Раздел I общие сведения об атмосфере Лекция № 1 Строение и химический состав атмосферы План
1.1.Введение
1.2.Строение атмосферы
1.3.Природный химический состав атмосферы
1.1.Введение
Несмотря на то, что на долю природных источников загрязнения воздуха приходится свыше 50 % выбросов оксидов серы, 93 % оксидов азота, значительная доля оксида углерода и ряд других загрязнителей атмосферы, все же наибольшую опасность создают искусственные источники загрязнения воздуха, связанные с деятельностью человека, в первую очередь процессы сжигания топлива.
В отличие от природных, искусственные источники загрязнения отличаются крайней неравномерностью распределения. На Северное полушарие приходится 95 % выбросов оксидов азота и 93 % диоксида серы, поступающих из промышленных источников. Еще большая неравномерность отмечается между сельскими и городскими местностями.
Поступление в атмосферный воздух огромных объемов продуктов сгорания топлива от котлов, промышленных печей, а также отработанных газов автомобилей изменяет состав атмосферного воздуха, часто приближая концентрации токсичных веществ к опасному по биологическому действию на человека, животных, растения пределу, приводит к интенсивной коррозии металла.
Выплавка 1000 т стали, связана с выбросом в атмосферу 40 т пыли, 30 т серы диоксид и 50 т оксида углерода. При производстве 1000 т серной кислоты в атмосферу поступает до 20 т оксидов азота, 10 т диоксида серы. Выработка 1 Млн. кВт´ч электроэнергии на тепловых электростанциях, работающих на угле, влечет за собой выброс в атмосферу 10 т золы, 15 т диоксида серы и 3 т оксидов азота (в дальнейшем курсе, если не будет специально оговорено, под оксидами азота понимаются все оксиды отNOдоN2O5). Электростанции, работающие на природном газе, не выбрасывают в атмосферу золу и серы диоксид, но в больших количествах выделяют оксиды азота.
Увеличение потребления топлива и количества обрабатываемых материалов, а также формирование технологических процессов приводят к увеличению выброса токсичных веществ в атмосферу в 2 раза за каждые 12...14 лет.
На Земле уже потеряно свыше полумиллиарда гектаров пашни, две трети лесов, более 250 видов животных и птиц. Более 600 видов животных занесено в "Красную книгу".
1.2. Строение атмосферы
Природный воздух, которым мы дышим, представляет собой сложную систему, находящуюся в тесном взаимодействии с окружающей средой: Атмосферный воздух, которым мы дышим, представляет собой земной поверхностью, мировым океаном, солнечным излучением и т.д.
В атмосферном воздухе под действием внешних и внутренних факторов постоянно протекают гидродинамические, тепловые. электромагнитные, химические, фотохимические процессы, от которых зависит температура, давление, скорость перемещения и химический состав воздуха.
Атмосфера на сотни километров простирается вокруг Земли, ее масса составляет около 5,3´1015тонн. Это одна миллионная часть массы нашей планеты. Плотность, влажность, температура и химический состав атмосферы неодинаковы - они зависят в основном от высоты слоя атмосферы над землей.
Земную атмосферу условно разделяют на пять основных слоев: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.
Тропосфера- ближайший к поверхности Земли слой атмосферы, толщина которого составляет над экватором 16...18 км, а над полюсами 7...9 км. В тропосфере заключено 90 % всей массы атмосферы. В тропосфере воздух находится в постоянном движении. Здесь наиболее интенсивно протекают все процессы. Происходит горизонтальное и вертикальное перемещение больших масс воздуха, образование зон с повышенным или пониженным давлением, охлаждение или нагревание воздушных масс, конденсация влаги и т.д.
Температура воздуха в тропосфере по мере удаления от поверхности Земли понижается и на высоте 10...15 км достигает минус 60...70 оС. Это происходит потому, что воздух нагревается от поверхности Земли, которая в свою очередь нагревается от солнечных лучей. По мере удаления от поверхности Земли плотность воздуха снижается, ухудшается теплопередача и воздух не успевает прогреваться. Снижение температуры воздуха на каждый километр высоты над уровнем моря составляет приблизительно 6оС.
Стратосфера - второй слой атмосферы. Она достигает высоты 60...80 км. Ее масса составляет 5 % от всей массы атмосферы. В стратосфере также происходит интенсивное перемещение воздуха и скорость его может достигать 100 км/ч. Характерной особенностью стратосферы является возрастание температуры по мере удаления от земной поверхности (на каждый километр температура увеличивается в среднем на 1...2оС). Это объясняется тем, что на этих высотах землю опоясывает слой разреженного воздуха, в состав которого входит озон. Большая часть энергии ультрафиолетовых лучей, пронизывающих стратосферу, поглощается озоном, вследствие чего и происходит нагревание воздуха.
Мезосфера- третий слой атмосферы, где температура воздуха по мере удаления от Земли вновь понижается (у верхней своей границы на высоте около 80...100 км она достигает минус 76оС). Скорость перемещения воздушных масс в мезосфере достигает сотен километров в час.
Термосфера- четвертый слой атмосферы. Для него характерно непрерывное повышение температуры по мере удаления от Земли и невысокая плотность воздуха. Однако понятие "температуры" здесь имеет особый смысл.
Известно, что температура газа определяется скоростью движения молекул. В плотной газовой среде высокие скорости движения молекул приводят к их частым столкновениям. При этом движущиеся с большой скоростью молекулы поглощают лучистую энергию и передают ее соседним молекулам, в результате чего температура повышается.
В разреженных средах скорость молекул чрезвычайно велика, однако вследствие малой плотности среды вероятность их столкновения мала, а следовательно не возрастает и температура, которую можно измерить термометром. Таким образом, понятие высоких температур для термосферы характеризуется лишь скоростью движения и энергией молекул.
Термосфера характеризуется ионизацией газовых молекул под действием космических лучей, что делает ее электропроводной.
Экзосфера- верхний ярус атмосферы. Он расположен выше 800 км. Этот ярус характеризуется еще большим разрежением воздушного пространства и еще большей степенью ионизации молекул. Скорость движения газовых частиц здесь достигает 12 км/с, что соответствует температуре 2000оK. При такой скорости частицы способны преодолевать земное тяготение и уходить в межпланетное пространство. Поэтому экзосферу называют сферой рассеивания.
Термосферу и экзосферу, вследствие большой разреженности газов и большой степени ионизации молекул часто называют ионосферой.
Плотность атмосферного воздуха непосредственно не измеряют, а рассчитывают по уравнению состояния газов
кг/м3(1.1)
Давление атмосферного воздуха в зависимости от высоты и температуры определяют по формуле
(1.2)
где: P2- давление на геометрической высотеZ2;P1- давление на геометрической высотеZ1;Tm- среднее значение температуры между геометрическими высотамиZ1иZ2.
Температура атмосферы зависит от удаления от Земли. Кроме того, локальная температура в каждой точке атмосферы непрерывно меняется во времени. Вследствие различных плотности и состава отдельных слоев атмосферы температура меняется скачкообразно.