63430

Атмосферный воздух и его охрана. Газовый состав атмосферы. Роль живых организмов в формировании современной атмосферы. Причины и следствия загрязнения атмосферного воздуха

Лекция

Экология и защита окружающей среды

Газовый состав атмосферы. Роль живых организмов в формировании современной атмосферы. Для атмосферы характерен постоянный обмен веществом и энергией с гидросферой литосферой живыми организмами и космическим пространством.

Русский

2014-06-20

149 KB

6 чел.

Дисциплина «Экология и устойчивое развитие»

Лекция №13 Атмосферный воздух и его охрана. Газовый состав атмосферы. Роль живых организмов в формировании  современной атмосферы. Причины и следствия загрязнения атмосферного воздуха.

Атмосфера — самая подвижная оболочка Земли. Нижняя ее граница — поверхность воды и суши, верхнюю границу фиксируют на высоте примерно 1300 км.

Атмосфера — мощная газовая оболочка Земли, характеризующаяся резко выраженной неоднородностью строения и состава. Ее масса — 5 х 1015т; 80% этой массы сосредоточено в самом нижнем слое толщиной 17 км.

Для атмосферы характерен постоянный обмен веществом и энергией с гидросферой, литосферой, живыми организмами и космическим пространством.

Относительная молекулярная масса чистого воздуха — 29, давление и состав воздуха непрерывно меняются при увеличении расстояния от поверхности Земли. Плотность воздуха быстро падает с высотой из-за уменьшения силы земного притяжения. Несмотря на то что атмосфера простирается на тысяч километров, примерно 95% всех молекул воздуха находятся слое высотой до 20 км от поверхности планеты.

280   °К

Ученые подразделяют атмосферу на несколько слоев, имеющих различные характеристики. Главным критерием для вы деления отдельных слоев атмосферы служит температура (рис. 1).

 

Структура атмосферы

Нижний слой атмосферы называется тропосферой. Толщина тропосферы — 8-10 км в полярных областях и 16-18 км. у экватора. В ней содержится около 80% всей массы атмосферного воздуха и почти все атмосферные водяные пары. С ростом высоты температура понижается почти линейно (примерно на 0,6 °С на каждые 100 м) и на высоте около 10 км она равна-55 ...-60 °С.

Химический состав в пределах данного слоя практически не меняется. В этом слое атмосферы происходят горизонтальные, вертикальные и круговые перемещения воздуха. Это наиболее активный слой атмосферы. Отсюда и название слоя — тропосфера. В тропосфере происходит образование облаков, несущих осадки (дождь, снег, град), образуется ветер.

Тропосфера определяет особенности погодных условий на Земле. Верхняя граница представлена слоем, который называется тропопаузой, где температура перестает понижаться.

Над тропосферой на высоте 18-50 км располагается второй слой атмосферы, который называется стратосферой. Стратосфера начинается с тропопаузы и заканчивается стратопа-узой. Температура в стратосфере возрастает от -50 "С до 0 "С. Состав воздуха в стратосфере постоянно однороден, он содержит озон 03, концентрация которого на высоте 30-35 км достигает максимальной величины. Этот слой озона защищает Землю от губительных для всего живого коротких ультрафиолетовых лучей ("озоновый щит"). Верхняя граница озонового слоя является верхним пределом биосферы.

Над стратосферой на высоте от 50 до 65 км расположен третий слой — мезосфера, где происходит понижение температуры с высотой. Толщина мезосферы — 25-30 км. По мере удаления от поверхности Земли температура понижается от 0 °С (273 °К) до 190 "К. Верхняя ее граница — мезопауза, в зоне которой температура достигает 190 °К. Толщина мезопаузы — 10-12 км.

После мезопаузы температура в атмосфере вновь резко возрастает до высоты 800-1000 км, достигая 1000 °К. Эта область атмосферы (четвертый слой) называется термосферой, или ионосферой, и начинается с высоты 90 км.

В стратосфере и более высоких слоях под воздействием солнечной радиации молекулы газов диссоциируют на атомы:

выше 80 км диссоциируют углекислый газ и вода;

выше 150 км — кислород;

выше 300 км — азот.

На высоте 100-400 км в ионосфере происходит ионизация газов и образование таких частиц, как Ы2+, 02+, 0+, которые вступают в межмолекулярные реакции: некоторые из частиц, образующихся в этих реакциях, переходят в электронно-возбужденное состояние, результатом чего является северное сияние, наблюдаемое в северных широтах.

До высоты 100 км атмосфера представляет собой хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярной массы — концентрация более тяжелых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Самые высокие слои атмосферы состоят из водорода и гелия, которые медленно рассеиваются в космическое пространство.

Верхнюю часть атмосферы называют экзосферой. Она начинается с высоты 1000 км и простирается на огромное расстояние, постепенно переходя в межпланетное простран ство. Экзосфера является областью диссипации атмосфер ных газов.

Диссипация — это процесс преодоления атомами, молекулами и ионами поля притяжения Земли, что ведет к потере того или иного количества атмосферных газов Землей и другими планетами (Меркурий, Марс). По мере удаления от Земли скорость движения частиц возрастает и для межзвездного пространства достигает величины, которой соответствует температура 10 000 "С.

Границы отдельных слоев атмосферы непостоянны, условны, зависят от времени суток и от географической широты местности — у экватора атмосфера толще, чем у полюсов. Около 80% массы атмосферы сосредоточено в тропосфере, почти 20% — в стратосфере и лишь 0,5% — во всех остальных слоях атмосферы

Состав атмосферы

Наиболее полно на сегодня изучен нижний слой атмосферы — тропосфера. Основные части атмосферы в современную геологическую эпоху подразделяются на три группы — постоянные, переменные и случайные.

  1.  Постоянные компоненты. Атмосфера состоит главным образом из азота Ы2 (78,09% по объему) и кислорода 02 (20,95%), довольно много в атмосфере аргона (0,93%) и других благородных газов. Содержание азота, кислорода, аргона в низких слоях атмосферы постоянно и практически не зависит от того, в каком месте поверхности земного шара взята проба сухого воздуха.
  2.  Переменные компонентны. Их концентрация меняется в зависимости от места, времени года, времени суток и от многих других факторов. Например, содержание углекислого газа в атмосфере в среднем 0,03% по объему, а водяного пара Н20 — от тысячных долей процента в полярных областях Земли до 3~4% в тропиках. Поэтому все сведения о составе воздуха относятся к "сухой" атмосфере.
  3.  Случайные компоненты определяются местными условиями, концентрация их непостоянна. Это метан СН4, оксид серы (IV) 802, оксиды азота N0, Ж)2, водород Н2, озон 03, аммиак, огромное количество техногенных примесей (твердых, жидких и газообразных).

Происхождение атмосферы неразрывно связано с образованием Земли как планеты. Состав атмосферы — результат деятельности эволюционных процессов в недрах Земли и на ее поверхности.

Первоначальная атмосфера Земли возникла одновременно с гидросферой около 4,5 млрд лет назад при образовании мантии— слоя, подстилающего наружную оболочку Земли (земную кору). Тогда, предположительно, состав был близок к составу нынешних вулканических газов (водород, азот, хлор, сероводород Н28, пары воды, углекислый газ, метан, сернистый газ, хлористый аммоний гШ4С1, благородные газы).

При охлаждении поверхности Земли пары воды конденсировались, образовавшийся океан поглотил газы, растворимые в воде; в атмосфере остались в основном водород, азот, метан, благородные газы, частично — углекислый газ и пары воды; гелий, неон и другие наиболее легкие газы рассеялись в межпланетное пространство, кислорода в древней атмосфере почти не было. Многие ученые считают, что под действием солнечного излучения и электрических разрядов из веществ первоначальной атмосферы образовались органические вещества — первая ступень в возникновении жизни. Зарождение жизни на нашей планете, в свою очередь, сыграло решающую роль в эволюции атмосферы, которая происходила под влиянием следующих факторов:

аккреции (приращения, увеличения) веществ из межпланетного пространства под действием гравитационных сил;

выделения газов при вулканической деятельности;

химического взаимодействия газов атмосферы с компонентами гидросферы и литосферы;

диссоциации и ионизации молекул воздуха под влиянием солнечного ультрафиолетового и космического излучений;

биогенных процессов в живом веществе биосферы;

антропогенной деятельности ноосферы.

Решающим фактором (до появления человека) была деятельность зеленых растений, животных и микроорганизмов. Образование большого количества азота обусловлено окислением первичной аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом, который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, предположительно, около 3 млрд лет назад. Азот окисляется до оксида азота N0 в верхних слоях атмосферы, связывается азотфиксирующими бактериями и в то же время выделяется в атмосферу в результате денитрифика-ции нитратов и других азотсодержащих соединений.

Наличие кислорода в атмосфере обеспечивает возможность существования высших форм жизни на Земле. Выведение кислорода из атмосферы при дыхании живых организмов, а также его расходование при сжигании топлива, работе транспорта, выплавке металла и т. д. компенсируется фотосинтезом 3еЛ6 ных растений.

Загрязнение атмосферы

Атмосфера Земли играет выдающуюся роль в судьбе других сфер Земли и в первую очередь биосферы.

Большое значение имеет состояние тропосферы, в контакте с которой ведут свою жизнь люди, животные, растения. Бурное развитие науки и техники сопровождается интенсивным загрязнением окружающей среды и в первую очередь атмосферы. Сегодня это глобальная проблема всего человечества. Загрязнения исчисляются сотнями миллионов и даже миллиардами тонн в год. Только предприятия России выбрасывают в атмосферу более 70 млн т разнообразных веществ в год.

Наиболее опасным для жизни человека является загрязнение атмосферы химическими веществами, многие из которых ранее отсутствовали в природе, — сернистый газ, который выбрасывают городские ТЭЦ, работающие на угле или мазуте, оксид азота, оксид углерода (II), хлор, формальдегид, фенол, сероводород, аммиак, метан, аэрозольные загрязнения, мелко раздробленные металлы и их оксиды. В некоторых случаях из двух или нескольких относительно безопасных веществ, выброшенных в атмосферу, под действием солнечного света могут образовываться ядовитые соединения. Сегодня таких загрязнителей, губительно действующих на растения, животных и особенно на человека, насчитывается более 2000.

Различают естественное и искусственное загрязнения атмосферы (рис. 4.10).

Естественное загрязнение. В атмосфере постоянно находится некоторое количество пыли, которая образуется в результате естественных явлений, происходящих в природе (выветривание и разрушение горных пород; извержение вулканов, лесные и торфяные пожары, испарение с поверхности морей и океанов), неорганическая пыль. Естественные органические загрязнения представлены аэропланктоном — организмами живущими в атмосфере (бактерии, споры грибов, пыльца растений и др.) и продуктами гниения, брожения и разложени растений и животных. К естественным загрязнителям относит ся и космическая пыль, которая образуется из остатков сгорев ших материалов при их прохождении в атмосфере.

Искусственное загрязнение. В атмосферу попадают вещее тва техногенного и антропогенного происхождения.

Основными отраслями деятельности человека, приводящи ми к загрязнению атмосферы, являются металлургическая энергетическая, химическая промышленность. В среднем заг рязнителей поступает: от автотранспорта — 60%, промышленности — 17%, энергетики — 14%, отопления и уничтожения отходов — 9%. В табл. 4.21 приведен более детальный список отраслей, загрязняющих атмосферу.

Таблица 1  Основные источники загрязнения атмосферы, %

Отрасль

Россия

США

Электроэнергетика

32

14

Транспорт

26

60

Металлургия

20

17

Химическая промышленность

5

Производство нефти

5

Производство бумаги

2

Уничтожение отходов

10

8

Выбросы в атмосферу от электростанций в большой степени зависят от вида используемого топлива (табл. 4.22).

Самая грязная и экологически опасная — угольная электростанция. При мощности 1 млн кВт она ежегодно выбрасывает в атмосферу 36,5 млрд м3 горячих газов, содержащих пыль, вредные вещества и 1000 млн м3 пара. В отходы идут 50 млн м3 сточных вод, в которых содержится 82 т серной кислоты, 26 т хлоридов, 41т фосфатов и 500 т твердой взвеси, а также остается 360 тыс. т золы, которую необходимо складировать.

Для Таблица 4.22

Выбросы в атмосферу электростанций мощностью 1 млн кВт

Топливо

Выбросы, т в год

пыль

угарный газ

оксиды азота

двуокись серы

углеводороды

Уголь

3000

2000

27 000

110 000

400

Нефть

1200

700

25 000

37 000

470

Газ

500

20 000

20

34

работы такой электростанции требуется ежегодно 1 млн т угля, 150 млн м3 воды и 30 млрд м3 воздуха.

Как следует из приведенной таблицы, экологичность указанного топлива повышается в ряду: уголь < нефть < газ. Если первая половина XX в. была "эрой угля", вторая половина — "эрой нефти", то в начале XXI в. мир стоит на пороге "эры газа".

Автомобильный транспорт потребляет кислород воздуха для обеспечения процесса горения топлива в двигателях. В процессе горения органического топлива (уголь, нефть, древесина, природный газ) интенсивно потребляется кислород, и атмосфера загрязняется углекислым газом, оксидами серы и другими веществами.

На все формы сжигания топлива, на получение металлургической и химической продукции, на дополнительное окисление различных отходов ежегодно расходуется 10-20 млрд т кислорода (10-16% ежегодного образования кислорода в результате фотосинтеза, что вызывает тревогу). Одновременно со снижением содержания кислорода в атмосфере каждые 100 лет содержание углекислого газа увеличивается на 0,4%, метана — на 1%, окислов азота — на 0,2%.

Уровень загрязнения атмосферы определяется массой и вредностью загрязнителей, поступающих в воздух; объемом пространства, в котором они рассеиваются; механизмами удаления загрязнителей из воздуха. Среди 10 городов России с самым высоким уровнем загрязнения воздуха — Норильск, Москва, Новокузнецк, Липецк, Омск, Асбест, Череповец, Воркута, Магнитогорск, Уфа (по данным Министерства природных ресурсов РФ).

Основные загрязнители воздуха делятся на первичные и вторичные.

Первичные загрязнители:

взвеси, аэрозоли (дым, туман, смог и т. д.);

углеводороды и другие летучие органические вещества;

угарный газ СО;

оксиды азота N0^,;

сернистый газ 802;

свинец и другие тяжелые металлы. Вторичные загрязнители".

озон Оэ; образуется в присутствии углеводородов и оксидов азота и под действием солнечного света;

кислоты (серная, азотная).

За период НТР концентрация углекислого газа в атмосфере возросла на 30%, метана — на 145%, оксидов азота — на 15%.

Выбросы промышленных предприятий представлены двумя группами:

неорганизованные выбросы, которые происходят вследствие неплотностей в аппаратуре и коммуникациях, неумелой транспортировки и неправильного хранения сырья и материалов и т. д.;

организованные выбросы из дымовых труб, вентиляционных систем и проч.

К числу неорганизованных выбросов следует отнести выбросы от автотранспорта. В мире в настоящее время используется около 600 млн автомобилей, и число их ежегодно увеличивается на 250 тыс. Установлено, что 200 млн автомобилей ежегодно выбрасывают в атмосферу 200 млн т углекислого газа, 20 млн т оксидов азота и 40 млн т углеводородов.

В год в атмосферу с выхлопными газами выбрасывается 200 млн т твердых отходов (пыль, зола и т. д.), 200 млн т оксида серы 502, 700 млн т окиси углерода СО, 150 млн т оксидов азота, 5 тыс. т свинца. В сумме все это составляет более 1 млрд т вредных веществ.

Наиболее токсичные загрязнители воздуха представлены в табл. 4.23

Таблица 4.23 ПДК основных загрязнителей воздуха, мг/м3

Загрязнители

Россия

ВОЗ

ПДК

время экспозиции

пдк

время экспозиции

Оксид углерода

5 3

30 мин 24 ч

100 60

15 мин 30 мин

Озон

0,16

30 мин

0,15

60 мин

Диоксид серы

0,5 0,05

30 мин 24 ч

0,5 0,35

10 мин

60 мин

Диоксид азота

0,085 0,04

30 мин 24 ч

0,4

0,15

60 мин 24 ч

Формальдегид

0,035 0,003

30 мин 24 ч

0,1

30 мин

Стирол

0,04 0,002

40 мин 24 ч

0,8

24 ч

Кадмий

0,001

24 ч

1-5 мг

1 год

Свинец

0,0017

24 ч

0,0005

1 год

Ртуть

0,0003

24 ч

0,001

1 год

Отрицательное воздействие загрязнителей

воздуха

Последствия загрязнения атмосферы — результат комбинированного, часто синергического воздействия целой смеси загрязнителей. При этом порой трудно выделить конкретного виновника того или иного отрицательного воздействия. Так, уровень заболевания раком легких у курящих и некурящих в сельской местности примерно одинаков, но резко увеличивается у курящих в городе.

Загрязнение атмосферы влияет:

1) на здоровье людей — легочные заболевания, аллергия, сердечно-сосудистые, онкологические и другие заболевания встречаются чаще в местах с загрязненным воздухом, и продолжительность жизни людей в таких местах меньше. Только от болезней, связанных с загрязнением воздуха, в мире поги бает 2,7 млн чел. Токсичные вещества, поступая в организм человека с вдыхаемым воздухом, сразу проникают в кровь. Их вредность во много раз сильнее, чем при попадании через желудочно-кишечный тракт;

В 1952 г. лондонский смог, содержащий в своем составе значительное количество оксида серы, вызвал резкое повышение смертности жителей столицы Великобритании (рис. 4.11)

2) на леса, многие сельскохозяйственные растения — при
загрязнении воздуха они либо погибают, либо растут значитель
но медленнее; увеличивается содержание свинца в почве вбли
зи от автомагистралей, и, как следствие, возрастает накопле
ние свинца в растительности (рис. 4.12, а, б).

3) на материалы — увеличивается скорость коррозии.
Загрязнение воздуха в помещениях часто выше, чем на улице. Это обусловлено тем, что:

♦ обои, мебель и другие материалы выделяют загрязнители, например формальдегид; в помещении находятся продукты неполного сгорания природного газа, используются аэрозоли, клеи, моющие вещества, наличие которых может дать си-нергический эффект;

помещения мало и плохо проветриваются;

время экспозиции (нахождения) в помещении значительно больше, чем вне помещения.

Для уменьшения отрицательного воздействия загрязнителей на здоровье людей в помещении необходимо:

прекратить курение (в 2000 г. в России из 800 тыс. умерших 300 тыс. умерли в результате курения; в 1999 г. в США от рака дыхательных путей умерло 95 тыс. чел., из них 90 тыс. курили);

уменьшить употребление агрессивных химикатов и растворителей;

для мытья посуды использовать пищевую соду;

чаще проветривать помещения (тепло хранит не воздух, а стены и мебель).

Региональные и глобальные последствия загрязнения атмосферы

На специальной сессии ООН по окружающей среде и развитию в июне 1998 г. в Рио-де-Жанейро принята Конвенция об изменении климата Земли. Развитые страны, в том числе Россия, в качестве первого шага обязались к концу XX в. по выбросам углекислого газа и других парниковых газов вернуться к уровню 1990 г.

На экологию биосферы положительное влияние оказали сокращение испытаний ядерного оружия, международные соглашения о запрещении разработки, производства и накопления запасов бактериального и токсичного оружия и об их уничтожении (1972 г.); аналогичное соглашение о химическом оружии было заключено в 1997 г


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33885. Деревня и сельское хозяйство в послевоенный период 24 KB
  Разрушение колхозов совхозов МТС. В конце 40х прошло укрупнение мелких колхозов 1950 – план укрупнения кохозов. Проблема рабочих рук уменьшение населения колхозов на 15. Оплата в ряде колхозов выглядела чисто символической.
33886. Политическая система СССР во второй половине 40-х – начале 50-х годов 27.5 KB
  Все группировки в партийном руководстве опирались на партию но в самой партии можно выделить несколько групп: те кто вступили в партию до войны и не были на оккупированных территориях те кто вступил в партию до войны но были эвакуированы и вернулись спешно принятые в партию коммунистыподпольщики на оккупированных территориях военные вступившие в партию на фронте вступившие после войны.
33887. Общественная жизнь страны во второй половине 40-х – начале 50-х годов 26 KB
  Победа воспринималась как общая раскол народа и власти начался позднее. Но лояльное отношение к власти не означало что никто не был против режима. Почему фронтовики не могли выступить против власти единство народа и власти во время войны психологическая усталость после войны период залечивания ран.
33888. Развитие социальной сферы городов. Проблемы жилья. Денежная реформа. Быт. Внешний вид. Спорт 28.5 KB
  Жилье. В годы войны крова лишились более 25 млн. человек. В деревнях жили в землянках, государство восстанавливало только города -14% бюджета. В 1945 СНК принял решение о восстановлении 15 городов. Восстановление было всенародным делом (комсомольско-молодежные бригады).
33889. Культурно-просветительная работа, общее и специальное образование. Во второй половине 40-х – начале 50-х гг 38 KB
  Задачи образования – восстановить всеобщее 7летнее образование с 1949 обучить тех кто не обучился в войну школы рабочей молодежи школы комсомольской молодежи. Проблема уровня образования. Пример Красноярского края в восстановлении образования. Чрезмерная идеологизация образования.
33890. Наука в послевоенный период 41.5 KB
  были открыты Институт точной механики и вычислительной техники Институт радиотехники и электроники Институт прикладной геофизики Институт физической химии Институт атомной энергии Институт ядерных проблем и др. Был создан Институт языкознания АН СССР во главе которого встал академик В. были открыты Институт точной механики и вычислительной техники Институт радиотехники и электроники Институт прикладной геофизики Институт физической химии Институт атомной энергии Институт ядерных проблем и др. Был создан Институт языкознания АН СССР...
33891. Развитие искусства во второй половине 40-х – начале 50-х гг 52 KB
  Тема войны – Непринцев Отдых после боя Неменский сестры наши Костецкий Возвращение Лактионов Письмо с фронта. Тема восстановления Яблонская Хлеб Весна. Выдающиеся произведения: тема войны – Некрасов В окопах Сталинграда Фадеев Молодая гвардия Казакевич звезда Полевой Повесть о настоящем человеке Твардовский Дом у дороги. Овечкин – Районные будни тема деревни.
33892. Внешняя политика СССР в послевоенный период: отношения с Западными странами. Холодная война 54 KB
  Внешняя политика СССР в послевоенный период: отношения с Западными странами. Внешнеполитическая доктрина СССР – против поддержки социалистических стран – принцип мирного сосуществования. тезис о враждебности капиталистического окружения СССР. Сначала у СССР была мирная внешнеполитическая доктрина затем ужесточилось так же и у США.
33893. СССР и страны Центральной и Восточной Европы в послевоенный период. Роль СССР в формировании мировой системы социализма 35 KB
  СССР и страны Центральной и Восточной Европы в послевоенный период. Роль СССР в формировании мировой системы социализма. В 19451946 существовали коалиционные правительства в Западной Европе потом постепенно произошел переход к коммунистическим режимам: Румыния – отречение Михая Болгария – конституция 1947 и усиление позиций коммунистов Польша – отставка коалиционного правительства Венгрия – победа коммунистов на выборах Чехословакия – сопротивление события 1948 надежда сохранить отношения и с СССР и с Западом. В сентябре...