Состав и строение атмосферы Атмосфера Земли гипотеза

Состав и строение атмосферы

Атмосфера Земли (гипотеза) • Первичная атмосфера: водород и гелий, захваченные из межпланетного пространства. • Вторичная восстановительная атмосфера: насыщение атмосферы (в результате вулканической деятельности) углеводородами, аммиаком и водяным паром. • Третичная атмосфера: больше азота, меньше водорода из за утечки в межпланетное пространство, химические взаимодействия под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов. • Современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами.

Состав атмосферы Земли № Наименования компонентов атмосферы Фоновые содержания, об. % 1 азот 78, 09 2 кислород 20, 94 3 аргон 0, 93 4 диоксид углерода 5 неон, гелий, ксенон 6 озон 10 -6 7 оксид углерода 10 -5 0, 1 года 8 метан 1, 6 10 -4 3, 6 года 3, 3 10 -2 криптон, Время пребывания примесей в естественной атмосфере (по Brimblecombe, 1986) 4 года 1, 8 10 -3; 5, 2 10 -4; 8 10 -6

Состав атмосферы Земли Компоненты с долгим временем пребывания имеют сравнительно высокие концентрации по всей земной атмосфере Компоненты с коротким временем пребывания обычно обнаруживаются локально (вовлекаются в химические или физические процессы)

Состав атмосферы Земли Водяной пар. Содержание варьирует: в тропиках доходит до ~4 об %, в Антарктиде не превышает 2 10 5 об %). Основная масса содержится в нижних слоях атмосферы (до 6 км), выше содержатся в мизерных количествах: на высоте 18 км над экватором содержание воды лишь ~10 6 %. Из за большой теплоемкости и способности поглощать ИК излучение пары воды играют важную роль в поддержании температуры приземной атмосферы. Значительные суточные перепады температуры в пустыне (днем жарко, ночью холодно) обуславливаются именно малым содержанием паров воды в атмосфере.

Состав атмосферы Земли Пыль. Природными источниками аэрозолей пыли являются действующие вулканы, ветровая эрозия почв, биологические процессы (пыльца растений), лесные пожары, выносы с поверхностей морей, океанов, тела из космического пространства и т. д. Ежегодный привнос твердых частиц в атмосферу от природных источников, в Гтонн: океан – 1500 (морская соль), почва – 750 (пыль), вулканы – 50 (пыль), лесные пожары – 35 (сажа), космическое пространство – 1 (метеориты).

Роль атмосферы Земли Непрерывный обмен газами и др. химическими соединениями, водой, теплом и др. экологическими факторами между атмосферой и др. резервуарами Земли (гидро и литосферами) связан с циркуляционной и циклонической деятельностью природы. Защита живых организмов Земли от губительного влияния космических излучений, ударов метеоритов, регулировании и выравнивании сезонных и суточных температурных колебаний. Если бы атмосферы не существовало, перепады суточной температуры у поверхности Земли могли бы достигать ± 200 °С. Влияние атмосферных процессов (фотосинтез и др. ) на характер и динамику процессов выветривания, режима природных вод, мерзлоты и ледников в, происходящих в литосфере и гидросфере.

Строение атмосферы

Строение атмосферы: тропосфера • Тропосфера – приземный слой, который имеет непосредственное и решающее значение для погоды и климата у земной поверхности. Ø Высота в полярных широтах составляет 8 км, над экватором 16 18 км. Ø Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом ( 6, 45)о/км. Средняя годовая температура у земной поверхности на экваторе около (+26)°, на северном полюсе ( 23)°; на верхней границе тропосферы над экватором ( 70)°, над северным полюсом зимой ( 65)°, а летом около ( 5)°. Ø Давление воздуха на верхней границе тропосферы в 5 8 раз меньше соответственно ее высоте, чем у земной поверхности.

Строение атмосферы: тропосфера • Тропосфера содержит более 80 % всей массы атмосферы и ~90 % ее водяного пара. • Солнечная энергия нагревает поверхность Земли, от нее нагревается приземный слой атмосферы, в связи с чем в тропосфере сильно развита турбулентность и конвекция, возникают облака, циклоны и антициклоны. • Охлаждение температуры с высотой тропосферы обусловлено уменьшением содержания паров воды.

Строение атмосферы: контур тропопаузы Тропопауза – переходный слой между турбулентной тропосферой и спокойной стратосферой. В ней: v прекращается снижение температуры; v образуются быстро движущиеся ветры, "реактивные потоки" ( jet streams). v в субтропиках наблюдаются разрывы тропопаузы, обусловленные мощными струйными течениями. Тропопауза над отдельными районами часто разрушается и формируется заново v толщина составляет от нескольких сотен метров до 2 3 км, высота зависит от времени года и циклонической деятельности: летом расположена выше, чем зимой, в циклонах она ниже, антициклонах выше.

Строение атмосферы: стратосфера • Основной слой • Основание стратосферы расположен на расположено на высотах 25 55 км; высотах от (8 18) до 25 км; • температура в постепенно основании повышается, стратосферы достигнув на высоте остается постоянной ~40 км значения на уровне ( 56) 0 С. почти 0°C (~273 К)

Состав стратосферы • Состав воздуха в стратосфере практически такой же, как и в тропосфере, но есть существенное отличие, проявляющееся в повышенном содержании озона. • На высотах 15 25 км концентрация озона (1012 1013) молекул/см 3. • Максимум относительного содержания озона (в среднем лишь 6 7 молекул на миллион молекул воздуха) фиксируется на высотах ~ 35 км; приведенная (к н. у. ) толщина всего озонового слоя равна 3 мм.

Состав стратосферы • В стратосфере под воздействием солнечной радиации молекулы газов воздуха начинают активно вовлекаться в процессы ионизации, что наблюдается в виде зарниц, северных сияний и других свечений. • Содержание водяных паров в стратосфере ничтожно мало, тем не менее, в высоких широтах на уровне 20 25 км наблюдаются очень тонкие перламутровые облака (переохлажденные водяные капельки), кажущиеся светящимися ночью, так как освещаются солнцем, находящимся под горизонтом.

Стратосферные перламутровые облака • Формируются редко на высотах 15 25 км при температурах ниже – 78°. Для наблюдений требуются прояснения в тропосферной облачности. • Их можно увидеть сразу после захода Солнца, либо незадолго до его восхода. В то время как тропосферные облака все еще находятся в земной тени и выделяются темными силуэтами на фоне зари, перламутровые облака, благодаря большей высоте над землей, уже освещаются Солнцем. Яркую перламутровую гамму дают мелкие кристаллы H 2 O и HNO 3, H 2 SO 4 преломляя солнечные лучи. • По химическому составу перламутровые облака делятся на три типа: Ia, Ib, II: Iа состоит из кристаллов HNO 3 и H 2 O; Ib из переохлажденных капель H 2 SO 4; II исключительно из кристаллов воды.

Строение атмосферы: стратопауза Стратопауза граница между стратосферой и мезосферой; толщина стратопаузы 10 15 км; температура в стратопаузе остаётся постоянной на уровне ( 2) ОС.

Строение атмосферы: мезосфера • Мезосфера (~ 0, 3 % массы атмосферы) расположена на высотах 55 85 км: Ø температура понижается от ( 2)о. С до самой холодной в атмосфере – ( 90)0 С; Ø на верхней границе мезосферы давление воздуха в 200 раз меньше, чем у земной поверхности; Ø газовый состав, как и расположенных ниже атмосферных слоев, постоянен и содержит ~ 80% N 2 и ~20% O 2; Ø содержание O 3 и паров Н 2 О меньше чем в стратосфере.

Строение атмосферы: мезосфера Ø в мезосфере с высотой, из за быстрого падения температуры, развита турбулентность; Ø на уровнях высот 75 90 км наблюдаются самые высокие «светящиеся ночью» серебристые облака, состоящие из ледяных кристаллов; в ясную погоду их можно видеть при закате солнца; Ø метеоры в мезосфере начинают светиться и, как правило, полностью сгорают.

Строение атмосферы: термосфера Термосфера (~ 0, 05 % массы атмосферы) расположена выше 85 км. Ø характеризуется очень низкой плотностью и ничтожным количеством молекул газов (менее 0, 5%), но высокой концентрацией ионов и свободных электронов; Ø на высотах свыше 120 км турбулентное перемешивание компонентов заметно ослабевает и отдельные атомы начинают разделяться под действием гравитации: атомарный кислорода (О) и азота (N) концентрируются на нижней, а более легкие атомы (H) и (He) – на верхней границе слоя.

Строение атмосферы: термосфера Ø на высотах 200 500 км в термосфере происходит ионизация газов; Ø на высоте 320 км концентрация заряженных частиц (О+2, О− 2, N+2) составляет ~ 1/300 от концентрации нейтральных частиц, присутствуют также радикалы ОН • , НО 2 • и др. ; Ø благодаря ионосфере на Земле обеспечивается устойчивая радиосвязь на больших расстояниях; Ø в термосфере из за малых концентраций атомных и молекулярных частиц можно говорить только о кинетической температуре, закономерно возрастающей с высотой.

Строение атмосферы: экзосфера Экзосфера. Выше 700 км атмосфера переходит в экзосферу и постепенно в межпланетное пространство. Ø вследствие чрезвычайной разреженности экзосферы, атомы и ионы могут облетать Землю по эллиптическим орбитам, не сталкиваясь между собою; отдельные из них преодолевают силы тяжести и рассеиваются из атмосферы Земли в мировое пространство.

Строение атмосферы: экзосфера В экзосфере рассеиваются преимущественно атомы (Н) как основные ее составляющие. Водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся выше 20 тыс. км. Плотность земной короны ничтожно мала: в среднем всего частиц ~ 1000/см 3 (в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере, в десять раз меньше). Околоземное космическое пространство – радиационный пояс, состоящий из движущихся с очень большими скоростями протонов и электронов с энергией порядка сотен тысяч электрон вольт, распростирается на десятки тысяч километров от земной поверхности. Радиационный пояс постоянно теряет частицы в земной атмосфере и пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации.

Тема: Загрязнение атмосферы План темы: 1. Загрязнение атмосферы; источники (природные и антропогенные); классификация форм загрязняющих веществ. Влияние на организмы и геосферы. 2. Химический состав загрязнителей атмосферы городов. 3. Реестр потенциально токсичных химических веществ. 4. Методы определения объемов выбросов в атмосферу. 5. Выбросы и обезвреживание выбросов в отраслях экономики России

Загрязнение атмосферы Под загрязнением атмосферы понимают привнесение в нее новых нехарактерных химических соединений и аэрозолей (диспергированных частиц) или изменение их среднемноголетних содержаний в значения, превышающие фоновые концентрации.

Виды аэрозолей К аэрозолям относится пыль, дым, туман, мгла, смог. Пыль – это дисперсная система, состоящая из твердых частиц, образующихся при размоле, перегрузке сыпучих материалов, взрыве, механической обработке твердых тел и т. д. В составе пыли преобладают: Si. O 2, Аl 2 О 3, Са. О, Мg. О, С, К 2 О, Na 2 О, Рb. О 2, Zn. О, Fe 2 O 3, Sе. О 2 и Аs 2 O 3. Мелкие частицы пыли потоком воздуха переносятся ветром на большие расстояния. Дым – дисперсная система, состоящая из твердых частиц, образующихся в процессе горения угля, нефти, древесины др. материалов.

Виды аэрозолей Туман – дисперсная система, состоящая из капель жидкости (Н 2 О, углеводороды и т. п. ), образующихся при диспергировании жидкости в газе или при конденсации паров жидкости. Мгла – дисперсная система, состоящая из твердых частиц, паров и капель воды. Смог – дисперсная система, состоящая из дыма и тумана. Смог содержит также продукты фотохимической реакции.

Атмосферные загрязнения оказывают интенсивное воздействие на: ü организмы (вызывая заболевания: рак легких, горла и кожи, расстройство центральной нервной системы, аллергия, ОРЗ, дефекты у новорожденных и многие др. ), ü гидросферу (изменение качественного состава, гидрологического режима и т. д. ),

Атмосферные загрязнения оказывают интенсивное воздействие на: ü почвенно растительный покров (вымывание кальция, гумуса и микроэлементов из почв; нарушение процессов фотосинтеза, приводящих к замедлению роста и гибели растений), ü геологическую среду (выветривание горных пород, ухудшение качества несущих грунтов), ü техногенные объекты: здания, сооружения и т. д. (химическое разрушение)

Источники загрязнения атмосферы • Природные: извержения вулканов, пыльные бури, лесные пожары, пыль космическая, частицы морской соли, продукты растительного, животного и микробиологического происхождения Уровень такого загрязнения изменяется со временем мало и рассматривается как фоновое

Источники загрязнения атмосферы К глобальному и долговременному загрязнению атмосферы приводили крупные извержения вулканов: v Пинабуто на Филиппинах в 1991 г. , v Эйяфьятлайокудль на юге Исландии в 2010 г. 14 апреля было эвакуировано около 800 человек, из за выбросов вулканического пепла ряд стран на севере Европы вынуждены были закрыть аэропорты на 2 3 недели.

Источники антропогенного загрязнения атмосферы • Сжигание горючих ископаемых (содержание СО 2 в период 1860 1960 гг. увеличилось на 18 % (с 0, 027 до 0, 032 %), в последние десятилетия XX в. достигло не менее 0, 05 %. • Сжигание высокосернистых углей (источник SO 2 и кислотных дождей).

Источники антропогенного загрязнения атмосферы • Турбореактивные самолеты (выхлопы оксидов азота), • Поступление хлорфторуглеводородов, ХФУ, из аэрозолей (повреждение озоносферы); • Дымовые газы факельных печей (источник самого массового загрязнителя – СО);

Источники антропогенного загрязнения атмосферы • Транспортные средства (выхлопы оксидов азота, приводящих к появлению смога); • Промышленные предприятия (источники взвешенных частиц при измельчении и фасовке продукции, сжигании мусора, разработке карьеров) и др.

Природные фотохимические процессы способны: • перерабатывать загрязняющие вещества атмосферы, • поддерживать равновесие в биосфере, если только привнесение их не превышает определенного предела.

Классификация типов загрязнений: 1. Вещественные (ингредиентные): механические, химические и биологические загрязнения, которые обычно объединяют общим понятием «примеси» ; 2. Энергетические (параметрические) это тепловые, акустические, электромагнитные и ионизирующие излучения, а также излучения оптического диапазона; 3. Вещественно-энергетические – это радионуклиды.

Химический состав загрязнений атмосферы городов: • пыль, сернистый газ, оксид углерода, диоксид азота, сероводород и др. соединения; • специфические вредные вещества, как серная и соляная кислота, стирол, бенз(а)пирен, сажа, марганец, хром, свинец, метилметакрилат и др. Всего в городах насчитывается несколько сотен различных загрязнителей воздуха.

В международный реестр потенциально токсичных химических веществ внесены: • органические загрязнители (акрил, нитрил, бензол, формальдегид, стирол, толуол, винилхлорид); • тяжелые металлы (As, Cd, Cr, Pb, Mn, Hg, Ni, V); • асбест, техногенные радионуклиды.

Классы опасности вредных веществ (по степени воздействия на организм) В основу классификации положены такие показатели, как токсичность, кумулятивность, способность вызывать отдаленные побочные явления. Примеры классификации неорганических и органических веществ, загрязняющих водоемы хозяйственно питьевого и культурно бытового назначения:

Классы опасности вредных веществ (по степени воздействия на организм) I класс – чрезвычайно опасные вещества (ртуть, бериллий, фосфор; бензапирен, тераэтилсвинец, диэтилртуть и др. ) II класс – высоопасные вещества (кадмий, мышьяк, свинец, барий, бром, алюминий, бор, цианиды, роданиды, нитриты; дифенил, алкиланилин, ампициллин, винилхлорид, формальдегид, анилин, циклогексан, пиридин, бензол, метанол и др. )

Классы опасности вредных веществ (по степени воздействия на организм) III класс – опасные вещества (хром, ванадий, железо, медь, цинк, сульфиды, аммиак, нитраты; дифениламин, белково витаминный концентрат (БВК), бензин, стирол, бутилен, этилен, ацетон и др. ) IV класс – умеренно опасные вещества (фосфат кальция, хлориды, сульфаты; метилмеркаптан, фенол, гексахлор этан, керосин, нафталин, толуол, олнфинсульфонаты, карбоновые кислоты, алкилсульфонаты, нефть и др. )

Классы опасности отходов (по степени возможного вредного воздействия на ОПС) В 2001 г. Минприроды России утверждены «Критерии отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды» : 1 -й класс – чрезвычайно опасные отходы, обладающие очень высокой степенью вредного воздействия на ОПС; критерием отнесения – необратимое нарушение экологической системы (период восстановления отсутствует);

Классы опасности отходов (по степени возможного вредного воздействия на ОПС) • II-й класс – высокоопасные отходы, экологическая система сильно нарушена. Период восстановления не менее 30 лет после полного устранения источника вредного воздействия; • III класс – умеренно опасные , экологическая система нарушена. Период восстановления не менее 10 лет после снижения вредного воздействия от существующего источника;

Классы опасности отходов (по степени возможного вредного воздействия на ОПС) • IV класс – малоопасные, экологическая система нарушена. Период самовосстановления не менее 3 х лет; • V класс - практически неопасные, экологическая система практически не нарушена.

Методы определения объемов выбросов • Выбросы от стационарных источников (установка, устройство, аппарат и т. п. ) отслеживаются на основании отчетности лабораторных исследований. • Выбросы от передвижных источников (автотранспорта) определяются расчетным путем на основе типовых испытаний по показателям токсичности и топливной экономичности, скорректированных с учетом конструкции автотранспортных средств и условий их эксплуатации.

Выбросы, улавливание, обезвреживание и использование веществ, загрязняющих атмосферу России, млн. тонн, 1985 -2003. • • Оживление экономики в период с 1999 г. по 2002 г. сопровождалось началом роста выбросов от автотранспорта (на 22%), и, в меньшей степени, от стационарных источников (на 5, 9%). Спад промышленного производства (1990 1995 г. ) приводил: Ø к сокращению выбросов от стационарных источников на 40, 5%, от передвижных – на 47, 6%; Ø объем уловленных и обезвреженных загрязняющих веществ уменьшился на 44, 5%, утилизированных – на 47, 3%.

Отрасли экономики существенно различаются по объемам антропогенных выбросов. В 2003 г. доля выбросов предприятий превышала долю производства продукции в четырех отраслях экономики: Ø в топливной промышленности доля выбросов составляла 33%, а доля продукции 18%, Ø в электроэнергетике (22% и 12%), Ø цветной металлургии (21% и 7%), Ø черной металлургии (18% и 9%).

В 2003 г. в России основная масса (71 -94 об. %%) выбросов в атмосферу обезвреживались на предприятиях: Ø лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно бумажной промышленности, Ø строительных материалов, Ø химической и нефтехимической промышленности, Ø цветной и черной металлургии Ø электроэнергетики.

Контрольные вопросы к теме Загрязнение атмосферы • • • В России в 2003 году от стационарных источников уловлено и обезврежено 57, 5 млн. тонн, или 74, 4%; из уловленных загрязняющих веществ утилизировано 28, 5 млн. тонн, или 49, 6%. Определите общую массу выбросов, привнесенных в атмосферу, а также массу не утилизированных загрязняющих веществ. В мировом производстве энергии самая большая доля обеспечивается за счет сжигания: а) угля; б) нефти; в) природного газа; г) метана. Возможно ли возникновение радиоактивных аэрозолей в районах, удаленных на сотни километров от источника выброса? Дайте обоснованный ответ. Какие по химическому составу аэрозоли преобладают в зоне г. Кызыла? От каких факторов зависит время пребывания частиц в атмосфере? Назовите пути самоочищения атмосферы от взвешенных частиц. Назовите основные источники загрязнения атмосферы металлами, в том числе в Туве (городе, районе, где вы живете). Более подробно рассмотрите источники загрязнения такими металлами, как РЬ, Нg, Сd, Zn, Си. В сигарете содержится 1, 4 мкг кадмия, 25% этого количества остается в организме курильщика. Вычислите, сколько микрограммов кадмия остается ежедневно в организме человека при выкуривании 20 сигарет. Какие нарушения здоровья может вызвать увеличение концентрации кадмия в организме? Было установлено, что содержание свинца в бензине составляет 0, 03 г/л. Учитывая, что 75% свинца, содержащегося в бензине, выделяется в воздух с выхлопными газами, рассчи тайте, сколько граммов свинца выделит в атмосферу один автомобиль при использова нии 100 л бензина.