Реферат: Атмосфера

 

АТМОСФЕРА,газовая оболочка, окружающая небесное тело.Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химическогосостава данного небесного тела, а также определяются историей его формирования начинаяс момента зарождения. Атмосфера Земли образована смесью газов, называемой воздухом.Ее основные составляющие – азот и кислород в соотношении приблизительно 4:1.

На человекаоказывает воздействие главным образом состояние нижних 15–25 км атмосферы, посколькуименно в этом нижнем слое сосредоточена основная масса воздуха. Наука, изучающаяатмосферу, называется метеорологией, хотя предметом этой науки являются также погодаи ее влияние на человека. Состояние верхних слоев атмосферы, расположенных на высотахот 60 до 300 и даже 1000 км от поверхности Земли, также изменяется. Здесь развиваютсясильные ветры, штормы и проявляются такие удивительные электрические явления, какполярные сияния. Многие из перечисленных феноменов связаны с потоками солнечнойрадиации, 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 вступаютв химические реакции. Наука, изучающая эти взаимосвязанные явления и процессы, называетсяфизикой высоких слоев атмосферы.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ

Размеры. Пока ракеты-зонды и искусственные спутники не исследовали внешниеслои атмосферы на расстояниях, в несколько раз превосходящих радиус Земли, считалось,что по мере удаления от земной поверхности атмосфера постепенно становится болееразреженной и плавно переходит в межпланетное пространство. Сейчас установлено,что потоки энергии из глубоких слоев Солнца проникают в космическое пространстводалеко за орбиту Земли, вплоть до внешних пределов Солнечной системы. Этот т.н.солнечный ветер обтекает магнитное поле Земли, формируя удлиненную «полость», внутрикоторой и сосредоточена земная атмосфера. Магнитное поле Земли заметно сужено собращенной к Солнцу дневной стороны и образует длинный язык, вероятно выходящийза пределы орбиты Луны, – с противоположной, ночной стороны. Граница 0магнитногополя Земли называется магнитопаузой. С дневной стороны эта граница проходит на расстоянииоколо семи земных радиусов от поверхности, но в периоды повышенной солнечной активностиоказывается еще ближе к поверхности Земли. Магнитопауза является одновременно границейземной атмосферы, внешняя оболочка которой называется также магнитосферой, так какв ней сосредоточены заряженные частицы (ионы), движение которых обусловлено магнитнымполем Земли.

Общий вес газов атмосферы составляетприблизительно 4,5´1015 т. Таким образом, «вес» атмосферы, приходящийсяна единицу площади, или атмосферное давление, составляет на уровне моря примерно11 т/м2.

Значение для жизни. Из сказанного выше следует, что Землю от межпланетного пространстваотделяет мощный защитный слой. Космическое пространство пронизано мощным ультрафиолетовыми рентгеновским излучением Солнца и еще более жестким космическим излучением, иэти виды радиации губительны для всего живого. На внешней границе атмосферы интенсивностьизлучения смертоносна, но значительная его часть задерживается атмосферой далекоот поверхности Земли. Поглощением этого излучения объясняются многие свойства высокихслоев атмосферы и особенно происходящие там электрические явления.

Самый нижний,приземной слой атмосферы особенно важен для человека, который обитает в месте контактатвердой, жидкой и газообразной оболочек Земли. Верхняя оболочка «твердой» Землиназывается литосферой. Около 72% поверхности Земли покрыто водами океанов, составляющимиб/>льшую частьгидросферы. Атмосфера граничит как с литосферой, так и с гидросферой. Человек живетна дне воздушного океана и вблизи или выше уровня океана водного. Взаимодействиеэтих 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 идругие газы: озон, метан, такие вещества, как оксид углерода (СО), оксиды азотаи 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 меняетсяпод воздействием жесткого излучения Солнца, которое приводит к распаду молекул кислородана атомы. Атомарный кислород является основным компонентом высоких слоев атмосферы.Наконец, в наиболее удаленных от поверхности Земли слоях атмосферы главными компонентамистановятся самые легкие газы – водород и гелий. Поскольку основная масса веществасосредоточена в нижних 30 км, то изменения состава воздуха на высотах более 100км 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 двухмиллиарднуючасть излучаемой им энергии, главным образом в видимой части спектра, которую человекназывает «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, нагреваниемЗемли и атмосферы и обратным потоком тепловой энергии, излучаемой в пространство.Механизм этого равновесия крайне сложен.

Пыль и молекулы газов рассеиваютсвет, частично отражая его в мировое пространство. Еще большую часть приходящейрадиации отражают облака. Часть энергии поглощается непосредственно молекулами газов,но в основном – горными породами, растительностью и поверхностными водами. Водянойпар и углекислый газ, присутствующие в атмосфере, пропускают видимое излучение,но поглощают инфракрасное. Тепловая энергия накапливается главным образом в нижнихслоях атмосферы. Подобный эффект возникает в теплице, когда стекло пропускает светвнутрь и почва нагревается. Поскольку стекло относительно непрозрачно для инфракраснойрадиации, в парнике аккумулируется тепло. Нагрев нижних слоев атмосферы за счетприсутствия водяного пара и углекислого газа часто называют парниковым эффектом.

Существенную роль в сохранениитепла в нижних слоях атмосферы играет облачность. Если облака рассеиваются или возрастаетпрозрачность воздушных масс, температура неизбежно понижается по мере того, какповерхность 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 нижниеслои атмосферы. При конденсации водяного пара и образовании при этом облаков илитумана эта энергия освобождается в виде тепла. Около половины солнечной энергии,достигающей земной поверхности, расходуется на испарение воды и поступает в нижниеслои атмосферы.

Таким образом, вследствие парниковогоэффекта и испарения воды атмосфера прогревается снизу. Этим отчасти объясняетсявысокая активность ее циркуляции по сравнению с циркуляцией Мирового океана, которыйпрогревается только сверху и потому значительно стабильнее атмосферы.

Помимо общего нагревания атмосферысолнечным «светом», значительное прогревание некоторых ее слоев происходит за счетультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца.

Строение. По сравнению с жидкостями и твердыми телами, в газообразныхвеществах сила притяжения между молекулами минимальна. По мере увеличения расстояниямежду молекулами газы способны расширяться беспредельно, если им ничто не препятствует.Нижней границей атмосферы является поверхность Земли. Строго говоря, этот барьернепроницаем, так как газообмен происходит между воздухом и водой и даже между воздухоми горными породами, но в данном случае этими факторами можно пренебречь. Посколькуатмосфера является сферической оболочкой, у нее нет боковых границ, а имеются тольконижняя граница и верхняя (внешняя) граница, открытая со стороны межпланетного пространства.Через внешнюю границу происходит утечка некоторых нейтральных газов, а также поступлениевещества из окружающего космического пространства. Большая часть заряженных частиц,за исключением космических лучей, обладающих высокой энергией, либо захватываетсямагнитосферой, либо отталкивается ею.

На атмосферу действует такжесила земного притяжения, которая удерживает воздушную оболочку у поверхности Земли.Атмосферные газы сжимаются под действием собственного веса. Это сжатие максимальноу нижней границы атмосферы, поэтому и плотность воздуха здесь наибольшая. На любойвысоте 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 уменьшаетсяс высотой.

Если бы атмосфера представляласобой «идеальный газ» с не зависящим от высоты постоянным составом, неизменной температуройи на нее действовала бы постоянная сила тяжести, то давление уменьшалось бы в10 раз на каждые 20 км высоты. Реальная атмосфера незначительно отличается от идеальногогаза примерно до высоты 100 км, а затем давление с высотой убывает медленнее, таккак изменяется состав воздуха. Небольшие изменения в описанную модель вносит и уменьшениесилы тяжести по мере удаления от центра Земли, составляющее вблизи земной поверхностиок. 3% на каждые 100 км высоты.

В отличие от атмосферного давлениятемпература с высотой не понижается непрерывно. Это происходит при поглощениисолнечной ультрафиолетовой радиации кислородом. При этом образуется газ озон, молекулыкоторого состоят из трех атомов кислорода (О3). Он тоже поглощает ультрафиолетовоеизлучение, и поэтому этот слой атмосферы, называемый озоносферой, нагревается. Вышетемпература вновь понижается, так как там гораздо меньше молекул газа, и соответственносокращается поглощение энергии. В еще более высоких слоях температура вновь повышаетсявследствие поглощения атмосферой наиболее коротковолнового ультрафиолетового и рентгеновскогоизлучения Солнца. Под воздействием этого мощного излучения происходит ионизацияатмосферы, т.е. молекула газа теряет электрон и приобретает положительный электрическийзаряд. Такие молекулы становятся положительно заряженными ионами. Благодаря наличиюсвободных электронов и ионов этот слой атмосферы приобретает свойства электропроводника.Полагают, что температура продолжает повышаться до высот, где разреженная атмосферапереходит в межпланетное пространство. На расстоянии нескольких тысяч километровот поверхности Земли, вероятно, преобладают температуры от 5000° до 10000° 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 суммарнаятепловая энергия весьма невелика.

Таким образом, атмосфера состоитиз отдельных слоев (т.е. серии концентрических оболочек, или сфер), выделение которыхзависит от того, какое свойство представляет наибольший интерес.

Тропосфера– нижний слой атмосферы,простирающийся до первого термического минимума (т.н. тропопаузы). Верхняя границатропосферы зависит от географической широты (в тропиках – 18–20 км, в умеренныхширотах – ок. 10 км) и времени года. Национальная метеорологическая служба США провелазондирование вблизи Южного полюса и выявила сезонные изменения высоты тропопаузы.В марте тропопауза находится на высоте ок. 7,5 км. С марта до августа или сентябряпроисходит неуклонное охлаждение тропосферы, и ее граница на короткий период в августеили сентябре поднимается приблизительно до высоты 11,5 км. Затем с сентября по декабрьона быстро понижается и достигает своего самого низкого положения – 7,5 км, гдеи остается до марта, испытывая колебания в пределах всего 0,5 км.

Именно в тропосфере в основномформируется погода, которая определяет условия существования человека. Большая частьатмосферного водяного пара сосредоточена в тропосфере, и поэтому здесь главным образоми формируются облака, хотя некоторые из них, состоящие из ледяных кристаллов, встречаютсяи в более высоких слоях. Для тропосферы характерны турбулентность и мощные воздушныетечения (ветры) и штормы. В верхней тропосфере существуют сильные воздушные течениястрого определенного направления. Турбулентные вихри, подобные небольшим водоворотам,образуются под воздействием трения и динамического взаимодействия между медленнои быстро движущимися воздушными массами. Поскольку в этих высоких слоях облачностиобычно нет, такую турбулентность называют «турбулентностью ясного неба».

Стратосфера. Вышележащий слой атмосферычасто ошибочно описывают как слой со сравнительно постоянными температурами, гдеветры дуют более или менее устойчиво и где метеорологические элементы мало меняются.Верхние слои стратосферы нагреваются при поглощении кислородом и озоном солнечногоультрафиолетового излучения. Верхняя граница стратосферы (стратопауза) проводитсятам, где температура несколько повышается, достигая промежуточного максимума, которыйнередко сопоставим с температурой приземного слоя воздуха.

На основе наблюдений, проведенныхс помощью самолетов и шаров-зондов, приспособленных для полетов на постоянной высоте,в стратосфере установлены турбулентные возмущения и сильные ветры, дующие в разныхнаправлениях. Как и в тропосфере, отмечаются мощные воздушные вихри, которые особенноопасны для высокоскоростных летательных аппаратов. Сильные ветры, называемые струйнымитечениями, дуют в узких зонах вдоль границ умеренных широт, обращенных к полюсам.Однако эти зоны могут смещаться, исчезать и появляться вновь. Струйные течения обычнопроникают в тропопаузу и проявляются в верхних слоях тропосферы, но их скоростьбыстро уменьшается с понижением высоты. Возможно, часть энергии, поступающей в стратосферу(главным образом затрачиваемой на образование озона), оказывает воздействие на процессыв тропосфере. Особенно активное перемешивание связано с атмосферными фронтами, гдеобширные потоки стратосферного воздуха были зарегистрированы существенно ниже тропопаузы,а тропосферный воздух вовлекался в нижние слои стратосферы. Значительные успехибыли достигнуты в изучении вертикальной структуры нижних слоев атмосферы в связис 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 температурыдо минимальных показателей для атмосферы в целом. Рекордно низкие температуры до–110° С были зарегистрированы метеорологическими ракетами, запущеннымис американо-канадской установки в Форт-Черчилле (Канада). Верхний предел мезосферы(мезопауза) примерно совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновскогои наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, что сопровождаетсянагреванием и ионизацией газа.

В полярных регионах летом вмезопаузе часто появляются облачные системы, которые занимают большую площадь, ноимеют незначительное вертикальное развитие. Такие светящиеся по ночам облака частопозволяют обнаруживать крупномасштабные волнообразные движения воздуха в мезосфере.Состав этих облаков, источники влаги и ядер конденсации, динамика и связь с метеорологическимифакторами пока еще недостаточно изучены.

Термосфера  представляет собой слойатмосферы, в котором непрерывно повышается температура. Его мощность может достигать600 км. Давление и, следовательно, плотность газа с высотой постоянно уменьшаются.Вблизи земной поверхности в 1 м3 воздуха содержится ок. 2,5´1025молекул, на высоте ок. 100 км, в нижних слоях термосферы, – приблизительно 1019,на высоте 200 км, в ионосфере, – 5´1015 и, по расчетам,на высоте ок. 850 км – примерно 1012 молекул. В межпланетном пространствеконцентрация молекул составляет 108–109 на 1 м3.

На высоте ок. 100 км количествомолекул невелико, и они редко сталкиваются между собой. Среднее расстояние, котороепреодолевает хаотически движущаяся молекула до столкновения с другой такой же молекулой,называется ее средним свободным пробегом. Слой, в котором эта величина настолькоувеличивается, что вероятностью межмолекулярных или межатомных столкновений можнопренебречь, находится на границе между термосферой и вышележащей оболочкой (экзосферой)и называется термопаузой. Термопауза отстоит от земной поверхности примерно на650 км.

При определенной температурескорость движения молекулы зависит от ее массы: более легкие молекулы движутся быстреетяжелых. В нижней атмосфере, где свободный пробег очень короткий, не наблюдаетсязаметного разделения газов по их молекулярному весу, но оно выражено выше 100 км.Кроме того, под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнцамолекулы кислорода распадаются на атомы, масса которых составляет половину массымолекулы. Поэтому по мере удаления от поверхности Земли атомарный кислород приобретаетвсе большее значение в составе атмосферы и на высоте ок. 200 км становится ее главнымкомпонентом. Выше, приблизительно на расстоянии 1200 км от поверхности Земли, преобладаютлегкие газы – гелий и водород. Из них и состоит внешняя оболочка атмосферы. Такоеразделение по весу, называемое диффузным расслоением, напоминает разделение смесейс помощью центрифуги.

Экзосферой   называется внешний слойатмосферы, выделяемый на основе изменений температуры и свойств нейтрального газа.Молекулы и атомы в экзосфере вращаются вокруг Земли по баллистическим орбитам подвоздействием силы тяжести. Некоторые из этих орбит параболические и похожи на траекторииметательных снарядов. Молекулы могут вращаться вокруг Земли и по эллиптическим орбитам,как спутники. Некоторые молекулы, в основном водорода и гелия, имеют разомкнутыетраектории и уходят в космическое пространство.

                       ЗАГРЯЗНЕНИЕАТМОСФЕРЫ

     На всех стадиях своего развития человек был тесносвязан с окружающим миром.  Но с тех пор как появилось высокоиндустриальноеобщество,  опасное  вмешательство  человека  в природу резко усилилось, расширился объём этого  вмешательства,  оно стало  много образнее  и  сейчасгрозит стать глобальной опасностью для человечества.  Расход невозобновимых видов  сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, такна них строятся города и заводы.  Человеку приходится все

больше вмешиваться  в  хозяйство  биосферы  — той частинашей планеты, в которой существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается  нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделитьнесколько наиболее  существенных процессов, любой  из которых не улучшаетэкологическую ситуацию на планете. Наиболее масштабным  и  значительным является  химическое загрязнение среды несвойственными  ей  веществами химической природы. Среди  них — газообразные и аэрозольные загрязнителипромышленно-бытового происхождения.  Прогрессирует и накопление углекислого газа в атмосфере.  Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливатьнежелательную  тенденцию  в  сторону повышения среднегодовой температуры напланете. Вызывает тревогу  у экологов и продолжающееся загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее уже  11/5  его общей поверхности. Нефтяноезагрязнение таких размеров может вызвать  существенные нарушения  газо  иводообмена между гидросферой и атмосферой. Не вызывает сомнений и значениехимического  загрязнения почвы пестицидами и ее повышенная кислотность, ведущаяк распаду экосистемы.  В целом все рассмотренные факторы, которым можноприписать 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 этотпериод, были незначительны. Приходилось мириться с  тем,  что  дым  мешалдыханию, и что сажа ложилась черным покровом на потолке и стенах жилища. Получаемое тепло  было для  человека важнее,  чем чистый воздух и незакопченные  стены пещеры.  Это начальное загрязнение воздуха не представлялопроблемы,  ибо  люди  обитали тогда небольшими группами,  занимая неизмернообширную нетронутую природную среду. И даже  значительное сосредоточение людей  на сравнительно небольшой территории, как это было в классическойдревности,  не сопровождалось еще  серьезными  последствиями.

Так было вплоть доначала  девятнадцатого  века.  Лишь  за последние сто  лет развитиепромышленности «одарило» нас такими производственными процессами, последствия которых  вначале человек  еще не мог себе представить.  Возниклигорода-миллионеры, рост которых остановить нельзя.  Все  это  результат великихизобретений и завоеваний человека.

     В основном существуют три основных  источника  загрязненияатмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каждого изэтих источников в общем, загрязнении воздуха сильно различается в зависимостиот места. Сейчас общепризнанно, что наиболее сильно загрязняет воздухпромышленное  производство.  Источники загрязнении — теплоэлектростанции,которые вместе с  дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ;металлургические предприятия,  особенно цветной металлургии, которыевыбрасывают  в  воздухоксилы  азота,  сероводород,  хлор, фтор,  аммиак,соединения фосфора, частицы и соединения ртути  и мышьяка;  химические ицементные заводы. Вредные газы попадают в  воздух в результате сжигания топливадля нужд промышленности, отопления жилищ,  работы транспорта, сжигания ипереработки бытовых и промышленных отходов. Атмосферные загрязнители разделяютна первичные,  поступающие непосредственно  в  атмосферу, и  вторичные, являющиеся  результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферусернистый газ окисляется до  серного ангидрида,  который взаимодействует спарами воды и образует капельки серной кислоты.  При  взаимодействии серногоангидрида  с  аммиаком  образуются кристаллы сульфата аммония. Подобнымобразом, в результате химических,  фотохимических, физико-химических реакциймежду загрязняющими веществами и компонентами атмосферы,  образуются  другие вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планетеявляются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия,котельные установки, потребляющие более 170%  ежегодно добываемого твердого ижидкого топлива. Вредными основными   примесями  пирогенного  происхождения являются  следующие:

     а) Оксид углерода. Получается при неполном сгоранииуглеродистых веществ.  В воздух он попадает в результате сжигания твердыхотходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодноэтого газа поступает в атмосферу не менее  1250 млн.т.  Оксид углерода являетсясоединением,  активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствуетповышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.

     б) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгораниясеру содержащего топлива или  переработки  сернистых  руд  (до   170  млн.т. вгод).  Часть  соединений  серы выделяется при горении органических остатков вгорнорудных отвалах. Только в США общее количество  выброшенного в атмосферусернистого ангидрида  составило  65 процентов  от общемирового выброса.

      в) Серный  ангидрид. Образуется  при окислениисернистого  ангидрида. Конечным продуктом реакции является  аэрозоль  или раствор серной  кислоты  в дождевой воде,  который подкисляет почву, обостряетзаболевания дыхательных путей человека.  Выпадение аэрозоля серной кислоты издымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности ивысокой  влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих нарасстоянии менее  11 км.  от таких предприятий,  обычно  бывают густо усеянымелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной кислоты.  Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, атакже ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу  1десятки миллионов тонн  серногоангидрида.

      г) Сероводород и сероуглерод.  Поступают в атмосферу раздельно или  вместе с другими соединениями серы.  Основными источникамивыброса являются предприятия  по  изготовлению  искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы.  Ватмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленномуокислению до серного ангидрида.

     д) Оксиды  азота. Основными  источниками выбросаявляются предприятия, производящие азотные удобрения,  азотную кислоту  инитраты,  анилиновые красители,  нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидов азота, поступающих в атмосферу, составляет  20 млн.т.  вгод.

      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 фториданатрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим  эффектом. Производные  фтора  являются

  сильными инсектицидами.

      ж) Соединения  хлора.  Поступают в атмосферу отхимических  предприятий, производящих  соляную  кислоту,  хлорсодержащиепестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду.  Ватмосфере встречаются как примесь  молекулы хлора и паров соляной кислоты.Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией.  Вметаллургической промышленности при  выплавке  чугуна  и  при  переработке егона сталь происходит выброс в атмосферу тяжелых различных  металлов и ядовитыхгазов. Так, в расчете на  11 т.  0передельного чугуна выделяется кроме  12,7кг.  0сернистого газа и  14,5 кг.  0пылевых частиц,  определяющих количествосоединений 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 иавиации 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 числаавтомобилей) от 30 до 70 % общей массы выбросов. В США в целом по стране, покрайней мере, 40 % общей массы пяти основных загрязняющих веществ составляютвыбросы подвижных источников.

   Автотранспорт. Основной вклад в загрязнениеатмосферы вносят автомобили, работающие на бензине (в США на их долю приходитсяоколо 75 %), затем самолеты (примерно  5 %), автомобили  с дизельнымидвигателями (около  4 %), тракторы и  другие сельскохозяйственные машины (около4 %), железнодорожный и водный транспорт (примерно 2 %). К основнымзагрязняющим атмосферу веществам, которые выбрасывают  подвижные источники,(общее число таких веществ превышает 40), относятся оксид углерода (в США егодоля в общей массе составляет около 70 %), углеводороды (примерно 19 %) иоксиды азота (около 9 %). Оксид углерода (CO) и оксиды азота (N0x) поступают в атмосферу только с выхлопными газами, тогдакак не полностью сгоревшие углеводороды (HnCm) поступают как вместе с выхлопными газами, (он составляетпримерно 60 %  от общей массы выбрасываемых углеводородов), так и из картера(около 20 %), топливного бака (около 10 %) и карбюратора (примерно 10 %); твердыепримеси поступают в основном с выхлопными газами (90 %) и из картера (10 %).

Наибольшее количествозагрязняющих веществ выбрасывается при разгоне автомобиля, особенно прибыстром, а также при движении с малой скоростью (из диапазона наиболееэкономичных). Относительная доля (от общей массы выбросов) углеводородов иоксида углерода наиболее высока при торможении и на холостом ходу, доля оксидовазота — при разгоне. Из этих данных следует, что автомобили особенно сильнозагрязняют воздушную среду при частых остановках и при движении с малойскоростью.

Создаваемые в городах системыдвижения в режиме «зеленой волны», существенно  сокращающие число остановок транспорта на перекрестках, призваны сократить загрязнениеатмосферного воздуха в городах. Большое влияние на качество и количество выбросов примесей оказывает режим  работы двигателя, в частности соотношениемежду массами топлива и воздуха, момент зажигания, качество топлива, отношениеповерхности камеры сгорания к ее объему и др. При увеличении отношения массывоздуха и топлива, поступающих в камеру  сгорания, сокращаются выбросы оксидауглерода и углеводородов, но  возрастает выброс оксидов азота.

Несмотря на то, что  дизельныедвигатели  более экономичны, таких веществ,  как  СО, HnCm,NOx, выбрасывают  не более чембензиновые,  они  существенно  больше  выбрасывают дыма (преимущественнонесгоревшего углерода), который к тому же обладает неприятным запахом,создаваемым некоторыми  несгоревшими углеводородами. В сочетании же ссоздаваемым шумом дизельные двигатели не только сильнее загрязняют  среду, но ивоздействуют 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  взагрязнение  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  наземныепередвижные  средства, подъезжающие и отъезжающие  автомобили.

    Согласно полученным оценкам, в  среднем около 42 % общего расхода топлива тратится на выруливание самолета  квзлетно-посадочной полосе  (ВПП) перед  взлетом и  на заруливание с ВПП послепосадки (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  взоне горения, использование присадок к топливу, впрыск воды и др.),существенного  уменьшения  выбросов  можно  добиться путем сокращения  времениработы  двигателей на  земле и  числа работающих двигателей при рулении (толькоза счет последнего достигается снижение выбросов в 3 — 8 раз).

В последние 10 — 15 лет большое внимание уделяется исследованию тех эффектов, которые могут возникнуть в связис полетами сверхзвуковых  самолетов  и  космических  кораблей. Эти полетысопровождаются   загрязнением стратосферы оксидами азота и серной кислотой(сверхзвуковые  самолеты), а также частицами оксида  алюминия  (транспортные космические корабли). Поскольку  эти загрязняющие вещества разрушают озон, топервоначально создалось мнение (подкрепленное соответствующими модельнымирасчетами), что планируемый рост числа полетов сверхзвуковых самолетов итранспортных космических кораблей приведет к существенному уменьшениюсодержания озона со всеми губительными последующими воздействиямиультрафиолетовой радиации на биосферу  Земли. Однако более глубокий подход кэтой проблеме позволил сделать заключение о слабом влиянии выбросысверхзвуковых самолетов на состояние стратосферы. Так, при современном числесверхзвуковых самолетов и выбросе загрязняющих веществ на высоте около 16 кмотносительное уменьшение содержания О3 может составить примерно 0.60; если ихчисло возрастет до 200 и высота полета будет близка к 20 км, то относительноеуменьшение содержания О3 может подняться до 17%. Глобальная приземнаятемпература воздуха за счет парникового эффекта, создаваемого выбросами сверхзвуковыми самолетами может повыситься не более чем на 0,1°C/

Более сильное воздействие наозонный слой и глобальную температуру воздуха могут оказать хлорфторметаны(ХФМ0 фреон-11 и фреон-12 — газы, образующиеся в частности, при испарении аэрозольных препаратов, которыеиспользуются (преимущественно женщинами) для крашения волос. Поскольку ХФМочень инертны, то они распространяются и долго живут не только в тропосфере, нои в стратосфере. Обладая довольно сильными полосами поглощения в окнепрозрачности атмосферы (8-12 мкм), фреоны усиливают парниковый эффект.Наметившееся в последние десятилетия темпы роста производства фреонов могутпривести к увеличению содержания фреона-11 и фреона-12 в 2030 г. до 0,8 и 2,3млрд. (при современных значениях 0,1 и 0,2 млрд.). Под влиянием такогоколичества фреонов общее содержание озона в атмосфере уменьшится на 18%, а внижней стратосфере даже на 40;  глобальная приземная температура возрастет на0,12-0,21°С.

В заключение можно отметить, чтовсе эти антропогенные эффекты перекрываются в глобальном масштабе естественнымифакторами, например, загрязнением атмосферы вулканическими извержениями.

                ЗАЩИТА  АТМОСФЕРЫ ОТ  ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Проблема загрязнения воздуха в городах и общееухудшение качества атмосферного воздуха вызывает серьезную озабоченность. Дляоценки уровня загрязнения атмосферы в 506 городах России создана сеть постовобщегосударственной службы наблюдений и контроля за загрязнением атмосферы какчасти природной среды. На сети определяется содержание в атмосфере вредныхразличных веществ, поступающих от антропогенных источников выбросов. Наблюденияпроводятся сотрудниками местных организаций Госкомгидромета, Госкомэкологии,Госсанэпиднадзора, санитарно-промышленных лабораторий различных предприятий. Внекоторых городах наблюдения проводятся одновременно всеми ведомствами.Контроль качества атмосферного воздуха в населенных пунктах организуется всоответствии с ГОСТом 17.2.3.01-86 «Охрана природы. Атмосфера. Правила контролякачества воздуха населенных пунктов», для чего устанавливают три категориипостов наблюдений за загрязнением атмосферы:стационарный, маршрутный,передвижной или подфакельный. Стационарные посты предназначены дляобеспечения непрерывного контроля за содержанием загрязняющих веществ илирегулярного отбора проб воздуха для последующего контроля, для этого вразличных районах города устанавливаются стационарные павильоны, оснащенныеоборудованием для проведения регулярных наблюдений за уровнем загрязненияатмосферы. Регулярные наблюдения проводятся и на маршрутных постах, с помощьюоборудованных для этой цели автомашин. Наблюдения на стационарных и маршрутныхпостах в различных точках города позволяет следить за уровнем загрязненияатмосферы. В каждом городе проводят определения концентраций основныхзагрязняющих веществ, т.е. тех, которые выбрасываются в атмосферу почти всемиисточниками: пыль, оксиды серы, оксиды азота, оксид углерода и др. Кроме того,измеряются концентрации веществ, наиболее характерных для выбросов предприятийданного города. Для изучения особенностей загрязнения воздуха выбросамиотдельных промышленных предприятий проводятся измерения концентраций сподветренной стороны под дымовым факелом, выходящим из труб предприятия наразном расстоянии от него. Подфакельные наблюдения проводятся на автомашине илина стационарных постах. Чтобы детально ознакомиться с особенностями загрязнениявоздуха, создаваемого автомобилями, проводятся специальные обследования вблизимагистралей.

    Химические методы отчистки  от газо- и парообразныхвыбросов в атмосферу. Процессы очистки технологических и вентиляционныхвыбросов машиностроительных предприятий от газо- и парообразных примесейхарактеризуются рядом особенностей: во-первых, газы, выбрасываемые в атмосферу,имеют достаточно высокую температуру и содержат большое количество пыли, чтосущественно затрудняет процесс газоочистки и требует предварительной подготовкиотходящих газов; во-вторых, концентрация газооб­разных и парообразных примесейчаще в вентиляционных и реже в технологических выб­росах обычно переменна иочень низка.

Методы очистки промышленныхвыбросов от газообразных примесей по характеру протекания физико-химическихпроцессов делятся на четыре группы: промывка выбросов растворителями примеси(метод абсорбции); промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примесихимически (метод хемосорбции); поглощение газообразных приме­сей твердымиактивными веществами (метод адсорбции); поглощение примесей путем при­менениякаталитического превращения.

Метод абсорбции. Этотметод заключается в разделении газо-воздушной смеси на составные части путемпоглощения 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 привыборе абсорбента является растворимость в нем извлекаемого компонента и ее зависимостьот температуры и давле­ния. Если растворимость газов при 0° С и парциальномдавлении 101,3 кПа составляет сотни граммов на 1 кг растворителя, то такие газыназываются хорошо растворимыми.

Для удаления из технологическихвыбросов 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 поглощенииже из газов сернистого ангидрида или хлора расход воды будет значительным, т.к. раствори­мость их составляет сотые доли грамма на 1 кг воды. В некоторыхспециальных случаях вместо воды применяют водные растворы таких химическихвеществ, как серная кислота (для улавливания водяных паров), вязкие масла (дляулавливания ароматических углево­дородов из коксового газа) и др. Применениеабсорбционных методов очистки, как прави­ло, связано с использованием схем,включающих узлы абсорбции и десорбции. Десорбция растворенного газа (илирегенерация растворителя) производится либо снижением общего давления (илипарциального давления) примеси, либо повышением температуры, либоиспользованием обоих приемов одновременно. В зависимости от конкретных задачприме­няются абсорбенты различных конструкций: пленочные, насадочные, трубчатыеи др. Наибольшее распространение получили скрубберы, представляющие собойнасадку, размещенную в полости вертикальной колонны. В качестве насадки,обеспечивающей боль­шую поверхность контакта газа с жидкостью, обычноиспользуются кольца Ролинга, коль­ца с перфорированными стенками и др.материалы.

Метод хемосорбции. Основанна поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями с обра­зованиеммало летучих или малорастворимых химических соединений.

       Примером хемосорбции может служить очистка газо-воздушнойсмеси от сероводорода путем применения мышьяково-щелочного, этаноламинового идругих растворов. При мышьяково-щелочном методе извлекаемый из отходящего газасероводород связывается окси-сульфомышьяковой солью, находящейся в водномрастворе.                                                            

      Методы абсорбции и хемосорбции, применяемые дляочистки промышленных выбро­сов, называются мокрыми методами. Преимуществоабсорбционных методов заключается в возможности экономической очистки большогоколичества газов и осуществления не­прерывных технических процессов.

      Основной недостаток мокрых методов состоит в том, чтоперед очисткой и после ее осуществления сильно понижается температура газов,что приводит в конечном итоге к снижению эффективности рассеивания остаточныхгазов в атмосфере.

      Метод адсорбции основан на физических свойствахнекоторых твердых тел с ультра­микроскопической пористостью селективноизвлекать и концентрировать на своей поверх­ности отдельные компоненты изгазовой смеси. В пористых телах с капиллярной структу­рой поверхностноепоглощение дополняется капиллярной конденсацией. Наиболее широко в качествеадсорбента используется активированный уголь. Он применяется для очистки газовот органических паров, удаления неприятных запахов и газообразных примесей, со­держащихсяв промышленных выбросах, а также летучих растворителей и целого ряда другихгазов. В качестве адсорбентов применяются также простые и комплексные оксиды(активированный глинозем, силикагель, активированный оксид алюминия,синтетические цеолиты или молекулярные сита), которые обладают большейселективной способностью, чем активированные угли. Однако они не могутиспользоваться для очистки очень влажных газов. Некоторые адсорбенты иногдапропитываются соответствующими реактивами, повышающими эффективность адсорбции,т. к. на поверхности адсорбента происходит хемосорбция. В качестве такихреактивов могут быть использованы растворы, которые за счет химических реакцийпревращают вредную примесь в безвредную.

    Конструктивно адсорбенты выполняются в виде вертикальных,горизонтальных либо кольцевых емкостей, заполненных пористым адсорбентом, черезкоторый фильтруется по­ток очищаемого газа.

    Выбор конструкции определяется скоростью газовой смеси,размером частиц адсорбен­та, требуемой степенью очистки и рядом другихфакторов. Вертикальные адсорбенты, как правило, находят применение принебольших объемах очищаемого газа; горизонтальные и кольцевые — при высокойпроизводительности, достигающей десятков и сотен тысяч мУч.

   Фильтрация газа происходит через неподвижный (адсорберыпериодического действия) или движущийся слой адсорбента. Наибольшеераспространение получили адсорберы пе­риодического действия, в которых периодконтактирования очищаемого газа с твердым адсорбентом чередуется с периодомрегенерации адсорбента.

    Установкапериодического действия (с неподвижным слоем адсорбента) отличаетсяконструктивной простотой, но имеет низкие допускаемые скорости газового потокаи, сле­довательно, повышенную металлоемкость и громоздкость. Процесс очистки втаких аппа­ратах носит периодический характер, т.е. отработанный, потерявшийактивность поглоти­тель время от времени заменяют либо регенерируют.Существенным недостатком таких аппаратов являются большие энергетическиезатраты, связанные с преодолением гидрав­лического сопротивления слояадсорбента. Движение адсорбента в плотном слое под дей­ствием силы тяжести илив восходящем потоке очищаемого воздуха обеспечивает непре­рывность работыустановки. Такие методы позволяют более полно, чем при проведении процесса снеподвижным слоем адсорбента, использовать адсорбционную способность сор­бента,организовать процесс десорбции, а также упростить условия эксплуатации обору­дования.В качестве недостатка этих методов следует отметить значительные потери ад­сорбентаза счет ударов частиц друг о друга и стирания о спинки аппарата.

     Каталитический метод. Этим методом превращаюттоксичные компоненты промышленных выбросов в веще­ства безвредные или менеевредные для окружающей среды путем введения в систему дополнительных веществ,называемых катализаторами. Каталитические методы основаны на взаимодействииудаляемых веществ с одним из компонентов, присутствующих в очища­емом газе, илисо специально добавленным в смесь веществом на твердых катализаторах. Действиекатализаторов проявляется в промежуточном (поверхностном химическом) взаи­модействиикатализатора с реагирующими соединениями, в результате которого образу­ютсяпромежуточные вещества и регенерированный катализатор.

    Методы подбора катализаторов отличаются большим разнообразием, но все они бази­руютсяв основном на эмпирических или полуэмпирических способах. Об активности ката­лизаторовсудят по количеству продукта, получаемого с единицы объема катализатора, или поскорости каталитических процессов, при которых обеспечивается требуемая степеньпревращения. В большинстве случаев катализаторами могут быть металлы или ихсоединения (платина и металлы платинового ряда, оксиды меди и марганца и т.д.). Для осуществления каталитического процесса необходимы незначительныеколичества катали­затора, расположенного таким образом, чтобы обеспечиватьмаксимальную поверхность контакта с газовым потоком. Катализаторы обычновыполняются в виде шаров, колец или проволоки, свитой в спираль.

     В последние годы каталитические методы очистки нашлиприменение для нейтрализа­ции выхлопных газов автомобилей. Для комплекснойочистки выхлопных газов — окисле­ния продуктов неполного сгорания ивосстановления оксида азота — применяют двухсту­пенчатый каталитическийнейтрализатор.

     В качествевосстановительного катализатора приме­няют арсениды металлов (медно-никелевыйсплав) или ка­тализатор из благородных металлов (например, платина наглиноземе). После восстановленного катализатора к отра­ботавшим газам длясоздания окисной среды через патру­бок 3 подводится вторичный воздух. Наокислительном ка­тализаторе происходит нейтрализация продуктов неполногосгорания — оксида углерода и углеводородов:

Для окислительных процессовприменяют катализатор из переходных металлов (медь, никель, хром и др.). Содер­жаниеоксида углерода в выхлопных газах автомобиля с нейтрализатором снижается по­чтив 10 раз, а углеводород — 8 раз. Широкому применению каталитическихнейтрализато­ров препятствует использование бензина, который содержитопределенное количество свинца. Свинец дезактивирует катализаторы в течение100—200 ч.

     Термическийметод. Достаточно большое развитие в отечественной практике нейтрализациивредных при­месей, содержащихся в вентиляционных и других выбросах, имеетвысокотемпературное дожигание (термическая нейтрализация). Для осуществле­ниядожигания (реакции окисления) необходимо поддержа­ние высоких температурочищаемого газа и наличие доста­точного количества кислорода.

Одним из простейших устройств,используемых для ог­невого обезвреживания технологических и вентиляционныхвыбросов, является горелка, предназначенная для сжигания природного газа.

  ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На пороге III тысячелетия нетнеобходимости доказывать остроту и масштабность, а значит, и опасностьсложившейся в мире экологической ситуации. Виновником экологического кризиса наЗемле стал человек. Он же является как субъектом, так и объектом последнего.Никакому иному биологическому виду не удалось уничтожить столь большое числодругих видов, необратимо изменить экологическую ситуацию на планете. Но нельзяостановить продвижение человечества вперед, вряд ли возможен отказ отсоздаваемой им искусственной биосферы, от созданных им условий жизни. Чтоделать? 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 путемкомпромиссов и поисков оптимальных решений, выход в коэволюции (совместной,взаимосвязанной эволюции биосферы и человеческого общества). Выживание человекав условиях глобального экологического кризиса, несомненно, зависит от научныхзнаний, внедрения в практику новых технических достижений. Но эти достижения несмогут принести ожидаемых результатов без опоры на нравственное воспитание иопределенные культурные традиции. К сожалению, осознание важностиэкологического образования и воспитания пришло лишь в последние годы. В тожевремя технократические установки настолько сильны, что выход из экологическогокризиса 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 техническимпрогрессом, то надо просто внести соответствующие коррективы в направлениеэтого прогресса. Экологический кризис мыслится как нечто внешнее по отношению кчеловеку, а не как-то, что заключено в нем самом.