1.1. Атмосфера – основа жизни

Основными компонентами атмосферы являются азот, кислород, вода, аргон (табл. 1.).

Атмосфера земли (от греч. atmos  пар и сфера)  воздушная среда вокруг Земли, вращающаяся вместе с нею.

Суммарная масса земной атмосфе­ры составляет 5,310¹⁸ кг.

Таблица 1  Средний газовый состав природной атмосферы (в сухом воздухе)

Компоненты атмосферы далеко не равномерно распределены в ней. Спе­циалисты, изучающие атмосферу, выделяют в ней несколько зон, распола­гающихся на различных высотах от Земли в зависимости от их температуры (рис. 1). Около 95 % массы воздуха приходится на внутренний слой – тро­посферу, простирающуюся вверх над поверхностью Земли примерно на 17 км. С увеличением высоты температура в тропосфере понижается.

Тропосфера (от греч. tropos  поворот и сфера)  нижний, основной слой атмосферы до высоты 8  10 км в полярных, 10  12 км в умеренных и 16  18 км в тропических широтах. В тропосфере сосредоточено более ¹/₅ всей массы атмосферного воздуха, сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны.

Рис. 1. Атмосфера Земли

Огромные массы воздуха в тропосфере находятся в постоянном движе­нии, так как нагретый солнцем воздух поднимается и замещается холод­ным. Физические процессы, вызывающие эти перемещения воздуха в тро­посфере, являются ключевыми факторами, определяющими земные климат и погоду. Они также влияют на типы и распределение вредных химических веществ в тропосфере.

Второй слой атмосферы, располагающийся на высоте от 17 до 48 км, на­зывается стратосферой (рис. 1).

Стратосфера (от лат. stratum  слой и сфера)  слой атмосферы, лежащий над тропосферой от 8  10 км в высоких широтах и от 16  18 км вблизи экватора до 50  55 км. Стратосфера характеризуется возрастанием температуры с высотой от -40 °С (-80 °С) до температур, близких к 0 °С, малой турбулентностью, ничтожным содержанием водного пара, повышенным по сравнению с ниже- и вышележащими слоями содержанием озона.

Температура в этом слое сначала остается постоянной, а затем начинает повышаться с высотой. В стратосфере скон­центрирована основная часть атмосферного озона, и именно это обстоятель­ство обусловливает такое повышение температуры. Дело в том, что озон по­глощает ультрафиолетовые лучи Солнца, что и вызывает разогрев стратосферы. Озоновый слой содержит небольшое количество газообразного озона (О₃), который отфильтровывает около 99 % поступающей вредной ультрафиолето­вой (УФ) радиации.

Озон (от греч. ozon  пахнущий), О_{3 } аллотропная модификация кислорода. Газ синего цвета с резким запахом, t_кип  112 °С, сильный окислитель. При больших концентрациях разлагается со взрывом. Образуется из О₂ при электрическом разряде (напр., во время грозы) и под действием ультрафиолетового излучения (напр., в стратосфере под действием ультрафиолетового излучения Солнца). Основная масса О₃ в атмосфере расположена в виде слоя  озоносферы  на высоте от 10 до 50 км с максимумом концентрации на высоте 20  25 км. Этот слой предохраняет живые организмы на Земле от вредного влияния коротковолновой ультрафиолетовой радиации Солнца. В промышленности О₃ получают действием на воздух электрического разряда. Используют для обеззараживания воды и воздуха.

Ультрафиолетовое излучение  не видимое глазом электромагнитное излучение в пределах длин волн  =400  10 нм. Различают ближнее ультрафиолетовое излучение (400  200 нм) и дальнее, или вакуумное (200  10 нм). С уменьшением  коэффициент поглощения ультрафиолетового излучения большинства прозрачных тел растет, и при =105 нм прозрачных тел практически нет, в то время как коэффициент отражения материалов падает. Источники ультрафиолетового излучения  высокотемпературная плазма, ускоренные электроны, некоторые лазеры, Солнце, звезды и др.; приемники  фотоматериалы, различные детекторы ионизирующих излучений. Биологическое действие ультрафиолетового излучения обусловлено химическими изменениями поглощающих их молекул живых клеток, главным образом молекул нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и белков, и выражается в нарушениях деления, возникновении мутаций и в гибели клеток. Малые дозы ультрафиолетового излучения оказывают благотворное действие на человека и животных.

Поглощая высокоэнергетическую УФ радиацию, стра­тосферный озон предохраняет также большую часть кислорода в тропосфере от превращения в озон. Ничтожное количество озона, которое формируется в тропосфере как компонент городского смога, губительно действует на рас­тения, дыхательную систему людей и других животных, а также на такие мате­риалы, как резина. Таким образом, наше здоровье зависит от наличия необ­ходимого количества «хорошего» озона в стратосфере и от отсутствия «плохого» озона в тропосфере.

На высоте более 50 км начинается мезосфера – зона, где температура опять понижается.

Мезосфера  слой атмосферы на высоте от 50 до 80  85 км, находящийся над стратосферой. Характеризуется понижением температуры с высотой приблизительно от 0 °С на нижней границе до  90 °С на верхней.

Практически все компоненты атмосферы содержатся в тропосфере, стратосфере и мезосфере в одинаковых соотношениях. Однако атмосфер­ное давление с высотой уменьшается, т. е. воздух по мере роста высоты становится все разреженнее.

В общем плане концепция загрязнения атмосферы включает значи­тельное число действий и явлений, ведущих к ухудшению исходного, при­родного качества ее. В Российской Федерации под загрязнением атмос­феры понимается изменение состава атмосферы в результате наличия в ней примесей (ГОСТ 17.2.1.04–77). В более узком смысле, загрязнение ат­мосферы понимается как выброс твердых, жидких и газообразных загряз­няющих веществ. Так, в ФРГ загрязнением атмосферы считается прямое или косвенное введение в нее любого вещества в таком количестве, кото­рое воздействует на качество и состав наружного воздуха, нанося вред лю­дям, живой и неживой природе, экосистемам, строительным материалам, природным ресурсам – всей окружающей среде. Загрязняющие веще­ства – это те, которые оказывают отрицательное воздействие на окружа­ющую среду либо непосредственно после химических изменений в атмос­фере, либо в сочетании с другими веществами.

Загрязнение атмосферы – это не одна, а множество примесей к основ­ным компонентам воздуха. Более того, количество каждого конкретного заг­рязнителя сильно варьирует в зависимости от расстояния до его источника, направления ветра и погодных условий. Таким образом, состав и концент­рация смеси, воздействию которой мы подвергаемся, меняются изо дня в день, каждый час и от места к месту. Это означает, что последствия практи­чески никогда не вызываются единственным загрязнителем. Все они – результат комбинированного воздействия целой смеси загрязнителей.

В табл. 2 дана классификация загрязнения атмосферы и возникаю­щих при этом проблем в зависимости от высоты, расстояния и времени.

Таблица 2 – Классификация загрязнения атмосферы

При оценке загрязнения атмосферы важен также период времени, в течение которого загрязняющие вещества сохраняются в ней. В табл. 3 приведено среднее время жизни некоторых веществ в атмосфере.

Таблица 3 – Время пребывания в атмосфере некоторых веществ