2.4. Атмосфера

2.4. Атмосфера
Определяющим, а возможно и уникальным, явлением эволюционного процесса на
Земле стало появление жизни. Это не стало бы возможным, если бы планета не была бы
окутана газовой оболочкой высотой в несколько сотен километров. И жизнь в теперешнем
виде не могла возникнуть, если бы атмосфера молодой планеты содержала свободный кислород.
Современный состав земной атмосферы до высоты, примерно. 100 км имеет следующий химический состав (Табл. 2.5), выраженный в процентном соотношении объёмов
№
1
2
3
4
5
6
Газ
Азот
Кислород
Аргон
Углекислый газ
Неон
Гелий
Объёмное
содержание, %
78,084
20,946
0,943
0,033
1,8⋅10 − 5
5,24⋅10 − 6
№
Газ
7
8
9
1
11
Метан
Криптон
Водород
Окись азота
Ксенон
Таблица 2.5
Объёмное
содержание, %
2⋅10 − 6
1,14⋅10 − 6
5⋅10 − 7
5⋅10 − 7
8,7⋅10 − 8
На высоте более 100 км под действием ультрафиолетовой части электромагнитного
излучения Солнца молекулы водяного пара диссоциируют на водород и гидроксил. Два
гидроксильных радикала затем соединяются образуя молекулу перекиси водорода, которая в течение непродолжительного времени разлагается на свободный кислород и воду.
Цикл превращений повторяется. Тяжёлые молекулы кислорода О2, имеющие молярную
массу μ(О2) = 16⋅10 − 3 кг/моль под действием гравитационных сил опускаются к поверхности, а лёгкие молекулы водорода μ(Н2) = 2⋅10 − 3 кг/моль поднимаются в верхние слои
атмосферы, где температуры таковы, что тепловые скорости их движения превышают
первую космическую скорость
3RT
км
,
(2.4)
< v >≅
≅ 8,64
с
μ
что всего в 1,3 раза (v2K ≅ 11,2 км/с) меньше второй космической скорости. В уравнении
(2.4), являющимся следствием основного уравнения молекулярно-кинетической теории
приняты следующие обозначения: R ≅ 8,314 Дж/(моль⋅К) − универсальная газовая постоянная, μ − молярная масса, Т − абсолютная температура.
Атмосфера по своей высоте имеет весьма специфическое, нелинейное распределение температур (Рис. 2.14).
Если придерживаться мнения, что все планеты Солнечной системы возникли из одного
и того же протопланетного вещества, то начальная земная атмосфера должна была быть
близкой по составу к атмосферам планет-гигантов − Урана, Сатурна и Юпитера, которые
благодаря своим значительным массам смогли удержать в гравитационном поле значительную часть лёгких компонентов газообразного вещества. В атмосферах этих массивных планет сохранились такие газы, как аммиак, метан и даже водород.
45
Рис. 2.14. Распределение температур и давлений в атмосфере
Первичная атмосфера Земли оказалась неустойчивой, её сдуло предположительно,
Солнечным ветром, поэтому в современной атмосфере практически отсутствует водород.
Водород сохранился только в самых верхних слоях атмосферы, где он синтезируется в
процессе фотодиссоциации паров воды при воздействии ультрафиолетового излучения
Солнца. Однако в верхней атмосфере водород долго не задерживается, улетая в космическое пространство. Покинувший земную атмосферу водород образует водородную корону, занимающую несколько тысяч километров.
Первичная атмосфера, кроме того, претерпела изменения, как бы изнутри, при эволюции Земли. В результате работы вулканов выбрасывалось огромное количество газов в
виде углекислоты (СО2), сероводорода (Н2S), аммиака (NH3), цианистого водорода (HCN)
и прочих газообразных продуктов вулканической деятельности. Продукты начавшейся к
тому времени фотодиссоциации, особенно кислород, активно окисляли вулканические газы. Образующиеся при этом окислы под действием силы тяжести опускались к поверхности Земли. Это, по сути, была уже атмосфера второго поколения, основным свойством которой было незначительное количество свободного кислорода.
Дополнительным подтверждением нестабильности земной атмосферы может служить
мизерное количество инертных газов по сравнению с их распространённостью в космическом пространстве, включая околоземное. Инертные газы потому так и были прозваны,
что они крайне редко вступали в соединения с другими веществами, т.е. не образовывали
на протяжении истории Земли тяжёлых соединений, по этой причине, подобно водороду,
разогрелись до второй космической скорости ( < v >≈ T ) и покинули атмосферу.
В 1953 г. Стэнли Миллер в лабораторных условиях успешно провёл моделирование
физико-химических условий на ранней Земле. В частности, в специальной установке (Рис.
46
2.15) был осуществлён синтез органических веществ из неорганических
молекул CO, CO2, CH4, HCN, H2О.
Различные комбинации газов, имевшие место в ранней атмосфере Земли
подвергались воздействию ультрафиолетового излучения, получаемого
при высоковольтных разрядах. Миллеру и его продолжателям удалось
синтезировать ряд аминокислот, аденин, глицин, глутаминовую кислоту и
простые сахара. Было установлено,
что наиболее эффективно синтез протекает в диапазоне ультрафиолетового
излучения λ = 2 − 2,5⋅10 − 10 м, которое
в отсутствие озонового слоя в ранней
атмосфере было вполне вероятным. В
настоящее время указанный диапазон
ультрафиолетового излучения Солнца
Рис. 2.15. Установка Стэнли Миллера [6]
поглощается озоновым слоем. При
проведении облучения в течение нескольких десятков часов в реакторе образовывался целый набор аминокислот. При добавлении в реактор некоторого количества соединений
серы образовывались достаточно протяжённые полимерные молекулы, включающие в
свой состав углеводородные цепочки.
В колбе 1 кипела вода, обеспечивая выделение водяного пара, вакуумный насос 2 и
кран 3 позволяли удалять атмосферный воздух и водяные пары. Реактор 4 содержал смесь
газов метана СН4, аммиака NH3, водяных паров H2O, водорода Н2, моделирующих ранний
состав земной атмосферы. В реакторе происходили электрические разряды высокого напряжения, получаемого с помощью устройства, состоящего из катушек L1 (7)и L2 (8), механического прерывателя 9 и источника постоянного напряжения 10. Продукты реакции
подавались в охладитель 5 и накопитель продуктов реакции 6. Кроме упомянутых газов в
процессе эксперимента в реактор добавлялось некоторое количество серы, которая играла
роль катализатора. На рис.2.16. показано изменение концентрации синтезируемых веществ в зависимости от времени внешнего воздействия на модельную среду.
Кривая 1 показывает поведение во времени концентрации n аминокислот, кривая 2 −
аммиака, кривая 3 − цианистого водорода, 4 − альдегидов. Как показали эксперименты,
для синтеза сложных органических молекул в отсутствие кислорода на ранней Земле
Рис. 2.16. Зависимость концентрации веществ от времени
47
нужно было определённое время и источники внешнего ультрафиолетового излучения с
энергией квантов в единицы электрон-вольт. И конечно немного серы, которую, по не
вполне понятным причинам считают в определённых литературных источниках околонаучного содержания «исчадием ада». Несправедливо, однако.
Сейчас трудно установить личность конкретного человека, открывшего атмосферу.
Более двух тысяч лет учёные постепенно составляли представления об уникальной газовой оболочке Земли.
Античные учёные считали воздух одной из основных мировых субстанций, которая
способна разделяться на более простые составляющие. Великий Аристотель (384 − 322 гг.
до н.э.) утверждал, что мир состоит из четырёх оболочек, являющихся сутью материи:
земли, в виде, воды, воздуха и огня. Внешняя область представлялась Аристотелем в виде
незримого совершенного пятого элемента, «Квинтэссенции». Эмпедокл из Акраганта (490
− 430 гг. до н.э.) тоже полагал, что Вселенная состоит всего из четырёх тех же, что и у
Аристотеля элементов − воды, земли, огня и воздуха.
Следует заметить, что многие Древние Греки, включая Аристотеля, в своих схемах
мироздания не отводили места пустоте, как таковой. Заканчивалась земная твердь, начинался слой воды (океана), океан плавно переходил в небо, состоящее из воздуха, воздушная оболочка граничила с оболочкой огня, за которой сразу начинались необозримые просторы, занятые эфиром. Среди натуралистов бытовало мнение: «Природа не терпит вакуума». Вакуум в переводе с латинского − ничто. Это утверждение, казалось, подтверждалось наблюдениями.
В Древней Греции было сделано много очень важных для практической деятельности
человека изобретений. Были придуманы и реализованы, как бы теперь сказали «в металле» многочисленные машины и механизмы, принцип действия которых используется и в
настоящее просвещенное время. К таким творениям древних инженеров относится водяной насос
(Рис. 2.17). Принцип действия такого насоса объяснялся свойством природы бояться пустоты. По
Аристотелю таким устройством можно было поднимать воду на любую высоту. Однако при практическом использовании насоса при откачивании
грунтовых вод из шахт обнаружилось, что максимально возможная высота составила высоту около
10 метров. Почему происходило именно так не
смог разобраться даже Галилео Галилей (1564 −
1642 гг.). Он пришёл к выводу, что природа не
терпит пустоты только до вполне определённого
предела. «Парадокс» был объяснён учеником Галилея, Эванджелистой Торричелли (1608 − 1647
гг.), который в 1644 г. провёл эксперименты с ртутью, жидкостью в 13,5 раза более плотной, чем
вода. Заполнив, полностью закрытую с одного
Рис. 2.17. Водяной насос [2]
конца стеклянную трубку длиной 0,914 м ртутью
и закрыв свободный конец трубки пальцем, Торричелли перевернул её и погрузил в чашу
с ртутью. Отрыв конец трубки, учёный обнаружил, что ртуть вылилась из трубки только
частично. В трубке остался столбик жидкого металла высотой 762 мм над уровнем жидкости в чаше. Так было открыто атмосферное давление и изобретено устройство для его измерения − барометр. Когда ртуть была заменена водой, то для продолжения экспериментов потребовалась более длинная трубка. Столб воды составил 9,9 м. Поделив высоту
столба воды на высоту столба ртути, Торричелли обнаружил, что высоты отличаются в
13,546 раз, т.е. отношение высот столбов жидкостей в точности равно отношению их
48
плотностей. Не замедлила появиться на свет знаменитая формула для определения величины атмосферного давления
p 0 = ρ L gh L ,
(2.5)
где ρL − плотность жидкости, g − ускорение свободного падения, измеренное Галилеем, hL
− высота столба жидкости. Размышляя над полученными результатами, учёные сделали
предположение, что воздух, имея конечный вес, должен обладать и конечной высотой. В
соответствие с уравнением (1.5) и измерениям Торричелли (р0 ≅ 105 Па ≅ 762 мм. рт. ст.)
на каждый квадратный метр поверхности s действует сила F = 105 Н. Принимая плотность
воздуха ρG ≅ 1 кг/м3 постоянной по высоте атмосферы, (распределение давлений и плотностей с высотой, приведенные на рис. 2.14 ещё были неизвестны) была вычислена высота атмосферы
F
F = mg, m = ≈ 10 4 кг, m = ρ G sh,
g
(2.6)
p0
m
F
h=
=
=
≅ 10 км.
ρ G s gρ G s ρ G g
В 1662 г. Роберт Бойль (1627 − 1691), английский учёный, уроженец Ирландии, показал, что плотность воздуха изменяется в зависимости от величины давления, в этой связи
постулат ρG ≅ const пришлось пересмотреть. Бойль провёл серию экспериментов и установил, что изменение объёма воздуха при постоянной температуре пропорционально изменению давления p1V1 = p2V2. Открытие Бойлем этого закона открыло эру исследования
свойств материи, достигшую со временем атомного уровня. А начиналось всё с попыток
установить физические свойства атмосферы
В XVII в. английский физик и химик Джон Миов на основании своих опытов установил, что в состав воздуха входит субстанция, обеспечивающая процессы горения. Он назвал эту субстанцию «горючим воздухом». Кислород в чистом виде был выделен в Англии спустя столетие одновременно двумя учёными Джозефом Пристли и Карлом Шелее
[5] из ртути. Ртуть нагревалась в атмосфере воздуха до превращения в красный порошкообразный материал. Дальнейшее нагревание порошка приводило к выделению из него газа, который поддерживал горение лучше обычного атмосферного воздуха. Это был кислород.
Азот был открыт в 1752 г. шотландским физиком Джозефом Блэком (1728 − 1799), путём его выделения из состава воздуха. Блэк назвал эту компоненту «связанным воздухом».
Позже, через двадцать лет, в Шотландии Даниэл Резерфорд (1749 − 1819), ботаник, врач и
химик при изучении газа, образующего при сгорании древесного угля, выделил в чистом
виде азот, который назвал «удушливый газ».
Термин газ, применительно к атмосфере начал использовать фламандский химик Ян
Баптист ван Гельмонт (1579 − 1644), который изучал газообразные продукты брожения
фруктовых соков, состоящих, в основном, их углекислого газа. Генри Кавендиш (1731 −
1810), человек взвесивший Землю, обнаружил горючий газ, который был назван водородом.
1770 г. Антуан Лоран Лавуазье (1743 − 1794), французский химик и физиолог, повторяя опыты с нагреванием ртути в воздушной среде, выделил в составе атмосферы два газа,
один из которых поддерживает горение, это тыл кислород и второй − азот, «мертвый» газ,
который реакции окисления не поддерживает.
К середине XIX века было установлено, что состав атмосферы одинаков для всех точек
поверхности Земли. При этом было установлено, что в составе атмосферы кислород составляет только 20,9%, остальное количество приходится на азот. Наличие прочих газов,
присутствующих в малых количествах, было обнаружено позже. Знаменитый английский
исследователь − универсал Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей) (1842 − 1919) обнаружил,
что азот, выделенный из воздуха тяжелее азота, полученного из химикалий. Из этого сле49
довало, что в атмосферном азоте присутствует некая газовая субстанция, не обнаруживающая себя в химических реакциях. Спектроскопические исследования атмосферного
азота показали, что исследователи имеют дело с двумя газами. Утяжеляющим азот газом
оказался инертный газ − аргон. Позже, в 1890 г. Уильям Рамзай (1852.− 1916) обнаружил в
составе атмосферы ещё четыре инертных газа: неон («новый»), криптон («спрятанный»),
ксенон («Странник») и гелий, который за тридцать лет до этого был найден на Солнце. С
появлением инфракрасной спектроскопии список составных частей атмосферы пополнили
новые газы: закись азота («веселящий газ»), метан − продукт распада растений и живых
организмов и окись углерода.
Перед тем как начать обсуждение особенности устройства отдельных слоёв земной
атмосферы следует заметить, что чёткой границы, где заканчивается атмосфера выделить
нельзя, газовый слой над нашей планетой постепенно переходит в космическое пространство, которое, строго говоря, нельзя назвать пустотой. Процесс сгорания метеоритов наблюдается на значительных высотах, где давление в миллион раз меньше, чем на поверхности, а плотность воздуха составляет миллиардную часть плотности атмосферы на поверхности. Северные сияния время от времени наблюдаются на высотах порядка 800 −
1300 км над уровнем моря.
В распоряжении просвещенного европейского человечества была только гора Монблан во Франции высотой ≅ 4,8 км, что позволило исследовать свойство атмосферы именно
до этого уровня. На рис. 2.18 показана структура атмосферы по высоте. История исследования свойств атмосферы такова.
Освоение высот посредствам воздушных шаров после изобретения братьев Монгольфьер открыло новые возможности исследования свойств атмосферы. Англичанин Джон
Джеффриз впервые совершил путешествие на воздушном шаре вокруг Лондона, имея на
борту барометр, термометр и устройства для забора воздуха. Французский физик Джозеф
Луи Гей-Люссак (1778 − 1850)в 1804 г. поднялся в воздушном шаре, наполненном водородом, с приборами на высоту более 7 км и взял несколько проб разреженного воздуха.
Гей − Люссак, а затем и Жан-Пьер Бланкар после своих воздушных полётов описали симптомы кислородного голодания, после чего были разработаны беспилотные средства,
обеспечивающие получение информации о давлении и температуре. С помощью беспилотных шаров-зондов было установлено, что на высоте 11 км температура атмосферного
воздуха, измеряемая термометрами, составляет − 55 0С, но с дальнейшим увеличением
высоты температура по непонятным причинам увеличивалась.
Этот феномен исследователи пытались объяснить наличием в атмосфере слоёв с существенно различными аэродинамическими характеристиками. Нижний слой, по мнению
метеорологов, имел ярко выраженный турбулентный режим движения воздуха, характеризующийся интенсивными переносами масс и тепла. Наблюдаемые на поверхности Земли достаточно продолжительные переменные перемещения больших воздушных масс давали к этому все основания. Этот турбулизированный слой, состоящий из азота, кислорода и паров воды, был назван тропосферой, что в переводе с греческого означает «сфера
изменений». Более высокий слой, заключающий в себе молекулы таких лёгких газов как
гелий и водород, был назван стратосферой, что соответствовало опять же греческому понятию «многослойная среда». Часть атмосферы, где скорость изменения температуры
(Рис. 2.16) была равна нулю, получило наименование − тропопауза. Тропопауза в экваториальных районах обнаруживается на высотах порядка 16 км, а в областях ближе к полюсам уровень тропопаузы опускается до 8 км относительно уровня моря.
Во времена второй мировой войны бомбардировочная авиация СССР и союзников,
спасаясь от зенитных снарядов, была вынуждена подниматься на максимально возможные
для двигателей высоты. Пилотами отмечалось, что на нижней границе тропопаузы наблюдаются в направлении с запада на восток воздушные течения, скорость в которых достигает 2000 км/ч. Естественно, что такие планетарного масштаба течения должны оказывать
влияние на динамику воздушных масс и в нижних слоях.
50
Рис. 2.18. Строение атмосферы
Поскольку возможности авиации, до появления реактивных двигателей и ракет были
ограничены, то покорение воздушного океана продвигалось в направлении создания герметичных гондол, транспортируемых газонаполненными шарами. Швейцарский физик
Огюст Пикар (1882 − 1962), сконструировавший первый батискаф, перенес его идеологию
на воздушное пространство. В аэростате братьев Пикар в 1931 г. аэронавты достигли высоты 17,6 км. Совершенствование конструкции несущих оболочек аэростатов позволило
человеку достичь высот 34 км, а беспилотные аппараты поднимать на высоты, превышающие 45 км.
51
В процессе полётов в стратосферу было установлено, что область постоянной температуры не распространяется бесконечно. Границы стратосферы располагались на высоте
20 км, дальше температура начинала увеличиваться. Дальнейшие исследования свойств
атмосферы продолжилось с помощью ракет, известных в Китае с незапамятных времён и
использовавшихся для создания фейерверков. В 1809 г. английский эксперт, по артиллерийскому вооружению сделав анализ случаев применения ракет на востоке, в основном в
психологических целях, пришёл к заключению о возможности их боевого использования
путём транспортировки взрывчатых веществ. Первое массовое использование ракетной
технологии было осуществлено в СССР, когда на вооружении армии и флота появились
знаменитые «Катюши». В Германии ко времени окончания второй мировой войны было
выпущено 4300 ракет конструкции Вернера фон Брауна, 1230 из которых были обрушены
на Лондон. В 1949 г. ракета Брауна V-5, поднялась на высоту 205 км, совершенно недосягаемую для авиации. Примерно в это же время инициативу в использовании ракет для
доставки на большую высоту гидрометеорологических приборов перехватил Советский
Союз, который к 1950 г. стал абсолютным лидером в ракетостроении.
Ракеты, снабжённые средствами телеизмерений, изобретенными отечественным учёным Петром Молчановым в 1925 г. позволили выяснить, что температура за пределами
стратосферы увеличивалась до −10 0С, а на высоте 80 км снова падала до −90 0С, эта область получила название мезосферы. На высотах более 480 км атмосфера представляет
собой разреженный газ, состоящий из молекул водорода и гелия. Температура в этом атмосферном пространстве не представляет собой величину в обиходном понимании, а является следствием скорости движения немногочисленных молекул с большими величинами длин свободного пробега. Если на такую высоту, где по термодинамическим представлениям температура составляет +1000 0С поместить яблоко, то оно не нагреется, а мгновенно превратится в твёрдое тело. Да, молекулы газа действительно движутся со впечатляющими скоростями, но их очень мало, чтобы нагревать даже самые маленькие тела. Эта
часть атмосферы была названа термосферой (сфера тепла). Выше термосферы располагается достаточно размытый слой разреженного газа, который получил название экзосферы.
Экзосфера примыкает к открытому космосу, это уже межпланетное пространство. Эра ракет ознаменовалась в 1957 г. запуском в СССР первого искусственного спутника, предшественника околоземных космических станций, наблюдение за атмосферой с которых стало
вполне обыденным делом.
В нижнем пятикилометровом слое атмосферы Земли сосредоточено 50% её массы, в
шестнадцати километровом слое − 90%, а в тридцати километровом − 99%. Один кубический метр воздуха на уровне моря имеет массу 1,033 кг, а на высоте 40 км всего 4 г.
Кроме вышеупомянутых газов в атмосфере в относительно малом количестве содержится озон (от греческого слова οzοn − пахнущий), представляющий собой аллотропную
модификацию кислорода О3. Озон, газ синего цвета с резким запахом и температурой кипения − 111,9 0С, является сильным окислителем. Озон образуется из молекул кислорода
О2 при электрических разрядах во время грозы и под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Основная масса О3 в атмосфере расположена на высотах от 10 до 50 км, с
максимальной концентрацией на высоте 20 − 25 км. Если озон выделить из всей атмосферы и сконцентрировать его в одном месте при нормальном атмосферном давлении р0 = 105
Па, то образуется сферический слой толщиной 2 − 3 мм. Озон составляет по массе только
одну миллионную часть массы всей атмосферы, однако он несёт существенные защитные
функции, заключающиеся в чрезвычайно интенсивном поглощении электромагнитного
излучения Солнца в ультрафиолетовом диапазоне с длинами волн меньше λ ≤ 2⋅10 − 7 м.
В последние десятилетия в печати много внимания уделяется состоянию озонового
слоя, прежде всего, влиянию на него всё возрастающих выбросов в атмосферу неядовитых
и химически инертных газов − фреонов, которые широко используются в промышленности и быту. В 1996 г. Нобелевской премии по химической экологии удостоены ученыехимики Шервуд Роуланд, Марио Малина из Калифорнийского университета в Беркли
52
(США) и Поль Крутцен из Германии за научную гипотезу, выдвинутую ими еще в 1974 г.
Их догадка состоит в том, что разрушителями озона являлись синтезированные человеком
химические вещества, получившие название хлорфторуглероды.
Уникальность этих газов искусственного происхождения заключается в достаточно
высоких температурах кипения. Так, например, фреон-12 (CF2Cl) вскипает при температуре +30 0С, фреон-11 (CFCl3) начинает кипеть при +24 0С. Эти газы нашли применение в
рефрижераторных установках. Фреон-11 и фреон-12 являются прекрасными пенообразователями, что используется в огнетушителях. Кроме того, фреоны в настоящее время нашли спрос при изготовлении разного рода аэрозольных упаковок. По сообщениям некоторых исследователей, фреоны, попадая в стратосферу, разрушаются ультрафиолетовым излучением Солнца, а образующиеся при этом молекулы хлора реагируют с озоном. По данным измерений, проведенных в 1974 − 1975 гг., в тропосфере на миллион молекул атмосферной смеси газов приходится 10 − 130 молекул фреонов, трихлорэтанов и четырёххлористого углерода. Если, в качестве модели рассматривать жидкость, например, воду, то
указанная концентрация составляет всего 4 г. на 380 кг.
Молекулы фреонов под действием ультрафиолетового излучения Солнца с длиной
волны λ ≅ 1,84 − 2,25⋅10 − 7 м по фотолитической схеме разлагаются, образуя хлор
CFCl 3 + hν → CFCl 2 + Cl;
CF2 Cl 2 + hν → CF2 Cl + Cl.
Хлор далее по каталитической схеме разлагает озон
Cl + O 3 → ClO + O 2 ;
ClO + O → Cl + O 2 ;
O3 + O → O 2 + O 2 .
Тревога учёных о состоянии озонового слоя имеет под собой вполне реальные причины. Так, например, промышленностью США в 1972 г. было выпущено 1,1 млн. т. фреонов,
а в 1974 г. объём выпусков увеличился до 2,3 млн. т., т.е. количество увеличилось на
48,7%. В 1975 г. во всём мире было произведено около 6 млрд. штук различного рода аэрозольных баллончиков на основе фреонов, из них в США − 2,35 млрд. штук.
Удобные в применении флакончики с духами, баллончики с ядохимикатами для уничтожения насекомых, всевозможные косметические и парфюмерные упаковки, способные
разбрызгивать жидкости, представляют прямую угрозу для состояния защитного озонового слоя. Стратосферный озоновый слой защищает людей и природу от жесткого ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения в ультрафиолетовой части солнечного
спектра. Каждый потерянный процент озона в масштабах планеты вызывает до 150 тыс.
дополнительных случаев слепоты из-за катаракты, на 2,6% увеличивает число раковых
заболеваний кожи. Установлено, что жесткий ультрафиолет подавляет иммунную систему
живых организмов. Максимум мирового производства озоноразрушающих веществ пришелся на 1987-1988 гг. и составил около 1,2 − 1,4 млн. т в год. Около 35% производимого
объема приходилось на США, 40%-на страны ЕЭС, 10 − 12% производила Япония.
В последние годы над Северным и Южным полюсами возникли, так называемые,
«озоновые дыры» площадью свыше 10 млн. км2 каждая, появились громадные «озоновые
дыры» над многими странами Европы, над Украиной. Разрушение озонового экрана Земли сопровождается, по мнению некоторых учёных, рядом опасных явных и скрытых негативных воздействий на человека и живую природу.
Прорыв через «озоновые дыры» солнечных рентгеновских и ультрафиолетовых лучей,
энергия фотонов которых (ε = hν) превышает энергию лучей видимого спектра в 50-100
раз, увеличивает число мощных лесных пожаров.
В конце шестидесятых годов горели в многочисленных местах леса в Австралии, Северной и Южной Америки, Африки, Европы, Юго-Восточной Азии. Лесной пожар, случившийся в Индонезии в 1997 г., протекавший около 5 месяцев, закрыл дымом не только
53
Индонезию, но и всю Малую Азию, Сингапур, даже распространился на акваторию Южно-Китайского моря. Не на много благополучнее стали и два последних года. Лесные пожары в Южной и Северной Америке поражали воображение своими масштабами и интенсивностью.
Ещё одной угрозой благополучия озонового слоя является ракетное топливо
(NH4СlO4), продукты сгорания которого доставляются сразу на большие высоты, в частности, в районы максимальной концентрации молекул озона. Однако количество азота,
превалирующего в продуктах сгорания ракетного топлива, представляется несущественным по сравнению с объёмами, поступающими в атмосферу с поверхности Земли. Например, автомобили и тепловые электростанции Соединённых Штатов в течение года выбрасывают в атмосферу 15 млн. т. азота. Ещё одним мощным источником азотного загрязнения является сельскохозяйственное производство, повсеместно использующее азотные
удобрения, которые добавляют в атмосферу ещё около 50 млн. т. этого газа. Процесс полива сельскохозяйственных земель сопряжён с вымыванием третьей части удобрений в
водоёмы, где происходит образование окислов азота с последующим их испарением в
воздух. Поднимаясь в верхние слои атмосферы окислы азота, действуют разрушительно
на озоновый слой.
Исследование химического состава атмосферы показали, что в воздухе в том или ином
количестве содержатся практически все элементы, встречающиеся в земной коре. Когда
концентрация одного или нескольких веществ начинает превышать естественные количества, то начинают говорить о загрязнениях.
К настоящему времени основными загрязняющими атмосферу веществами являются:
сернистый газ (SO2), аэрозоли, окись углерода (СО), углекислый газ (СО2), окислы азота
(NOx), аммиак (NH3), нитраты (производные азотной кислоты HNO3), нитриты (соединения азота с металлами AlN, BN, Si3N4, W2N, TiN), нитрозамины, фотоокислители, углеводороды, ртуть, свинец, кадмий, нефть, попутный газ, микротоксины (соединения бактериального, растительного или животного происхожденя) и микробы.
В целом ряде промышленных регионах планеты состав атмосферного воздуха становится опасным для здоровья человека. Достаточно вспомнить, что 18 июля 1790 г. в Токио
от фотохимического смога (Смеси воздуха, тумана и токсичных газов) пострадали 6 тыс.
человек. В это же время полицейские, вынужденные находится на городских токийских
улицах, были вынуждены пользоваться кислородными масками, чтобы не терять сознание. В настоящее время, благодаря целенаправленным и последовательным действиям
правительства Японии ситуация изменилась в лучшую сторону.
Австралия, не самый крупный материк на нашей планете в год выбрасывает в атмосферу 221 тыс. т. серы. Великобритания ежегодно «обогащает» воздушное пространство
2,8 млн. т. сернистого ангидрида (SO3), причём около 1 млн. т. этого вещества выпадает с
осадками на территорию туманного Альбиона. Активным поставщиком SO3 является и
Германия, которая «дарит» атмосфере 2 млн. т. сернистого ангидрида в форме промышленных дымов, которые превращаются в сернокислотные аэрозоли, именуемые в простонародии «кислотные дожди». Особую озабоченность по этому поводу проявляет Норвегия, в которой немецкие «кислотные дожди» портят экологию озёрного хозяйства этой
страны и существенно замедляют рост деревьев.
До недавнего времени вопроса о сохранности атмосферы у людей не возникало, считалось, что протяжённость газовой оболочки планеты не даёт оснований для тревог. Однако,
когда проанализировали ресурсы, то оказалось, что производство планетой кислорода уступает количественным показателям его потребления. Самая индустриально развитая
страна США, по крайней мере, так считают её политические лидеры, да и не только они,
потребляет ежегодно 25 млрд. т. кислорода. Это не намного меньше общего количества О2
репродуцируемого земной корой, океанами и морями. Количество потребляемого кислорода однозначно не компенсируется восстановительными возможностями собственной
территории. Америка «одалживает» безвозмездно кислород у соседей, причём без их ве54
дома. В Советском союзе, который занимал 16% площади суши всего земного шара, потребление кислорода составляло около 14% от мирового. В настоящее время, после приобретения самостоятельности Украиной, Белоруссией, государствами Балтии и Казахстана ещё улучшили «кислородные показатели» России, обладающей самыми протяжёнными
в мире лесными массивами.
Одними из основных техногенных объектов, загрязняющих атмосферный воздух, являются тепловые электростанции и теплоцентрали, которые расходуют в год 2,1 млрд. т.
каменного и 0,8 млрд. т. бурого угля. При сжигании этих сортов твёрдого топлива они выбрасывают в атмосферу и среду обитания животного мира и человека огромное количество вредных веществ. Данные о годовых вредных выбросах некоторых веществ и мировом
их производстве приведены в табл. 2.6.
№
1
2
3
4
5
Вещество
Мышьяк
Германий
Бериллий
Кобальт
Уран
Выбросы
в атмосферу, кг
2,25⋅108
2,25⋅108
1⋅108
1,53⋅108
2⋅108
Таблица 2.6
Мировое
Производство, кг
4⋅107
1⋅105
3⋅105
1,3⋅107
3⋅107
Обращает на себя внимание два основных негативных факта. Во-первых, количество
всех веществ, выбрасываемых «в виду ненужности» в атмосферу в среднем на порядок
превосходит их целенаправленное промышленное производство. Во-вторых, вредные выбросы являются неиспользованными потенциальными возможностями химического состава углей, которые представляются ценным химическим сырьём для производства обсуждаемых веществ. Человечество продолжает сжигать в топках ассигнации.
Атмосферные загрязнители принято разделять на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних.
Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который
взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии
серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные
признаки.
В последнее время учёные обратили внимание на то, что за последние 700 тыс. лет
температура нижних слоёв атмосферы была такой же высокой как теперь только 8% всего
времени. Отчасти это связывается с развитием крупных мегаполисов, которые являют собой площади с повышенной температурой. В городах дневная температура на 1 − 2 0С
выше по сравнению с малонаселённой местностью, а ночная С выше по сравнению с малонаселённой местностью, а ночная температура выше на 5 − 8 0С. Подобные термические
неоднородности вызывают, как называемые, «сельские бризы», когда в ночное время чистый холодный воздух из сельских районов перемещается в полном соответствии с законами тепло и массобмена в города. Однако над центральными зонами мегаполисов теплообменные свойства загрязнённого воздуха снижены, и их очищение происходит медленнее,
чем на окраинах. Сила ветра над крупными городами по этим причинам уменьшилась в
среднем на 20%, в то время как частота грозовых явлений увеличилась на 10%.
Несмотря на значительную антропогенную нагрузку, атмосфера Земли демонстрирует
удивительную устойчивость и способность к самовосстановлению. Атмосфера планеты
оперативно выводит избыток тепла, сохраняя при этом стабильность. Такой вывод сделала группа исследователей во главе с академиком Кириллом Кондратьевым, проведя анализ
архива температур в Северной полярной области с 1959 по 2000 год [7].
55
Результаты исследования продемонстрировали, что в высоких широтах происходит
постоянное перераспределение тепловой энергии, а потому общее состояние атмосферы
не меняется. Например, в целом за сорокалетний период нижний слой тропосферы (это
приземная часть атмосферы, которая в полярных широтах простирается до высоты 8-10
км) до определенной высоты потеплел, а верхний слой тропосферы и стратосфера (стратосфера занимает промежуток от 8 до 45 − 55 км) стали холоднее. Таким образом, если теплеет нижняя часть атмосферы, то верхняя ее часть сразу реагирует на это и, охлаждаясь,
компенсирует избыток тепла внизу, а, значит, никаких глобальных изменений в атмосфере
Земли не происходит.
По мнению учёных, по-видимому, имеют место механизмы крупномасштабного теплообмена, которые стремятся привести систему в равновесное состояние, поддерживая
постоянство содержания тепла в полярной атмосфере по высоте.
Кроме того, исследователи отметили увеличение скорости изменения температуры с
высотой, другими словами наблюдается изменение градиента температуры, что говорит
об усилении вентиляционных свойств атмосферы.
Приведенные выше «рукоделия» человечества в области изменения свойств атмосферы, как установили учёные, началось не в начале прошлого столетия, как полагали, а существенно раньше. Считалось, что активное изменение физического и химического состава атмосферы сопряжено с выбросами СО2 электростанциями, промышленными предприятиями, транспортными средствами. Другими словами, негативные изменения атмосферы
начались во времена индустриализации.
Однако исследования последнего времени, особенно, что касается древних цивилизаций, дали основания выдвинуть гипотезу о том, что антропогенное воздействие на атмосферу могло начаться во времена неолитической революции, когда в районах рек Тигр,
Евфрат, Нил, Янцзы, Хуанхэ, Амазонка, Бальсас, Потука и др. группы людей перешли от
собирательства и охоты к возделыванию культур. Развитие земледелия и скотоводства
было сопряжено с выбросами в атмосферу газов неестествен6ного происхождения, прежде всего СО2. Концентрация этого газа примерно 8 тыс. лет назад начала повышаться, через 3 тыс. лет после этого аномально увеличилась концентрация метана СН4. Учёные климатологи и геофизики путём моделирования установили, что если бы процессов увеличения концентрации СО2 и СН3 не произошло, то температура в целом на поверхности планеты была бы меньше. Например, на территории Европы и Северной Америки такое
уменьшение составило бы 3 − 4 0С, что весьма негативно бы повлияло на развитие земледелия на этих континентах. На территории современной Канады вполне могли появиться
обширные области с круглогодичным ледовым покровом. Окультуривание земной тверди
в локальных районах привело, в соответствие с таким подходом, к скачкообразному всеобщему потеплению, что положительно повлияло на начало развития юной цивилизации.
Будет ли столь благотворным современное антропогенное воздействие на атмосферу?
Судя по всему − нет. Темпы и масштабы влияния совершенно не те, что 8 тыс. лет назад.
До недавнего времени все, что происходило в атмосфере, не было по большому счёту направлено на создание дискомфортных условий для человечества. Атмосфера, по не вполне
пока понятным законам и принципам, в той или иной степени старалась компенсировать
негативные вторжения. Открытым остаётся вопрос, до какой степени влияния мы можем
рассчитывать на отсутствие ответной адекватной реакции? На каком уровне экспансии
обратные связи, поддерживающие состояние динамического равновесия атмосферных
процессов, исчерпают свои возможности и неразумные дети природы, как говорится «получат по полной схеме»?
56