абсорбции и хемосорбции, применяемые для очистки промышленных
выбросов, называются мокрыми методами. Преимущество абсорбционных методов
заключается в возможности экономической очистки большого количества газов и
осуществления непрерывных технических процессов.
Основной недостаток мокрых методов состоит в том, что перед очисткой
и после ее осуществления сильно понижается температура газов, что приводит
в конечном итоге к снижению эффективности рассеивания остаточных газов в
атмосфере.
Метод адсорбции основан на физических свойствах некоторых твердых тел
с ультрамикроскопической пористостью селективно извлекать и концентрировать
на своей поверхности отдельные компоненты из газовой смеси. В пористых
телах с капиллярной структурой поверхностное поглощение дополняется
капиллярной конденсацией. Наиболее широко в качестве адсорбента
используется активированный уголь. Он применяется для очистки газов от
органических паров, удаления неприятных запахов и газообразных примесей,
содержащихся в промышленных выбросах, а также летучих растворителей и
целого ряда других газов. В качестве адсорбентов применяются также простые
и комплексные оксиды (активированный глинозем, силикагель, активированный
оксид алюминия, синтетические цеолиты или молекулярные сита), которые
обладают большей селективной способностью, чем активированные угли. Однако
они не могут использоваться для очистки очень влажных газов. Некоторые
адсорбенты иногда пропитываются соответствующими реактивами, повышающими
эффективность адсорбции, т. к. на поверхности адсорбента происходит
хемосорбция. В качестве таких реактивов могут быть использованы растворы,
которые за счет химических реакций превращают вредную примесь в безвредную.
Конструктивно адсорбенты выполняются в виде вертикальных,
горизонтальных либо кольцевых емкостей, заполненных пористым адсорбентом,
через который фильтруется поток очищаемого газа.
Выбор конструкции определяется скоростью газовой смеси, размером частиц
адсорбента, требуемой степенью очистки и рядом других факторов.
Вертикальные адсорбенты, как правило, находят применение при небольших
объемах очищаемого газа; горизонтальные и кольцевые — при высокой
производительности, достигающей десятков и сотен тысяч мУч.
Фильтрация газа происходит через неподвижный (адсорберы периодического
действия) или движущийся слой адсорбента. Наибольшее распространение
получили адсорберы периодического действия, в которых период
контактирования очищаемого газа с твердым адсорбентом чередуется с периодом
регенерации адсорбента.
Установка периодического действия (с неподвижным слоем адсорбента)
отличается конструктивной простотой, но имеет низкие допускаемые скорости
газового потока и, следовательно, повышенную металлоемкость и громоздкость.
Процесс очистки в таких аппаратах носит периодический характер, т.е.
отработанный, потерявший активность поглотитель время от времени заменяют
либо регенерируют. Существенным недостатком таких аппаратов являются
большие энергетические затраты, связанные с преодолением гидравлического
сопротивления слоя адсорбента. Движение адсорбента в плотном слое под
действием силы тяжести или в восходящем потоке очищаемого воздуха
обеспечивает непрерывность работы установки. Такие методы позволяют более
полно, чем при проведении процесса с неподвижным слоем адсорбента,
использовать адсорбционную способность сорбента, организовать процесс
десорбции, а также упростить условия эксплуатации оборудования. В качестве
недостатка этих методов следует отметить значительные потери адсорбента за
счет ударов частиц друг о друга и стирания о спинки аппарата.
Каталитический метод. Этим методом превращают токсичные компоненты
промышленных выбросов в вещества безвредные или менее вредные для
окружающей среды путем введения в систему дополнительных веществ,
называемых катализаторами. Каталитические методы основаны на взаимодействии
удаляемых веществ с одним из компонентов, присутствующих в очищаемом газе,
или со специально добавленным в смесь веществом на твердых катализаторах.
Действие катализаторов проявляется в промежуточном (поверхностном
химическом) взаимодействии катализатора с реагирующими соединениями, в
результате которого образуются промежуточные вещества и регенерированный
катализатор.
Методы подбора катализаторов отличаются большим разнообразием, но все
они базируются в основном на эмпирических или полуэмпирических способах. Об
активности катализаторов судят по количеству продукта, получаемого с
единицы объема катализатора, или по скорости каталитических процессов, при
которых обеспечивается требуемая степень превращения. В большинстве случаев
катализаторами могут быть металлы или их соединения (платина и металлы
платинового ряда, оксиды меди и марганца и т. д.). Для осуществления
каталитического процесса необходимы незначительные количества катализатора,
расположенного таким образом, чтобы обеспечивать максимальную поверхность
контакта с газовым потоком. Катализаторы обычно выполняются в виде шаров,
колец или проволоки, свитой в спираль.
В последние годы каталитические методы очистки нашли применение для
нейтрализации выхлопных газов автомобилей. Для комплексной очистки
выхлопных газов — окисления продуктов неполного сгорания и восстановления
оксида азота — применяют двухступенчатый каталитический нейтрализатор.
В качестве восстановительного катализатора применяют арсениды металлов
(медно-никелевый сплав) или катализатор из благородных металлов (например,
платина на глиноземе). После восстановленного катализатора к отработавшим
газам для создания окисной среды через патрубок 3 подводится вторичный
воздух. На окислительном катализаторе происходит нейтрализация продуктов
неполного сгорания — оксида углерода и углеводородов:
Для окислительных процессов применяют катализатор из переходных металлов
(медь, никель, хром и др.). Содержание оксида углерода в выхлопных газах
автомобиля с нейтрализатором снижается почти в 10 раз, а углеводород — 8
раз. Широкому применению каталитических нейтрализаторов препятствует
использование бензина, который содержит определенное количество свинца.
Свинец дезактивирует катализаторы в течение 100—200 ч.
Термический метод. Достаточно большое развитие в отечественной
практике нейтрализации вредных примесей, содержащихся в вентиляционных и
других выбросах, имеет высокотемпературное дожигание (термическая
нейтрализация). Для осуществления дожигания (реакции окисления) необходимо
поддержание высоких температур очищаемого газа и наличие достаточного
количества кислорода.
Одним из простейших устройств, используемых для огневого
обезвреживания технологических и вентиляционных выбросов, является горелка,
предназначенная для сжигания природного газа.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На пороге III тысячелетия нет необходимости доказывать остроту и
масштабность, а значит, и опасность сложившейся в мире экологической
ситуации. Виновником экологического кризиса на Земле стал человек. Он же
является как субъектом, так и объектом последнего. Никакому иному
биологическому виду не удалось уничтожить столь большое число других видов,
необратимо изменить экологическую ситуацию на планете. Но нельзя остановить
продвижение человечества вперед, вряд ли возможен отказ от создаваемой им
искусственной биосферы, от созданных им условий жизни. Что делать? Какими
путями двигаться человечеству дальше? Какие приоритеты считать основными?
Что важнее экология или научно – технический прогресс? Проблема выживания,
проблема сохранения естественной биосферы может быть решена только путем
компромиссов и поисков оптимальных решений, выход в коэволюции (совместной,
взаимосвязанной эволюции биосферы и человеческого общества). Выживание
человека в условиях глобального экологического кризиса, несомненно, зависит
от научных знаний, внедрения в практику новых технических достижений. Но
эти достижения не смогут принести ожидаемых результатов без опоры на
нравственное воспитание и определенные культурные традиции. К сожалению,
осознание важности экологического образования и воспитания пришло лишь в
последние годы. В тоже время технократические установки настолько сильны,
что выход из экологического кризиса по-прежнему ищется в привычных путях:
создание «экологически чистых» производств, принятие природоохранных
законов, контроль за производством и т. п., - иными словами, коль скоро
экологический кризис порожден техническим прогрессом, то надо просто внести
соответствующие коррективы в направление этого прогресса. Экологический
кризис мыслится как нечто внешнее по отношению к человеку, а не как-то, что
заключено в нем самом.