Склад атмосферного повітря

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Газовий склад атмосферного повітря
Газовий склад повітря, яким ми дихаємо, виглядає так: 78% складає азот, 21% - кисень і 1% припадає на інші гази. Але в атмосфері великих промислових міст це співвідношення часто порушено. Значну частку становлять шкідливі домішки, зумовлені викидами підприємств та автотранспорту. Автотранспорт привносить в атмосферу багато домішки: вуглеводні невідомого складу, бенз (а) пірен, вуглекислий газ, сполуки сірки та азоту, свинець, чадний газ.
Атмосфера складається з суміші ряду газів - повітря, у якому зважені колоїдні домішки - пил, крапельки, кристали і пр. З висотою складу атмосферного повітря змінюється мало. Проте починаючи з висоти близько 100 км, поряд з молекулярним киснем і азотом з'являється і атомарний в результаті дисоціації молекул, і починається гравітаційне розділення газів. Вище 300 км в атмосфері переважає атомарний кисень, вище 1000 км - гелій і потім атомарний водень. Тиск і щільність атмосфери убувають з висотою; близько половини всієї маси атмосфери зосереджено у нижніх 5 км, 9 / 10 - в нижніх 20 км і 99,5% - у нижніх 80 км. На висотах близько 750 км густина повітря падає до 10-10 г/м3 (тоді як у земної поверхні вона порядку 103 г/м3), а й така мала щільність ще достатня для виникнення полярних сяйв. Різкій верхньої межі атмосфера не має; густина складових її газів
До складу атмосферного повітря, яким дихає кожен з нас, входять кілька газів, основними з яких є: азот (78.09%), кисень (20.95%), водень (0.01%) двоокис вуглецю (вуглекислий газ) (0.03%) і інертні гази (0.93%). Крім того, у повітрі завжди знаходиться якесь у водяних парів, к-ть яких завжди змінюється зі зміною температури: чим вища температура, тим вміст пари більше і навпаки. Внаслідок коливання кол-ва водяної пари в повітрі процентний вміст у ньому газів також мінливо. Всі гази, що входять до складу повітря, безбарвні і не мають запаху. Вага повітря змінюється в залежності не тільки від температури, але і від вмісту в ньому водяної пари. При однаковій температурі вага сухого повітря більше, ніж вологого, тому що водяні пари значно легше парів повітря.
У таблиці наведено газовий склад атмосфери в об'ємному масовому відношенні, а також час життя основних компонентів:

Компонент
% Об'ємні
% Масові
N 2
78,09
75,50
O 2
20,95
23,15
Ar
0,933
1,292
CO 2
0,03
0,046
Ne
1,8 10 -3
1,4 10 -3
He
4,6 10 -4
6,4 10 -5
CH 4
1,52 10 -4
8,4 10 -5
Kr
1,14 10 -4
3 10 -4
H 2
5 10 -5
8 10 -5
N 2 O
5 10 -5
8 10 -5
Xe
8,6 10 -6
4 10 -5
O 3
10 березня -7 - 3 10 -6
Травень 1910 -7 - 5 10 -6
Rn
6 10 -18
4,5 10 -17


Властивості газів, що входять до складу атмосферного повітря під тиском змінюються.
Наприклад: кисень під тиском понад 2-х атмосфер надає отруйну дію на організм.
Азот під тиском понад 5 атмосфер надає наркотичну дію (азотне сп'яніння). Швидкий підйом з глибини викликає кесонну хвороба через бурхливе виділення бульбашок азоту з крові, як би спінюючи її.
Підвищення вуглекислого газу більше 3% в дихальній суміші викликає смерть.
Кожен компонент, що входить до складу повітря, з підвищенням тиску до певних меж стає отрутою, здатним отруїти організм.

Дослідження газового складу атмосфери. Атмосферна хімія
Для історії бурхливого розвитку порівняно молодої галузі науки, що називається атмосферної хімією, найбільше підходить термін "спурт" (кидок), застосовуваний у високошвидкісних видах спорту. Пострілом ж зі стартового пістолета, мабуть, послужили дві статті, опубліковані на початку 1970-х років. Мова в них йшла про можливе руйнування стратосферного озону оксидами азоту - NO і NO 2. Перша належала майбутньому нобелівському лауреату, а тоді співробітнику Стокгольмського університету П. Крутценом, який порахував імовірним джерелом оксидів азоту в стратосфері розпадається під дією сонячного світла закис азоту N 2 O природного походження. Автор другої статті, хімік з Каліфорнійського університету в Берклі Г. Джонстон припустив, що оксиди азоту з'являються в стратосфері в результаті людської діяльності, а саме - при викидах продуктів згоряння реактивних двигунів висотних літаків.
Звичайно, вищезгадані гіпотези виникли не на порожньому місці. Співвідношення принаймні основних компонент в атмосферному повітрі - молекул азоту, кисню, водяної пари та ін - було відомо набагато раніше. Вже в другій половині XIX ст. в Європі проводилися вимірювання концентрації озону в приземному повітрі. У 1930-і роки англійський учений С. Чепмен відкрив механізм формування озону в чисто кисневій атмосфері, вказавши набір взаємодій атомів і молекул кисню, а також озону за відсутності будь-яких інших складових повітря. Однак наприкінці 50-х років вимірювання за допомогою метеорологічних ракет показали, що озону в стратосфері значно менше, ніж його має бути згідно циклу реакцій Чепмена. Хоча цей механізм і до цього дня залишається основоположним, стало ясно, що існують якісь інші процеси, також активно беруть участь у формуванні атмосферного озону.
Не зайвим буде згадати, що знання в області атмосферної хімії до початку 70-х років в основному були отримані завдяки зусиллям окремих вчених, чиї дослідження не були об'єднані будь-яких суспільно значимої концепцією і носили найчастіше суто академічний характер. Інша річ - робота Джонстона: згідно з його розрахунками, 500 літаків, літаючи по 7 годин на день, могли скоротити кількість стратосферного озону не менше ніж на 10%! І якби ці оцінки були справедливі, то проблема відразу ставала соціально-економічної, так як в цьому випадку всі програми розвитку надзвуковий транспортної авіації та супутньої інфраструктури повинні були піддатися істотному коригуванню, а може бути, і закриттю. До того ж тоді вперше реально постало питання про те, що антропогенна діяльність може стати причиною не локального, але глобального катаклізму. Природно, в ситуації, що склалася теорія потребувала дуже жорсткою і в той же час оперативної перевірки.
Нагадаємо, що суть вищезгаданої гіпотези полягала в тому, що оксид азоту вступає в реакцію з озоном NO + O 3 ® ® NO 2 + O 2, потім утворився в цій реакції діоксид азоту реагує з атомом кисню NO 2 + O ® NO + O 2 , тим самим відновлюючи присутність NO в атмосфері, у той час як молекула озону втрачається безповоротно. При цьому така пара реакцій, складова азотний каталітичний цикл руйнування озону, повторюється до тих пір, поки будь-які хімічні або фізичні процеси не призведуть до видалення оксидів азоту з атмосфери. Так, наприклад, NO 2 окислюється до азотної кислоти HNO 3, добре розчиняється в воді, і тому видаляється з атмосфери хмарами і опадами. Азотний каталітичний цикл є досить ефективний: одна молекула NO за час свого перебування в атмосфері встигає знищити десятки тисяч молекул озону.
Але, як відомо, біда не приходить одна. Незабаром фахівці з університетів США - Мічігану (Р. Столярського і Р. Цицерон) і Гарварда (С. Вофсіїв і М. Макелрой) - виявили, що у озону може бути ще більш нещадний ворог - сполуки хлору. Хлорний каталітичний цикл руйнування озону (реакції Cl + O 3 ® ClO + O 2 і ClO + O ® Cl + O 2), за їхніми оцінками, був у кілька разів ефективніше азотного. Стриманий оптимізм викликало лише те, що кількість хлору природного походження в атмосфері порівняно невелика, а значить, сумарний ефект його впливу на озон може виявитися не дуже сильним. Однак ситуація кардинально змінилася, коли в 1974 р. співробітники Каліфорнійського університету в Ірвіні Ш. Роуленд і М. Моліна встановили, що джерелом хлору в стратосфері є хлорфторуглеводородние з'єднання (ХФУ), масово використовуються в холодильних установках, аерозольних упаковках і т.д. Будучи негорючими, нетоксичними і хімічно пасивними, ці речовини повільно переносяться висхідними повітряними потоками від земної поверхні в стратосферу, де їх молекули руйнуються сонячним світлом, в результаті чого виділяються вільні атоми хлору. Промислове виробництво ХФУ, що почалося в 30-і роки, і їх викиди в атмосферу постійно нарощувалися в усі наступні роки, особливо в 70-е і 80-е. Таким чином, протягом дуже короткого проміжку часу теоретики позначили дві проблеми атмосферної хімії, обумовлені інтенсивним антропогенним забрудненням.
Однак, щоб перевірити спроможність висунутих гіпотез, необхідно було виконати чимало завдань.
По-перше, розширити лабораторні дослідження, в ході яких можна було б визначити або уточнити швидкості протікання фотохімічних реакцій між різними компонентами атмосферного повітря. Треба сказати, що існували в той час дуже убогі дані про ці швидкостях до того ж мали неабияку (до кількох сотень відсотків) похибка. Крім того, умови, в яких проводилися вимірювання, як правило, мало відповідали реаліям атмосфери, що серйозно ускладнювало помилку, оскільки інтенсивність більшості реакцій залежала від температури, а іноді від тиску або густини атмосферного повітря.
По-друге, посилено вивчати радіаційно-оптичні властивості ряду малих газів атмосфери в лабораторних умовах. Молекули значного числа складових атмосферного повітря руйнуються ультрафіолетовим випромінюванням Сонця (в реакціях фотолізу), серед них не лише згадані вище ХФУ, але також молекулярний кисень, озон, оксиди азоту та багато інших. Тому оцінки параметрів кожної реакції фотолізу були настільки ж необхідні і важливі для правильного відтворення атмосферних хімічних процесів, як і швидкості реакцій між різними молекулами.
По-третє, потрібно було створювати математичні моделі, здатні максимально повно описувати взаємні хімічні перетворення компонент атмосферного повітря. Як вже згадувалося, продуктивність руйнування озону в каталітичних циклах визначається тим, наскільки довго перебуває в атмосфері каталізатор (NO, Cl або який-небудь інший). Зрозуміло, що такий каталізатор, взагалі-то кажучи, міг вступити в реакцію з будь-якою з десятків складових атмосферного повітря, швидко руйнуючись при цьому, і тоді збиток стратосферного озону виявився б значно менше, ніж передбачалося. З іншого боку, коли в атмосфері щомиті відбувається безліч хімічних перетворень, цілком ймовірно виявлення інших механізмів, прямо або побічно впливають на утворення і руйнування озону. Нарешті, такі моделі в змозі виділити й оцінити значимість окремих реакцій або їх груп у формуванні інших газів, що входять до складу атмосферного повітря, а також дозволити обчислити концентрації газів, які недоступні вимірам.
І нарешті, треба було організувати широку мережу для вимірювань вмісту в повітрі різних газів, в тому числі сполук азоту, хлору та ін, використовуючи з цією метою наземні станції, запуски метеозонд та метеоракет, польоти літаків. Безумовно, створення бази даних було найбільш дорогим завданням, яку і не вирішити в короткий час. Однак тільки виміру могли дати вихідну точку для теоретичних досліджень, будучи одночасно пробним каменем істинності висловлених гіпотез.
З початку 70-х принаймні раз на три роки виходять спеціальні, постійно поповнюються збірники, що містять відомості про всі значущі атмосферних реакціях, включаючи реакції фотолізу. Причому похибка у визначенні параметрів реакцій між газовими компонентами повітря сьогодні складає, як правило, 10-20%.
На другу половину цього десятиліття припадає бурхливий розвиток моделей, що описують хімічні перетворення в атмосфері. Найбільше їх число було створено в США, але з'явилися вони і в Європі, і в СРСР. Спершу це були боксові (нульмерние), а потім і одномірні моделі. Перші відтворювали з різним ступенем достовірності зміст основних атмосферних газів в заданому обсязі - боксі (звідси і їх назва) - в результаті хімічних взаємодій між ними. Оскільки постулировалось збереження загальної маси повітряної суміші, видалення будь-якої її частки з боксу, наприклад, вітром, не розглядалося. Боксові моделі були зручні для з'ясування ролі окремих реакцій або їх груп у процесах хімічних утворень і руйнувань газів атмосфери, для оцінки чутливості газового складу атмосфери до неточностей визначення швидкостей реакцій. З їх допомогою дослідники могли, задавши в боксі атмосферні параметри (зокрема, температуру і щільність повітря), відповідні висоті польотів авіації, оцінити в грубому наближенні, як зміняться концентрації атмосферних домішок в результаті викидів продуктів згоряння двигунами літаків. У той же час боксові моделі були непридатні для вивчення проблеми хлорфторуглеводородов (ХФУ), так як не могли описати процес їх переміщення від земної поверхні в стратосферу. Ось тут стали в нагоді одновимірні моделі, які поєднували в собі облік докладного опису хімічних взаємодій в атмосфері та переносу домішок у вертикальному напрямку. І хоча вертикальний перенесення задавалося і тут досить грубо, використання одновимірних моделей було помітним кроком вперед, оскільки вони давали можливість якось описати реальні явища.
Озираючись назад, можна сказати, що наші сучасні знання багато в чому базуються на проведеній в ті роки з допомогою одновимірних і боксових моделей чорнової роботи. Вона дозволила визначити механізми формування газового складу атмосфери, оцінити інтенсивність хімічних джерел і стоки окремих газів. Важлива особливість цього етапу розвитку атмосферної хімії в тому, що народжувалися нові ідеї апробовувалися на моделях і широко обговорювалися серед фахівців. Отримані результати часто порівнювалися з оцінками інших наукових груп, оскільки натурних вимірювань було явно недостатньо, та й точність їх була досить низькою. Крім того, для підтвердження правильності моделювання тих чи інших хімічних взаємодій було необхідно проводити комплексні вимірювання, коли одночасно визначалися б концентрації всіх що беруть участь реагентів, що у той час, та й зараз, було практично неможливо. (До цих пір проведено лише кілька вимірів комплексу газів з "Шаттл" протягом 2-5 сут.) Тому модельні дослідження йшли попереду експериментальних, і теорія не стільки пояснювала проведені натурні спостереження, скільки сприяла їх оптимального планування. Наприклад, таке з'єднання, як хлорний нітрат ClONO 2, спочатку з'явилося в модельних дослідженнях і тільки потім було виявлено в атмосфері. Навіть порівнювати наявні вимірювання з модельними оцінками було важко, оскільки одномірна модель не могла врахувати горизонтальних рухів повітря, через що атмосфера передбачалася горизонтально однорідної, а отримані модельні результати відповідали деякого среднеглобальной її станом. Проте в реальності склад повітря над індустріальними регіонами Європи або США сильно відрізняється від його складу над Австралією або над акваторією Тихого океану. Тому результати будь-якого натурного спостереження в значній мірі залежать від місця і часу проведення вимірювань і, звичайно, не відповідають у точності среднеглобальной значенням.
Щоб усунути цей пробіл у моделюванні, в 80-ті роки дослідники створюють двовимірні моделі, в яких поряд з вертикальним перенесенням враховувався і перенесення повітря уздовж меридіана (уздовж кола широти атмосфера як і раніше вважалася однорідною). Створення таких моделей на перших порах було пов'язане зі значними труднощами.
По-перше, різко зростала кількість зовнішніх модельних параметрів: у кожному вузлі сітки необхідно було задати швидкості вертикального і межшіротного перенесення, температуру і щільність повітря і т.д. Багато параметри (в першу чергу, вищезгадані швидкості) не були надійно визначені в експериментах і тому підбиралися з якісних міркувань.
По-друге, стан обчислювальної техніки того часу помітно стримувало повноцінний розвиток двовимірних моделей. На відміну від економічних одновимірних і тим більше боксових двовимірні моделі вимагали істотно великих витрат пам'яті і часу ЕОМ. І в результаті їх творці були змушені значно спрощувати схеми обліку хімічних перетворень в атмосфері. Тим не менш комплекс атмосферних досліджень, як модельних, так і натурних з використанням супутників, дозволив намалювати щодо струнку, хоча і далеко не повну картину складу атмосфери, а також встановити основні причинно-наслідкові зв'язки, що викликають зміни змісту окремих компонент повітря. Зокрема, численні дослідження показали, що польоти літаків в тропосфері не завдають скільки-небудь істотної шкоди тропосферного озону, проте їх підйом у стратосферу, схоже, може мати негативні наслідки для озоносфери. Думка більшості фахівців про роль ХФУ було майже одностайною: гіпотеза Роуленда і Моліна підтверджується, і ці речовини дійсно сприяють руйнуванню стратосферного озону, а регулярне зростання їх промислового виробництва - міна сповільненої дії, тому що розпад ХФУ відбувається не відразу, а через десятки і сотні років , тому наслідки забруднення будуть позначатися в атмосфері дуже довго. Більш того, довго зберігаючись, хлорфторуглеводороди можуть досягти будь-якої, самої віддаленої точки атмосфери, і, отже, це - загроза глобального масштабу. Настав час узгоджених політичних рішень.
У 1985 р. за участю 44 країн у Відні була розроблена і прийнята конвенція з охорони озонового шару, стимулировавшая його всебічне вивчення. Проте питання, що ж робити з ХФУ, все ще залишалося відкритим. Пустити справу на самоплив за принципом "саме розсмокчеться" було не можна, але й заборонити виробництво цих речовин одразу неможливо без величезної шкоди для економіки. Здавалося б, є просте рішення: потрібно замінити ХФУ іншими речовинами, здатними виконувати ті ж функції (наприклад, у холодильних агрегатах) і в той же час нешкідливими або хоча б менш небезпечними для озону. Але втілити в життя прості рішення часто буває дуже непросто. Мало того що створення таких речовин і налагодження їх виробництва вимагали величезних капіталовкладень і часу, необхідні були критерії оцінки впливу будь-якого з них на атмосферу і клімат.
Теоретики знову опинилися в центрі уваги. Д. Уебблс з Ліверморської національної лабораторії запропонував використовувати для цієї мети озоноруйнуючий потенціал, який показував, наскільки молекула речовини-замінника сильніше (або слабший), ніж молекула CFCl 3 (фреону-11), впливає на атмосферне озон. На той момент також добре було відомо, що температура приземного шару повітря істотно залежить від концентрації деяких газових домішок (їх назвали парниковими), в першу чергу вуглекислого газу CO 2, водяної пари H 2 O, озону та ін До цієї категорії віднесли і ХФУ , і багато їх потенційні замінники. Вимірювання показали, що в ході індустріальної революції середньорічна глобальна температура приземного шару повітря росла і продовжує зростати, і це свідчить про значні і не завжди бажані зміни клімату Землі. Для того щоб поставити цю ситуацію під контроль, разом з озоноруйнуючим потенціалом речовини стали також розглядати його потенціал глобального потепління. Цей індекс вказував, наскільки сильнішим чи слабшим досліджуване сполука впливає на температуру повітря, ніж така ж кількість вуглекислого газу. Проведені розрахунки показали, що ХФВ та альтернативні речовини мали вельми високими потенціалами глобального потепління, але з-за того, що їх концентрації в атмосфері були набагато менше концентрації CO 2, H 2 O або O 3, їх сумарний внесок в глобальне потепління залишався дуже незначним . До пори до часу ...
Таблиці розрахованих значень озоноруйнуючих потенціалів та потенціалів глобального потепління хлорфторуглеводородов та їх можливих замінників лягли в основу міжнародних рішень про скорочення і наступному заборону виробництва та використання багатьох ХФУ (Монреальський протокол 1987 р. і пізніші додатки до нього). Можливо, що зібралися в Монреалі експерти не були б настільки одностайними (зрештою статті Протоколу грунтувалися на не підтверджених натурними експериментами "вигадках" теоретиків), але за підписання цього документа висловилося ще одне зацікавлена ​​особа - сама атмосфера.
Повідомлення про виявлення англійськими вченими в кінці 1985 р. "озонной дірки" над Антарктидою стало, не без участі журналістів, сенсацією року, а реакцію світової громадськості на це повідомлення найлегше охарактеризувати одним коротким словом - шок. Одна справа, коли загроза руйнування озонового шару існує лише у віддаленій перспективі, інша - коли всі ми поставлені перед доконаним фактом. До цього не були готові ні обивателі, ні політики, ні фахівці-теоретики.
Дуже швидко з'ясувалося, що жодна з існуючих на той моделей не могла відтворити такого значного скорочення вмісту озону. Значить, якісь важливі природні явища або не враховувалися, або недооцінювалися. Незабаром проведені в рамках програми вивчення антарктичного феномена натурні дослідження встановили, що важливу роль у формуванні "озонной діри", поряд зі звичайними (газофазним) атмосферними реакціями, грають особливості перенесення атмосферного повітря в стратосфері Антарктики (її майже повна ізоляція взимку від решти атмосфери), а також в ту пору мало вивчені гетерогенні реакції (реакції на поверхні атмосферних аерозолів - частинок пилу, сажі, крижинок, крапель води і т.д.). Тільки облік вищезазначених факторів дозволив домогтися задовільного погодження модельних результатів з даними спостережень. А уроки, показані антарктичної "озонной дірою", серйозно позначилися на подальшому розвитку атмосферної хімії.
По-перше, був даний різкий поштовх до детального вивчення гетерогенних процесів, що протікають за законами, відмінними від тих, які визначають процеси газофазних. По-друге, настав ясне усвідомлення того, що в складній системі, якою є атмосфера, поведінка її елементів залежить від цілого комплексу внутрішніх зв'язків. Іншими словами, вміст газів у атмосфері визначається не тільки інтенсивністю протікання хімічних процесів, але і температурою повітря, перенесенням повітряних мас, особливостями забруднення аерозолями різних частин атмосфери та ін У свою чергу радіаційні нагрів і вихолоджування, що формують поле температури стратосферного повітря, залежать від концентрації і розподілу в просторі парникових газів, а отже, і від атмосферних динамічних процесів. Нарешті, неоднорідний радіаційне нагрівання різних поясів земної кулі і частин атмосфери породжує руху атмосферного повітря та контролює їх інтенсивність. Таким чином, неврахування будь-яких зворотних зв'язків у моделях може бути чреватий великими помилками в отриманих результатах (хоча, зауважимо принагідно, і надмірне ускладнення моделі без нагальної необхідності настільки ж недоцільно, як стрільба з гармат по відомим представникам пернатих).
Якщо взаємозв'язок температури повітря і його газового складу враховувалася в двовимірних моделях ще в 80-і роки, то залучення тривимірних моделей загальної циркуляції атмосфери для опису розподілу атмосферних домішок стало можливим завдяки комп'ютерному буму тільки в 90-ті. Перші такі моделі загальної циркуляції використовувалися для опису просторового розподілу хімічно пасивних речовин - трасером. Пізніше з-за недостатньої оперативної пам'яті комп'ютерів хімічні процеси задавалися лише одним параметром - часом перебування домішки в атмосфері, і лише відносно недавно блоки хімічних перетворень стали повноправними частинами тривимірних моделей. І хоча до цих пір зберігаються труднощі докладного подання атмосферних хімічних процесів у тривимірних моделях, сьогодні вони вже не здаються непереборними, і кращі тривимірні моделі включають в себе сотні хімічних реакцій, поряд з реальним кліматичним перенесенням повітря у глобальній атмосфері.
У той же час широке застосування сучасних моделей зовсім не ставить під сумнів корисність більш простих, про які говорилося вище. Добре відомо, чим складніше модель, тим важче відокремити "сигнал" від "модельного шуму", аналізувати отримані результати, виділити головні причинно-наслідкові механізми, оцінити вплив на кінцевий результат тих чи інших явищ (а значить, і доцільності їх врахування в моделі) . І тут більш прості моделі служать ідеальним випробувальним полігоном, вони дозволяють отримати попередні оцінки, надалі використовуються у тривимірних моделях, вивчити нові природні явища до їх включення в більш складні і т.д.
Бурхливий науково-технічний прогрес породив ще кілька напрямків досліджень, так чи інакше пов'язаних з атмосферним хімією.
Супутниковий моніторинг атмосфери. Коли було налагоджено регулярне поповнення бази даних із супутників, для більшості найважливіших компонент атмосфери, що охоплюють майже всю земну кулю, виникла необхідність в удосконаленні методів їх обробки. Тут і фільтрування даних (поділ сигналу і помилок вимірів), та відновлення вертикальних профілів концентрації домішок по їх сумарним змістів у стовпі атмосфери, і інтерполяція даних в тих областях, де прямі вимірювання з технічних причин неможливі. До того ж супутниковий моніторинг доповнюється проведенням літакових експедицій, які плануються для вирішення різних проблем, наприклад, в тропічній зоні Тихого океану, Північній Атлантиці і навіть у літній стратосфері Арктики.

Липневе розподіл відносини суміші озону (млрд -1 за обсягом) в поясі 30-60 ° пн.ш., розраховане за допомогою двовимірної фотохімічної моделі атмосфери Головної геофізичної обсерваторії ім. А. І. Воєйкова. Чорними числами на малюнку показані результати вимірювань на відповідних висотах і довготах.
Важлива частина сучасних досліджень - асиміляція (засвоєння) цих баз даних в моделях різної складності. При цьому параметри підбираються з умови найбільшої близькості виміряних і модельних значень вмісту домішок в точках (регіонах). Таким чином проводиться перевірка якості моделей, а також екстраполяція виміряних величин за межі регіонів і періодів проведення вимірювань.
Оцінка концентрацій короткоживучих атмосферних домішок. Атмосферні радикали, які відіграють ключову роль в атмосферній хімії, такі як гідроксил OH, пергідроксіл HO2, оксид азоту NO, атомарний кисень в збудженому стані O (1D) та інші, мають найбільшу хімічну реактивність і, отже, дуже маленьке (кілька секунд або хвилин ) "час життя" в атмосфері. Тому вимір таких радикалів надзвичайно ускладнене, а реконструкція їх вмісту у повітрі часто здійснюється за модельним співвідношенням хімічних джерел та стоків цих радикалів. Довгий час інтенсивності джерел та стоків обчислювалися за модельним даними. З появою відповідних вимірів стало можливим відновлювати на їх основі концентрації радикалів, при цьому удосконалюючи моделі і розширюючи відомості про газовий склад атмосфери.
Реконструкція газового складу атмосфери в доіндустріальний період і більш ранні епохи Землі. Завдяки вимірюваннями в антарктичних і гренландських льодових кернах, вік яких коливається від сотень до сотень тисяч років, стали відомі концентрації вуглекислого газу, закису азоту, метану, окису вуглецю, а також температура тих часів. Модельна реконструкція стану атмосфери в ті епохи і його зіставлення з нинішнім дозволяють простежити еволюцію земної атмосфери і оцінити ступінь впливу людини на природне середовище.
Оцінка інтенсивності джерел найважливіших компонент повітря. Систематичні вимірювання в приземному повітрі вмісту газів, таких, як метан, оксид вуглецю, оксиди азоту, стали основою для розв'язку оберненої задачі: оцінки розміру викидів в атмосферу газів, що мають наземні джерела, на їхню відомим концентрацій. На жаль, лише інвентаризація винуватців вселенського переполоху - ХФУ - є відносно простим завданням, тому що майже всі ці речовини не мають природних джерел і загальна їх кількість, що надійшла в атмосферу, обмежується обсягом їх виробництва. Решта гази мають різнорідні і порівнянні за потужністю джерела. Наприклад, джерело метану - перезволожені території, болота, нафтові свердловини, вугільні шахти; це з'єднання виділяється колоніями термітів і навіть є продуктом життєдіяльності великої рогатої худоби. Оксид вуглецю потрапляє в атмосферу у складі вихлопних газів, в результаті спалювання палива, а також при окисленні метану і багатьох органічних сполук. Важко здійснити прямі вимірювання викидів цих газів, але розроблені методики, що дозволяють давати оцінки глобальних джерел газів-забруднювачів, похибка яких в останні роки значно скоротилася, хоча і залишається великою.
Загальний вміст озону (в одиницях Добсона; 1 од. Добсона = 10 -3 см шару озону при 15 ° С на рівні моря) над Північною півкулею в березні 2000 р. (а і б) і над Південним півкулею в жовтні 1998 р. ( в і г). Дані отримані в результаті модельних розрахунків (а і в) і супутникових вимірів (б і г). Для розрахунків використана тривимірна модель
 
Прогнозування змін складу атмосфери і клімату Землі Розглядаючи тенденції - тренди змісту атмосферних газів, оцінки їх джерел, темпи зростання населення Землі, швидкості збільшення виробництва всіх видів енергії тощо, - спеціальними групами експертів створюються і постійно коригуються сценарії ймовірного забруднення атмосфери в найближчі 10, 30, 100 років. Виходячи з них, за допомогою моделей прогнозуються можливі зміни газового складу, температури і циркуляції атмосфери. Таким чином вдається завчасно виявити несприятливі тенденції в стані атмосфери і можна спробувати їх усунути. Антарктичний шок 1985 не повинен повторитися.

Явище парникового ефекту атмосфери
В останні роки стало чітко зрозуміло, що аналогія між звичайним парників і парниковим ефектом атмосфери не цілком коректна. Ще наприкінці минулого століття відомий американський фізик Вуд, замінивши в лабораторній моделі парника звичайне скло на кварцове і не виявивши при цьому ніяких змін у функціонуванні парника, показав, що справа не в затримці теплового випромінювання грунту склом, яке пропускає сонячну радіацію, роль скла в даному випадку полягає лише в "відсікання" турбулентного теплообміну між поверхнею грунту і атмосферою.
Парниковий (оранжерейний) ефект атмосфери - це її властивість пропускати сонячну радіацію, але затримувати земне випромінювання сприяючи акумуляції тепла землею. Земна атмосфера порівняно добре пропускає короткохвильову сонячну радіацію, яка майже повністю поглинається земною поверхнею. Нагріваючись за рахунок поглинання сонячної радіації, земна поверхня стає джерелом земного, в основному довгохвильового, випромінювання, частина якого йде в космічний простір.
Вплив збільшується концентрації СО 2
Вчені - дослідники продовжують сперечатися про склад так званих парникових газів. Найбільший інтерес у зв'язку з цим викликає вплив збільшується концентрації вуглекислого газу (СО 2) на парниковий ефект атмосфери. Висловлюється думка, що відома схема: "зростання концентрації вуглекислого газу посилює парниковий ефект, що веде до потепління глобального клімату" - гранично спрощена і дуже далека від дійсності, тому що найбільш важливим "парниковим газом" є зовсім не СО 2, а водяна пара. При цьому застереження, що концентрація водяної пари в атмосфері визначається лише параметрами самої кліматичної системи, сьогодні вже не витримує критики, оскільки антропогенний вплив на глобальний кругообіг води переконливо доведено.
У якості наукових гіпотез вкажемо на такі наслідки прийдешнього парникового ефекту. По-перше, згідно з найбільш поширеним оцінками, до кінця XXI століття вміст атмосферного СО 2 подвоїться, що неминуче призведе до підвищення середньої глобальної приземної температури на 3 - 5 º С. При цьому потепління очікується більш посушливим літом в помірних широтах Північної півкулі.
По-друге, передбачається, що подібне зростання середньої глобальної приземної температури призведе до підвищення рівня Світового океану на 20 - 165 сантиметрів за рахунок термічного розширення води. Що стосується льодовикового щита Антарктиди, то його руйнування не є неминучим, так як для танення необхідно більш високі температури. У будь-якому разі, процес танення антарктичних льодів займе досить тривалий час.
По-третє, концентрація атмосферного СО 2 може надати дуже сприятливий вплив на врожаї сільськогосподарських культур. Результати проведених експериментів дозволяють припускати, що в умовах прогресуючого зростання вмісту СО 2 в повітрі природна і культурна рослинність досягнуть оптимального стану; зросте листкова поверхня рослин, підвищиться питома вага сухого речовина листя, збільшаться середній розмір плодів і число насіння, прискориться дозрівання зернових, а їх врожайність підвищиться.
По-четверте, у високих широтах природні ліси, особливо бореальні можуть виявитися досить чутливими до зміни температури. Потепління може призвести до різкого скорочення площ бореальних лісів, а також до переміщення їх кордон на північ ліси тропіків і субтропіків виявляться, ймовірно, більш чутливими до зміни режиму опадів, а не температури.
Світлова енергія сонця, проникає крізь атмосферу, поглинається поверхнею землі та нагріває її. При цьому світлова енергія перетворюється на теплову, яка виділяється у вигляді інфрачервоного чи теплового випромінювання. Ось це інфрачервоне випромінювання, відбите від поверхні землі, і поглинається вуглекислим газом, при цьому він нагрівається сам і нагріває атмосферу. Виходить, чим більше в атмосфері вуглекислого газу, тим сильніше він вловлює клімат на планеті. Те ж саме відбувається і в парниках, тому це явище називається парниковим ефектом.
Якщо так звані парникові гази будуть надходити з теперішньою швидкістю, то в наступному столітті середня температура Землі підвищиться на 4 - 5 º С, що може призвести до глобального потепління планети.
Висновок
Змінити своє ставлення до природи зовсім не означає, що слід відмовитися від технічного прогресу. Його зупинка не вирішить проблему, а може лише відстрочити її рішення. Треба наполегливо і терпляче добиватися зниження викидів за рахунок введення нових екологічних технологій економії сировини, споживаної енергії і збільшення кількості висаджуються насаджень проведення виховних заходів екологічного світогляду у населення.
Так, наприклад, у США одна з підприємств з виробництва синтетичного каучуку розташоване поруч з житловими кварталами, і це не викликає протесту жителів, тому що працюють екологічно чисті технологічні схеми, які в минулому, при старих технологіях, не відрізнялися чистотою.
Значить, потрібен суворий відбір технологій, що відповідають самим жорстким критеріям, сучасні перспективні технології дозволять домогтися високого рівня екологічності виробництва в усіх галузях промисловості і транспорту, а так само збільшення кількості висаджуються зелених насаджень в промислових зонах та містах.
В останні роки провідні позиції у розвитку атмосферної хімії зайняв експеримент, а місце теорії таке ж, як в класичних, респектабельних науках. Але як і раніше існують області, де пріоритетними залишаються саме теоретичні вишукування: наприклад, тільки модельні експерименти в змозі забезпечити прогнозування змін складу атмосфери або оцінити ефективність обмежувальних заходів, що реалізуються в рамках Монреальського протоколу. Стартувавши з рішення нехай важливою, але приватної завдання, сьогодні хімія атмосфери у співпраці із суміжними дисциплінами охоплює весь складний комплекс проблем вивчення і охорони навколишнього середовища. Мабуть, можна сказати, що перші роки становлення атмосферної хімії пройшли під девізом: "Не спізнитися!" Стартовий ривок закінчився, біг триває.
Література
1. Іонов Д.В. Про визначення вмісту метану в атмосфері по відбитому і розсіяному сонячному випромінюванню з космосу / / Дослідження Землі з космосу. 1996.
2. Кароль І.Л. Сьогодення та майбутнє атмосферного озону / / Природа. 1988. № 9. С.10-19.
3. Кисельов А.А., Кароль І.Л. / / Известия РАН. Сер. Фізика атмосфери та океану. 1998. Т.34. № 4. С.490-497.
4. Єгорова Т.А., Розанов Є.В., Кароль І.Л. и др. / / Метеорологія та гідрологія. 2002. № 1. С.5-13.
5. Іонов Д.В., Поляков А.В., Тимофєєв Ю.М. Про визначення вмісту водяної пари в атмосфері по відбитому і розсіяному сонячному випромінюванню з космосу / / Дослідження Землі з космосу. 1996. С.52-58
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Екологія та охорона природи | Реферат
81.8кб. | скачати


Схожі роботи:
Високоефективна рідинна хроматографія забруднювачів атмосферного повітря і повітря робочої зони
Забруднення атмосферного повітря
Гігієнічне значення атмосферного повітря
Охорона атмосферного повітря в Республіці Казахстан
Правове регулювання охорони атмосферного повітря
Біоіндикація забруднення атмосферного повітря та грунту
Правові заходи охорони атмосферного повітря
Гігієнічне значення складу властивості атмосферного повітря
Забруднення атмосферного повітря атомобільним транспортом в м Києві
© Усі права захищені
написати до нас