Агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

В.А. ЯБЛОКОВ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АТМОСФЕРЕ

(техногенное воздействие)

Нижний Новгород - 2007

ББК 20я7

Я 14

УДК 5

Рецензенты:

Докт. хим. наук, профессор Нижегородского государственного

университета им. Н.И. Лобачевского Н.В. Карякин

Докт. хим. наук, профессор Нижегородского государственного

технического университета В.Р. Карташов

Яблоков В.А. Физико-химические процессы в атмосфере (техногенное воздействие). Издание 2-е дополненное.-Н. Новгород: Нижегород. гос. архит. - строит. ун-т , 2007.- 107 с.

ISBN 5-85941 – 335-7

Рассматривается эволюция атмосферы, строение и состав, радиационный, тепловой и водный баланс, оптические и электрические явления, происходящие в атмосфере. Особое внимание обращается на техногенное воздействие, оказывающее влияние на изменение состояния озонового слоя в стратосфере, нарастающий парниковый эффект в тропосфере, выпадение кислотных дождей. Рассмотрено воздействие атмосферных загрязнений на человека. Книга предназначена для студентов, аспирантов и специалистов в области теплогазоснабжения и вентиляции.

ББК 20я 7

ISBN 5 – 87941 – 335 –7

ã ННГАСУ, 2007

Введение

Для человека атмосфера является средой обитания на поверхности Земли. Изучение строения атмосферы, состава газовых компонентов, радиационного режима, оптических и электрических процессов в нижнем и верхнем слоях атмосферы позволяет человеку избежать действий, которые могли бы оказать отрицательное влияние на её состояние.

В атмосфере (внешней оболочке Земли) основной движущей силой физико-химических процессов является электромагнитное излучение, а действие электромагнитного и гравитационного полей определяют структуру, состав и химические реакции, которые в ней протекают.

Из всех геосфер Земли только атмосфера имеет такое разреженное (газообразное) состояние вещества, обеспечивающее быстрое перемещение и перемешивание вещества в течение короткого промежутка времени, исчисляемого неделями и месяцами. И если на территории отдельных участков суши или гидросферы обмен веществом и энергией происходит локально и в течение длительного времени, то атмосфера лишена границ, охватывая и земную кору, и гидросферу.

В

Атмосфера

системе взаимосвязанных и взаимозависимых геосфер

Гидросфера

Литосфера

физико-химические реакции, присущие атмосфере имеют специфику, существенно отличающую от других геосфер. Прозрачная для электромагнитного излучения, атмосфера выполняет функцию оптического фильтра. Она поглощает ту часть излучения Солнца, которая губительна для живых систем и пропускает излучение необходимое живым организмам для фотосинтеза. Большинство химических реакций в атмосфере являются фотохимическими и протекают с участием нестабильных частиц – атомов и свободных радикалов, которые в конденсированных средах существуют короткое время, а в разреженной верхней атмосфере существуют значительное время.

Геосферы планеты Земля имеют сложное строение и химический состав. Ядро планеты, мантия, земная кора, гидросфера, атмосфера и охватывающая планету магнитосфера, образуют единое целое.

Центральная часть планеты включает металлическое ядро, состоящее главным образом из железа Fe (~ 80%), никеля Ni, кобальта Co с незначительными примесями кремния Si, углерода С, алюминия Al и кислорода О.

Покрывающая ядро мантия представляет собой оболочку, состоящую из силикатов и алюмосиликатов, содержащих главным образом кислород О, железо Fe, кремний Si, алюминий Al, магний Mg, серу S, кальций Ca и натрий Na.

Земная кора покрывает мантию слоем, средняя толщина которого составляет всего 43 км. Таким образом, из 6371 км от центра до поверхности Земли 3471 км приходится на ядро и 2900 км – на мантию, включая тончайший слой земной коры.

Земную кору можно назвать «кислородной сферой», т. к. основную её массу составляет кислород (47,9%), связанный в виде различных химических соединений с кремнием (29,9%), алюминием (7,80%), а также железом (4,02%), кальцием (2,9%), калием (2,32%), натрием (2,21%) и магнием (1,7%). На перечисленные выше девять химических элементов приходится 98,75% массы земной коры, в то время как на все остальные элементы периодической системы Д.И. Менделеева остается лишь 1,25% массы.

Гидросфера – прерывистая водная оболочка – совокупность океанов, морей и поверхностных вод суши, основную массу которой составляет вода Н₂О.

В атмосфере – газовой оболочке Земли – масса воздуха распределена неравномерно. Нижний слой атмосферы (5,6 км) содержит половину всего воздуха. Вторая половина воздуха практически сосредоточена до высоты 11,3 км. По мере удаления от поверхности концентрация и давление газа падают, достигая ничтожных значений.

Магнитосфера Земли оказала огромное влияние на эволюцию форм и свойств планеты, биосферы и человека. Доказано, что живые организмы от бактерий до позвоночных, реагируют на изменение геомагнитного поля [35], а магнитосфера захватывает и удерживает солнечный ветер (постоянный поток плазмы, состоящий из обладающих высокой энергией протонов, электронов и незначительного количества ионов гелия, кислорода, кремния, серы, железа и других элементов), избавляя земную поверхность уже на дальних подступах от их сокрушительных бомбардировок.

Вблизи поверхности атмосфера состоит из молекулярного азота N₂, кислорода О₂, аргона Ar и углекислого газа CО₂. Доля гелия He, криптона Kr, водорода H₂, озона O₃ и других газов, входящих в состав атмосферы, незначительна.

Состав газовой смеси изменяется с высотой. По мере удаления от поверхности растет доля легких газов. На большом удалении от Земли преобладающими газами становятся гелий и водород.

Физическое и химическое состояние атмосферы контролируется странами с помощью международных программ изучения глобальных атмосферных процессов.

Осознание мировым сообществом опасности нарастания демографического, энергетического кризисов и все больший разрыв между экономическим развитием и экологическими проблемами, включая загрязнение окружающей среды, привело к принятию ряда мер международного характера.

В 1985 г. метеорологи обнаружили над Антарктидой увеличивавшуюся весной и уменьшающуюся к осени в озоновом слое атмосферы озоновую дыру. Оказалось, что концентрация О₃ над поверхностью существенно меняется в течение года.

Затем в Монреале был подписан протокол, обязывающий страны-участницы избавляться от производства вредных фреонов, которые, как доказали Роуланд и М. Молина (Нобелевская премия 1995 г.), попадая в атмосферу, вызывают распад атмосферного озона в стратосфере.

В 1992 г. в рамках Глобального экологического форума, который прошел под эгидой ООН в Рио-де-Жанейро был сформулирован принцип «устойчивого развития». Позже (1997) с целью снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду выбросов парниковых газов был принят Киотский протокол (1997), предусматривающий снижение выбросов СО₂ в атмосферу.

Указанные меры недостаточны, они имеют как сторонников, так и противников. Основная проблема состоит в том, что договаривающиеся страны по-разному рассматривают проблемы, связанные с развитием экономики стран и решением экологических проблем.