АТМОСФЕРА
Воздушная оболочка нашей планеты - атмосфера - защищает живые организмы на земной поверхности от губительного воздействия ультрафиолетового излучения Солнца и других жестких космических излучений. Предохраняет она Землю от метеоритов и космической пыли. Атмосфера служит также "одеждой", не позволяющей осуществляться потерям тепла, излучаемого Землей в пространство. Атмосферный воздух-это источник дыхания человека, животных и растительности, сырье для процессов горения и разложения, синтеза химических веществ. Он является материалом, применяемым для охлаждения различных промышленных и транспортных установок, а также средой, в которую выбрасываются отходы жизнедеятельности человека, высших и низших животных и растений, отходы производства и потребления.
Взаимодействие атмосферного воздуха с водой и почвой влечет за собой определенные изменения в биосфере, как в целом, так и в отдельных ее составляющих, усиливая и ускоряя нежелательные изменения состава и структуры атмосферного воздуха и климата Земли.
Известно, что без пищи человек может прожить около 5 недель, без воды - около 5 суток, а без воздуха не проживет и 5 минут. Потребность человека в чистом воздухе (под "чистым" понимается воздух, пригодный для дыхания и без негативных последствий для человеческого организма) составляет от 5 до 10 л/мин или 12 - 15 кг/сут. Из этого ясно, как велика значимость атмосферы в решении экологических проблем.
Человечество обитает на дне Великого воздушного океана, который является оболочкой непрерывно, полностью окружающей земной шар. Наиболее изученный участок атмосферы простирается от уровня моря до высоты 100 км. В целом атмосфера делится на несколько сфер: тропосфера, стратосфера, мезосфера, ионосфера (термосфера), экзосфера. Границы между сферами называют паузами. По химическому составу атмосфера Земли подразделяется на нижнюю (до 100 км) - гомосферу, имеющую состав, сходный с приземным воздухом, и верхнюю - гетеросферу, неоднородного химического состава. В атмосфере кроме газов присутствуют различные аэрозоли - пылеватые или водяные частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в газообразной среде. Они имеют как естественное, так и техногенное происхождение.
Тропосфера - это приземная нижняя часть атмосферы, т. е. зона, где и обитает большинство живых организмов, в том числе человек. В этой сфере сосредоточено более 80 % массы всей атмосферы. Ее мощность (высота на земной поверхности) определяется интенсивностью вертикальных (восходящих и нисходящих) потоков воздуха, вызванных нагреванием земной поверхности. Вследствие этого на экваторе она простирается до высоты 16-18 км, в средних (умеренных) широтах - до 10-11 км, а на полюсах - до 8 км. Отмечено закономерное понижение температуры воздуха с высотой в среднем на 0,6° С на каждые 100 м. В тропосфере находится большая часть космической и антропогенной пыли, водяного пара, азота, кислорода и инертных газов. Она практически прозрачна для проходящей через нее коротковолновой солнечной радиации. Вместе с тем содержащиеся в ней пары воды, озон и углекислый газ достаточно сильно поглощают тепловое (длинноволновое) излучение нашей планеты, в результате чего происходит некоторое нагревание тропосферы. Это приводит к вертикальному перемещению потоков воздуха, конденсации водяного пара, образованию облаков и выпадению осадков.
Стратосфера располагается выше тропосферы до высоты 50 - 55 км. Температура у ее верхней границы растет в связи и с наличием озона.
Мезосфера - верхняя граница этого слоя фиксируется на высотах около 80 км. Главная ее особенность - резкое понижение температуры (минус 75° - 90° С) у верхней границы. Здесь наблюдаются так называемые серебристые облака, состоящие из ледяных кристаллов.
Ионосфера (термосфера) располагается до высоты 800 км, и для нее характерно значительное повышение температуры (более 1000° С). Под действием ультрафиолетового излучения Солнца газы атмосферы находятся в ионизированном состоянии. С этим состоянием связано возникновение полярного сияния, как свечения газов. Ионосфера обладает способностью многократного отражения радиоволн, что обеспечивает дальнюю радиосвязь на Земле.
Экзосфера распространяется от высоты 800 км до высот 2000 - 3000 км. В этом диапазоне высот температуры растут до 2000° С. Весьма важным является тот факт, что скорость движения газов приближается к критическому значению 11,2 км/с. В составе преобладают атомы водорода и гелия, которые формируют вокруг нашей планеты так называемую корону, простирающуюся до высот 20 тыс. км.
Условия жизни на поверхности Земли в части атмосферного ее "обеспечения" резко отличаются на больших высотах, т. е. на высотах стратосферы большинство жизненных форм Земли существовать без средств защиты не могут.
Состав атмосферы не является постоянным по высоте и изменяется в довольно широких пределах. Основные причины этого: сила земного притяжения, диффузионное перемешивание, действие космических и солнечных лучей и испускаемых ими частиц высокой энергии.
Под влиянием земного притяжения более тяжелые атомы и молекулы опускаются в нижнюю часть атмосферы, а в ее верхней части остаются более легкие. В общем очень осредненном виде механическая смесь газов атмосферы представлена в среднем азотом - 78% ее объема; кислородом - 21%; гелием, аргоном, криптоном и вышеуказанными другими компонентами - 1% и менее.
Средняя молекулярная масса такого воздуха составляет 28,96 а. е. м и остается почти без изменения вплоть до высоты 90 км. На больших высотах молекулярная масса резко уменьшается и на высотах от 500 км и выше гелий становится важнейшим компонентом атмосферы, хотя его содержание в ней на уровне моря чрезвычайно мало. Главнейшими компонентами воздуха (на 99% от всего состава) являются двухатомные газы (кислород О2 и азот N2). Кислород - самый необходимый атмосферный элемент для функционирования биосферы. Если в атмосфере его может быть до 23% по массе, то в воде - около 89%, а в организме человека - почти 65%. Суммарно во всех геосферах: атмосфере, гидросфере и в доступной части литосферы на долю кислорода приходится 50 % общей массы воздуха. Но в свободном состоянии кислород сосредоточен в атмосфере, где его количество оценивается в 1,5 × 1015 г. В природе постоянно протекают процессы потребления и выделения кислорода. Потребление кислорода происходит при дыхании человека и животных, при различных окислительных процессах, таких, как горение, коррозия металлов, тление органических остатков. В результате этого кислород переходит из свободного состояния в связанное. Однако его количество остается практически неизменным главным образом за счет жизнедеятельности растений. Считается, что в восстановлении кислорода главную роль играют фитопланктон океанов и наземные растения. Выравниванию содержания кислорода в приземном слое атмосферы способствует диффузия.
Атмосферные осадки - это вода во всех видах твердой и жидкой фазы, которую получает земная поверхность в виде дождя, снега, града или сконденсировавшейся на поверхности различных тел росы. В целом атмосферные осадки являются одним из важнейших абиотических факторов, существенно влияющих на условия существования живых организмов. Кроме того, атмосферные осадки определяют миграцию и распространение различных, в том числе и загрязняющих веществ в окружающей среде. В общем, круговороте влаги наиболее подвижны именно атмосферные осадки, так как объем влаги в атмосфере оборачивается 40 раз в году.
Атмосферный воздух - один из важнейших жизнеобеспечивающих природных компонентов на Земле - представляет собой смесь газов и аэрозолей приземной части атмосферы, сложившуюся в ходе эволюции планеты, деятельности человека и находящуюся вне пределов жилых, производственных и иных помещений. Последние полученные обобщения подтвердили чрезвычайную значимость атмосферы в функционировании биосферы и высокую ее чувствительность к различного рода загрязнениям. Именно загрязнения приземного слоя атмосферы - это самый мощный, постоянно действующий фактор воздействия на растения, животных, микроорганизмы; на все трофические цепи и уровни; на качество жизни человека; на устойчивое функционирование экосистем и биосферы в целом. Атмосферный воздух имеет неограниченную емкость и играет роль наиболее подвижного, химически агрессивного и всепроникающего агента взаимодействия компонентов биосферы, гидросферы и литосферы вблизи поверхности Земли.
Загрязнение атмосферы - это привнесение в атмосферу или образование в ней физико-химических соединений, агентов или веществ, обусловленное как природными, так и антропогенными факторами. Естественными источниками загрязнений атмосферного воздуха служат прежде всего вулканические выбросы, лесные и степные пожары, пыльные бури, дефляция, морские штормы и тайфуны. Эти факторы не оказывают отрицательного воздействия на природные экосистемы, за исключением широкомасштабных катастрофических природных явлений. Специальными исследованиями установлено, что поступление загрязняющих веществ с глубинными флюидами в приземный слой атмосферы имеет место не только в областях современной вулканической и газотермальной деятельности, но и в таких стабильных геологических структурах, как Русская платформа.
Источником запыленности атмосферы также могут быть крупные лесные пожары. Следует учитывать воздействие на атмосферу космических тел в виде комет, метеоритов, болидов и т. п. Твердые аэрозоли могут поступать в атмосферу и за счет извержений грязевых вулканов. Интенсивность аэрозольных потоков Керченского потока не уступает классическим вулканам Камчатки. Результатом современной флюидной деятельности могут быть сложные соединения типа предельных и непредельных полициклических ароматических углеводородов, сульфитов карбонила, формальдегида, фенолов, цианидов, аминов.