Атмосфера

АТМОСФЕРА Земли (от греч. atmos — пар и sphaira — шар * а. atmosphere; н. Atmosphare; ф. atmosphere; и. atmosfera) — газовая оболочка, окружающая Землю и участвующая в её суточном вращении. Масса атмосферы составляет около 5,15 • 10¹⁵ т. Атмосфера обеспечивает возможность жизни на Земле и оказывает влияние на геологические процессы.

Происхождение и роль атмосферы. Современная атмосфера имеет, по-видимому, вторичное происхождение; она возникла из газов, выделенных твёрдой оболочкой Земли (литосферой) после образования планеты. В течение геологической истории Земли атмосфера претерпела значительную эволюцию под влиянием ряда факторов: диссипации (рассеяния) газовых молекул в космическое пространство, выделения газов из литосферы в результате вулканической деятельности, диссоциации (расщепления) молекул под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения, химических реакций между компонентами атмосферы и породами, слагающими земную кору, аккреции (захвата) метеорного вещества. Развитие атмосферы тесно связано не только с геологическими и геохимическими процессами, но также с деятельностью живых организмов, в частности человека (антропогенный фактор). Изучение изменений состава атмосферы в прошлом показало, что уже в ранних периодах фанерозоя количество кислорода в воздухе составляло около 1/3 его современного значения. Содержание кислорода в атмосфере резко возросло в девоне и карбоне, когда оно, возможно, превосходило современный уровень. После понижения в пермском и триасовом периодах оно опять повысилось, достигнув максимального значения в юре, после чего произошло новое понижение, которое сохраняется в наше время. На протяжении фанерозоя значительно менялось также и количество углекислого газа. От кембрия до палеогена концентрация CO₂ колебалась в пределах 0,1-0,4%. Понижение её до современного уровня (0,03%) произошло в олигоцене и (после некоторого повышения в миоцене) плиоцене. Атмосферные газы оказывают существенное влияние на эволюцию литосферы. Например, большая часть углекислого газа, поступившего в атмосферу первоначально из литосферы, была затем аккумулирована в карбонатных породах. Атмосферный кислород и водяной пар являются важнейшими факторами, воздействующими на горные породы. На протяжении всей истории Земли атмосферные осадки играют большую роль в процессе гипергенеза. Не меньшее значение имеет деятельность ветра (см. Выветривание), переносящего мелкие фракции разрушенных горных пород на большие расстояния. Существенно влияют на разрушение горных пород колебания температуры и другие атмосферные факторы.

Атмосфера защищает поверхность Земли от разрушительных действий падающих камней (метеоритов), большая часть которых сгорает при вхождении в её плотные слои. Флора и фауна, оказавшие существенное влияние на развитие атмосферы, сами сильно зависят от атмосферных условий. Слой озона в атмосфере задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действовало бы на живые организмы. Кислород атмосферы используется в процессе дыхания животными и растениями, углекислота — в процессе питания растений.

Атмосферный воздух — важный источник химического сырья для промышленности: например, атмосферный азот является сырьём для получения аммиака, азотной культуры и других химических соединений; кислород используют в различных отраслях народного хозяйства. Всё большее значение приобретает освоение энергии ветра, особенно в районах, где отсутствуют другие источники энергии.

Строение атмосферы. Для атмосферы характерна чётко выраженная слоистость (рис.), определяемая особенностями вертикального распределения температуры и плотности составляющих её газов.

Ход температуры весьма сложен, плотность убывает по экспоненциальному закону (80% всей массы атмосферы сосредоточено в тропосфере).

Переходной областью между атмосферой и межпланетным пространством является самая внешняя её часть — экзосфера, состоящая из разрежённого водорода. На высотах 1-20 тысяч км гравитационное поле Земли уже не способно удерживать газ, и молекулы водорода рассеиваются в космическом пространстве. Область диссипации водорода создаёт феномен геокороны. Первые же полёты искусственных спутников обнаружили, что Земля окружена несколькими оболочками заряженных частиц, газокинетическая температура которых достигает нескольких тысяч градусов. Эти оболочки получили название радиационных поясов. Заряженные частицы — электроны и протоны солнечного происхождения — захватываются магнитным полем Земли и вызывают в атмосфере различные явления, например, полярные сияния. Радиационные пояса составляют часть магнитосферы.

Все параметры атмосферы — температура, давление, плотность — характеризуются значительной пространственно-временной изменчивостью (широтной, годовой, сезонной, суточной). Обнаружена также их зависимость от вспышек на Солнце.

Состав атмосферы. Основными компонентами атмосферы являются азот и кислород, а также аргон, углекислый газ, неон и другие газы (табл.).

Наиболее важная переменная составляющая атмосферы — водяной пар. Изменение его концентрации колеблется в широких пределах: от 3% у земной поверхности на экваторе до 0,2% в полярных широтах. Основная масса его сосредоточена в тропосфере, содержание определяется соотношением процессов испарения, конденсации и горизонтального переноса. В результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают атмосферные осадки (дождь, град, снег, роса, туман). Существенная переменная компонента атмосферы — углекислый газ, изменение содержания которого связано с жизнедеятельностью растений (процессами фотосинтеза) и растворимостью в морской воде (газообменом между океаном и атмосферой). Наблюдается рост содержания углекислого газа, обусловленный индустриальным загрязнением, что оказывает влияние на климат.

Радиационный, тепловой и водный балансы атмосферы. Практически единственным источником энергии для всех физических процессов, развивающихся в атмосфере, является солнечное излучение, пропускаемое "окнами прозрачности" атмосферы. Главная особенность радиационного режима атмосферы – так называемый парниковый эффект — состоит в том, что ею почти не поглощается излучение в оптическом диапазоне (большая часть излучения достигает земной поверхности и нагревает её) и не пропускается в обратном направлении инфракрасное (тепловое) излучение Земли, что значительно снижает теплоотдачу планеты и повышает её температуру. Часть падающего на атмосферу солнечного излучения поглощается (главным образом водяным паром, углекислым газом, озоном и аэрозолями), другая часть рассеивается газовыми молекулами (чем объясняется голубой цвет неба), пылинками и флуктуациями плотности. Рассеянное излучение суммируется с прямым солнечным светом и, достигнув поверхности Земли, частично отражается от неё, частично поглощается. Доля отражённой радиации зависит от отражательной способности подстилающей поверхности (альбедо). Радиация, поглощённая земной поверхностью, перерабатывается в инфракрасное излучение, направленное в атмосферу. В свою очередь, атмосфера является также источником длинноволнового излучения, направленного к поверхности Земли (так называемое противоизлучение атмосферы) и в мировое пространство (так называемое уходящее излучение). Разность между коротковолновым излучением, поглощённым земной поверхностью, и эффективным излучением атмосферы называется радиационным балансом.

Преобразование энергии излучения Солнца после её поглощения земной поверхностью и атмосферой составляет тепловой баланс Земли. Потери тепла из атмосферы в мировое пространство намного превосходят энергию, приносимую поглощённой радиацией, однако дефицит восполняется его притоком за счёт механического теплообмена (турбуленция) и теплотой конденсации водяного пара. Величина последней в атмосфере численно равна затратам тепла на испарение с поверхности Земли (см. Водный баланс).

Движение воздуха. Вследствие большой подвижности атмосферного воздуха на всех высотах в атмосфере наблюдаются ветры. Направления движения воздуха зависят от многих факторов, но главный из них — неравномерность нагрева атмосферы в разных районах. Вследствие этого атмосферу можно уподобить гигантской тепловой машине, которая превращает поступающую от Солнца лучистую энергию в кинетическую энергию движущихся воздушных масс. По приблизительным оценкам, кпд этого процесса 2%, что соответствует мощности 2,26 • 10¹⁵ Вт. Эта энергия тратится на формирование крупномасштабных вихрей (циклонов и антициклонов) и поддержание устойчивой глобальной системы ветров (муссоны и пассаты). Наряду с воздушными течениями больших масштабов в нижних слоях атмосферы наблюдаются многочисленные местные циркуляции воздуха (бриз, бора, горно-долинные ветры и др.). Во всех воздушных течениях обычно отмечаются пульсации, соответствующие перемещению воздушных вихрей средних и малых размеров. Заметные изменения в метеорологических условиях достигаются такими мелиоративными мероприятиями, как орошение, полезащитное лесоразведение, осушение заболоченных районов, создание искусственных морей. Эти изменения в основном ограничиваются приземным слоем воздуха.

Кроме направленных воздействий на погоду и климатическая деятельность человека оказывает влияние на состав атмосферы. Загрязнение атмосферы за счёт действия объектов энергетической, металлургии, химической и горной промышленности происходит в результате выброса в воздух главным образом отработанных газов (90%), а также пыли и аэрозолей. Общая масса аэрозолей, выбрасываемых ежегодно в воздух в результате деятельности человека, около 300 млн. т. В связи с этим во многих странах проводят работы по контролю за загрязнением воздуха. Быстрый рост энергетики приводит к дополнительному нагреванию атмосферы, которое пока заметно только в крупных промышленных центрах, но в будущем может привести к изменениям климата на больших территориях. Загрязнение атмосферы горными предприятиями зависит от геологической природы разрабатываемого месторождения, технологии добычи и переработки полезных ископаемых. Например, выделение метана из пластов угля при его разработке составляет около 90 млн. м³ в год.

При ведении взрывных работ (для отбойки горных пород) в течение года в атмосфере выделяется около 8 млн. м³ газов, из них большая часть инертных, не оказывающих вредного воздействия на окружающую среду. Интенсивность выделения газов в результате окислительных процессов в отвалах относительно велика. Обильное пылевыделение происходит при переработке руд, а также на горных предприятиях, разрабатывающих месторождения открытым способом с применением взрывных работ, особенно в засушливых и подверженных действию ветров районах. Минеральные частицы загрязняют воздушное пространство непродолжительное время, главным образом вблизи предприятий, оседая на почву, поверхность водоёмов и других объектов.

Для предотвращения загрязнения атмосферы газами применяют: улавливание метана, пеновоздушные и воздушно-водяные завесы, очистку выхлопных газов и электропривод (вместо дизельного) у горного и транспортного оборудования, изоляцию выработанных пространств (заиливание, закладка), нагнетание воды или антипирогенных растворов в пласты угля и др. В процессы переработки руды внедряют новые технологии (в том числе с замкнутыми производственными циклами), газоочистные установки, отвод дыма и газа в высокие слои атмосферы и др. Уменьшение выброса пыли и аэрозолей в атмосфере при разработке месторождений достигается путём подавления, связывания и улавливания пыли в процессе буровзрывных и погрузочно-транспортных работ (орошение водой, растворами, пенами, нанесение на отвалы, борта и дороги эмульсионных или плёночных покрытий и т.д.). При транспортировке руды применяют трубопроводы, контейнеры, плёночные и эмульсионные покрытия, при переработке — очистку фильтрами, покрытие хвостохранилищ галькой, органическими смолами, рекультивацию, утилизацию хвостохранилищ.