Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Строительная экология

Состав и свойства атмосферы


Состав и свойства атмосферы

Для того чтобы подойти к современным технологиям очистки воздуха при выбросах промышленных предприятий, а также к охране атмосферы, рассмотрим ее состав и свойства. Атмосфера — это газовая оболочка Земли, ее масса около 5,51 • 1015 т. Состав ее у поверхности Земли: 78% — азота; 20,9% — кислорода; 0,93% — аргона; в незначительных долях процента углекислый газ, водород, гелий и др. По характеру изменения температуры с высотой атмосферу разделяют на несколько слоев — сфер. Непосредственно к земной поверхности примыкает тропосфера (см. рис. 1.1). Она простирается на высоте до 10 км над полюсами и до 18 км — над экватором. В этом слое идет непрерывное интенсивное перемешивание воздуха как по горизонтали, так и по вертикали, что приводит к понижению его температуры с высотой примерно на 6,5 °С на 1 км. В тропосфере сконцентрировано 75% всей массы атмосферы, основное количество водяного пара и мельчайших частиц примесей, способствующих образованию облаков. Поэтому тропосферу называют кухней погоды. Верхней границей тропосферы является тропопауза — область, в которой температура перестает понижаться. В среднем она располагается на высоте 11... 12 км. Выше тропопаузы, примерно до 50 км, простирается стратосфера, в которой преобладают слабые воздушные потоки, малое количество облаков и постоянство температуры (до высоты примерно 25 км) -56 °С. С высотой температура начинает повышаться от -56 °С до нуля (в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м) и на уровне стратопаузы (46...54 км) достигает нуля. Атмосфера регулирует тепловой режим Земли, способствует перераспределению тепла по всей планете. Энергия Солнца частично поглощается почвой и водоемами, морями и океанами, частично отражается в атмосферу. Нетрудно представить себе, каким был бы температурный режим Земли, если бы не было атмосферы: ночью и зимой она сильно охлаждалась бы за счет собственного излучения, а летом и днем перегревалась за счет солнечной радиации. Так происходит, например, на Луне, где нет атмосферы. Но, благодаря тому, что атмосфера представляет собой «одеяло», на Земле не бывает резких переходов от мороза к жаре и обратно. Если бы Земля не была окружена воздушной оболочкой, то в течение одних только суток амплитуда колебаний температуры поверхности планеты достигла бы 200 °С: днем стояла бы сильнейшая жара (более 100 °С), а ночью — мороз (около -100 °С). В действительности средняя температура Земли благодаря атмосфере составляет около 15 °С. Если говорить о другом качестве воздушной оболочки, то она является надежным щитом от ультрафиолетовых (УФ), рентгеновских и космических лучей. Верхние слои атмосферы частично поглощают и частично рассеивают эти лучи. Кроме того, атмосфера защищает нас и от «звездных осколков», и от искусственных спутников Земли и их деталей, со скоростью 11... 64 км/с врезающихся в атмосферу, раскаляющихся в ней за счет трения о воздух и сгорающих на высоте около 60...70 км. Велико значение атмосферы и в распределении света. Солнечные лучи, падающие на Землю, разбиваются в воздухе атмосферы на миллионы мелких лучей, которые, рассеиваясь, создают равномерное освещение. Наличие в воздухе различных примесей, содержащих главным образом лучи с короткой длиной волны (к ним относятся фиолетовые, синие и голубые) придает небу голубой цвет, но по мере уменьшения плотности и засоренности воздуха, т. е. с уменьшением количества рассеивающих частиц, цвет неба меняется, становится темнее и переходит в густо-синий, а в стратосфере — в черно-фиолетовый. Следует также отметить, что атмосфера является той средой, где распространяются звуки. Благодаря воздуху мы слышим друг друга, пение птиц, шум леса, вой ветра. Воздух имеет массу. Масса 1 м3 сухого воздуха, если его взвесить над уровнем моря при температуре 0 °С, равна 1923 г. Ладонь человека испытывает давление воздуха силой около 1471 Н (ньютон), а на все тело человека воздух давит с силой более 1471 • 103 Н. Но мы не замечаем этого давления благодаря тому, что все тело насыщено воздухом, уравновешивающим внешнее давление. При нарушении этого равновесия наше самочувствие ухудшается: учащается пульс, появляются вялость, безразличие, притупляется острота ощущений. Атмосфера выполняет важнейшую роль перераспределителя влаги на Земле. Вода, поступившая в атмосферу в виде пара, переносится на огромные расстояния и затем снова выпадает на Землю. При самом слабом дожде (1 мм осадков) на каждый 1 м2 поверхности приходится около 1 кг воды, а на 1 га — 10000 кг, или 10 т. Для испарения 1 т воды, т.е. для обратного процесса, требуется затратить около 2512 Дж (джоуля) теплоты. Ранее говорилось о составе атмосферы. Газовый состав ее неоднороден, его составляют кислород (02), азот (N2), углекислый газ (С02), водород (Н2), аргон (Аг2), озон (03), гелий (Не2), неон (Ne2) и ксенон (Хе2). В атмосфере всегда присутствует водяной пар, количество которого непостоянно и колеблется от 0 до 4% по объему. Вода в атмосфере находится во всех трех агрегатных состояниях: газообразном (водяной пар), жидком (капли дождя) и твердом (кристаллики снега и льда). Конденсация водяных паров приводит к образованию облаков. Атмосферная влага, теряемая в результате выпадения осадков, пополняется за счет поступления новых порций испаряющейся воды. Полное обновление состава паров в атмосфере происходит за 9... 10 дней. Таким образом, атмосферная влага является самым активным звеном круговорота воды в природе. Для человека очень важны температура, влажность и движение воздуха, которые существенно воздействуют на его организм. Благодаря терморегуляции организм человека переносит изменения температуры и приспосабливается к различным климатическим условиям. Оптимальная для человека влажность 40...60%. Сухой воздух при всех условиях переносится человеком хорошо, а вот повышенная влажность неблагоприятна, так как при высокой температуре она способствует перегреванию, а при низкой — переохлаждению организма. При высокой температуре (до 37 °С) ветер предохраняет человека от перегревания, а при низкой — способствует переохлаждению. В атмосферном воздухе присутствуют аэрозоли и ионы. Аэрозоли в окружающей среде — довольно частое явление. Облака, целительные фитонциды, морской воздух, насыщенный солями, — все это полезные аэрозоли. Но есть и вредные аэрозоли: выхлопы двигателей внутреннего сгорания, дым и прочие источники. Аэрозоли наблюдаются как в тропосфере, так и в верхних слоях атмосферы, концентрация их убывает с высотой. Каждый 1 см3 воздуха, которым мы дышим в городе, содержит от 10 до 100 тыс. мельчайших частиц, в горах и сельской местности — около 5 тыс., а над океаном еще меньше. Ионы в атмосферном воздухе образуются под действием земного радиоактивного излучения и космических лучей. Легкие ионы с отрицательным зарядом оказывают положительное влияние на живой организм. В 1 м3 воздуха их может содержаться от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч. Искусственно ионизированный воздух улучшает обмен веществ, благотворно действует на живой мир. В городах, где воздух загрязнен, ионов в атмосфере значительно меньше. Свежий горный воздух, лесной или морской воздух хорошо действует на весь организм человека, повышает сопротивляемость к различным заболеваниям. Объясняется такое явление большим содержанием отрицательно заряженных ионов кислорода, которые и оказывают благотворное влияние на человека. Неравномерность прогревания воздуха солнечной энергией приводит к горизонтальным градиентам давления, которые и определяют перемещения масс воздуха вокруг Земли. Кроме горизонтального градиента давления на перемещение воздуха действует сила Кориолиса, возникающая при вращении Земли. Эта сила отклоняет поток воздуха вправо (на север). Сила Кориолиса зависит от скорости ветра, местности (гористая или равнинная) и угловой скорости вращения Земли. Она максимальна на полюсах и равна нулю на экваторе. С точки зрения очистки воздуха от загрязнения при возникновении циклонов такие погодные условия в принципе хороши: восходящий поток разносит загрязняющие вещества по поверхности Земли, а дождь или снег вымывает их из атмосферы. Хуже погодные условия при антициклонах. С ними связана хорошая в бытовом понимании погода, когда дождя и снега нет и, как правило, солнечно; воздух опускается и оседает. Переходя в нижние слои атмосферы, где давление больше, воздух сжимается и температура его растет. Оседание воздуха при антициклонах часто не доходит до поверхности Земли. Тогда прогретый воздух, задерживаясь на некоторой высоте, может способствовать образованию температурной инверсии, при которой высокие слои воздуха нагреты больше, чем нижние. При этом нарушается нормальная циркуляция воздуха и под покровом нижнего слоя воздуха (в теплое время суток они остывают) накапливаются различные загрязнения. Такая инверсия происходит на высоте от сотен метров до 1... 2 км. Ночью может образоваться двойной инверсионный слой, что еще более способствует накоплению отравляющих веществ в приземном слое. Однако регулирование теплового режима в атмосфере зависит и от условий распределения местных ветров в конкретном районе, которые вообщем-то формируются под воздействием явлений общей атмосферной циркуляции и локальных условий. Выделяют семь важнейших типов местных ветров. 1. Так называемые муссоны, которые меняют два раза в год свое направление: с океана на сушу они дуют летом, а с суши в сторону океана — зимой. Причина возникновения муссонов заключается в большой разности давлений атмосферного воздуха — над сушей и океаном. Это обусловливается их неодинаковым нагревом летом и зимой. 2. Бризы — ветры меньших масштабов с суточной периодичностью по берегам морей и крупных озер. Дневной бриз дует с водоема на нагретое побережье, ночной — с охлажденного побережья на водоем. Бризы обычно распространяются на 10...50 км по обе стороны от береговой линии и на высоту нескольких сотен метров. Выше воздух переносится в обратном направлении. 3. Фен (от нем. Fohri) — сухой и теплый (часто сильный) горный ветер, дующий с гор в долины. Эти свойства фена обусловлены адиабатическим нагревом воздуха при его нисходящем движении. 4. Бора (от итал. bora и гр. boreas — северный ветер) — местный сильный (до 40...60 м/с) холодный ветер в некоторых приморских районах, где невысокие горные хребты граничат с теплым морем (например, на Адриатическом побережье Югославии, на Черноморском побережье в районе Новороссийска). Направлен бор вниз по склонам в направлении теплого моря. Бор обычно отмечается зимой. 5. Шквал (от англ. squall) — резкое, кратковременное (минуты и десятки минут) усиление ветра, иногда до 30...70 м/с с изменением его направления чаще всего при грозе. Возникновение шквалов связано с кучевыми облаками и их передвижением. 6. Смерч — атмосферный вихрь, возникающий в грозовом облаке и распространяющийся вниз, часто до самой поверхности Земли, в виде темного облачного «рукава» или «хобота» диаметром в десятки и сотни метров. Смерч существует недолго, перемещаясь вместе с облаком. Смерч может причинить большие разрушения. При низком давлении в данном месте с воздухом в вихрь может быть втянута пыль с земной поверхности или вода. Смерч над сушей называется также тромбом (в США — торнадо). 7. Ветер долин и гор — чем-то напоминает местный тип ветра-фёна. Вследствие нагревания воздуха в приземном слое в горных долинах образуются восходящие ветры, направленные от дна долины вверх по склонам. Ночью сильное излучение дает охлаждение контактирующего с земной поверхностью воздуха и сползание холодных воздушных масс по склонам ко дну долины. Влияние этого ветра зависит, естественно, и от рельефа местности, и от полезащитных лесонасаждений. Поток ветра, достигающий полезащитных лесонасаждений, как бы (частично) огибает их, проходя над ними, а частично проникает и сквозь них в зависимости от ширины и частоты деревьев и кустарников полезащитной полосы, теряя при этом скорость. В результате с подветренной стороны образуется аэродинамическая тень, т.е. полоса со сниженной скоростью ветра. Протяженность этой полосы по горизонтали кратна средней высоте деревьев. Сомкнутые лесные массивы слабо проницаемы для ветра, и ветер проносится над кронами деревьев. Одним из важнейших свойств атмосферы является ее устойчивость к рассеиванию загрязнителей. Если атмосфера устойчива и в ней отсутствуют вертикальные перемещения воздуха и турбулентное перемешивание, в такой атмосфере антропогенные загрязнители остаются в том месте, где они были выброшены, т.е. вблизи поверхности Земли и источников загрязнения. На рассеивание загрязнителей в атмосфере влияет конвективное и турбулентное перемешивание. Высота слоя перемешивания различна и в большей степени она зависит от времени года и суток. Чем больше слой перемешивания загрязнителей (выбросов), тем ниже их концентрация в атмосфере. Значительное загрязнение воздуха в приземном слое наблюдается при высоте конвективного слоя перемешивания менее 1,5 км. Между тем эта высота зависит от воздействия солнечной радиации, когда воздух у поверхности Земли нагревается и приобретает подъемную силу. Чем выше разница температуры воздуха по высоте (температурный градиент), тем больше ускорение воздуха за счет подъемной силы. При сверхадиабатическом процессе градиент температуры отрицателен, что отражает неустойчивость атмосферы. При положительном градиенте атмосфера устойчива. Когда градиент температуры равен нулю, атмосфера считается нейтральной. Следует отметить, что и атмосфера неоднородна. Она неоднородна не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении. Кроме того, воздух никогда не находится в полном покое, он постоянно трансформируется. Особенно интенсивно изменяются физические свойства воздуха при его перемещении из одних широт в другие или с суши к океану и наоборот. Вместе с тем воздух, перемещаясь над различными участками поверхности (горы, леса, болота, степи, океаны), изменяет свои физические свойства и происходит его трансформация. Поэтому воздушные потоки, приходящие, например, с севера (с учетом изменения высоты) повышают температуру на 4...5°С/сут и воздух становится неустойчивым, а при обратном движении происходит ее понижение, особенно у поверхности Земли. Воздушные потоки у поверхности Земли имеют различные направления и формируют теплые и холодные, устойчивые и неустойчивые массы воздуха. При горизонтальном направлении воздушные потоки (теплые или холодные) могут сближаться или удаляться друг от друга. Зоны, в которых происходит сближение масс воздуха, называют атмосферными фронтами, которые непрерывно возникают и разрушаются. Ширина фронтальных зон относительно невелика, но в них, как правило, концентрируются наибольшие запасы энергии, и они образуют крупнейшие вихри-циклоны и антициклоны. Атмосферные фронты перемещаются вместе с воздушными массами, но они могут оставаться некоторое время на месте. В зоне атмосферных фронтов можно часто наблюдать облачность и осадки. При восходящем движении воздуха (вследствие разности скоростей) зафронтальный воздух движется быстрее. Фронт имеет высоту 2... 3 км, достигая иногда 8... 10 км. Чем мощнее фронт, тем продолжительнее и обильнее осадки. Длина теплого фронта может достигать 1000... 2000 км, а в перпендикулярном направлении — 500...700 км. Все зависит от массы воздушных потоков. Холодный атмосферный фронт отличается от теплого прежде всего тем, что при его движении у самой поверхности Земли из-за трения фронтальная полоса холодного воздуха на высоте до 2 км становится более узкой.



Похожие статьи:
Перечень правовых и нормативных документов по экологии строительства

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Строительная экология

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум