Атмосфера делится на три основные части:
1) нижнюю – тропосферу (до высоты 8–18 км в зависимости от географической широты местности);
2) среднюю – стратосферу (от 8–18 до 60 км);
3) верхнюю – ионосферу (выше 60 км).
Тропосфера характеризуется снижением температуры по высоте (примерно 6 °С на 1 км). Так как теплый воздух легче холодного, это приводит к вертикальному перемещению потоков воздуха, конденсации водяного пара, образованию облаков и выпадению осадков. Очень часто тропосферу называют кухней погоды. В ней сосредоточено 80% массы атмосферного воздуха. На экваторе интенсивность, вертикальность потоков воздуха, вызванных нагреванием земной поверхности, выше, из-за этого тропосфера там простирается до самой большой высоты (до 16–18 км), в умеренных широтах – до 10–11 км, а на полюсах – до 8–9 км. Стратосфера располагается выше тропосферы – до высоты около 60 км. В ней температура с высотой не понижается, а возрастает, вертикального движения воздушных потоков не наблюдается. В стратосфере создаются условия для накопления такого химически активного вещества, как озон (О3), который является модификацией кислорода (О2). В тропосфере природный озон образуется из кислорода за счет электрических разрядов во время гроз и из-за своей активности очень недолговечен. В стратосфере под действием ультрафиолетового излучения Солнца в отсутствие вертикального перемешивания образуется слой повышенной концентрации озона, который называют озоновым слоем. Ионосфера лежит выше стратосферы. До высоты около 80 км здесь наблюдается резкое понижение температуры (до –75–90 °С), что нередко вызывает образование самых высоких облаков – слоистых, состоящих из ледяных кристалликов. На больших высотах характерно значительное повышение температуры (до 1000 °С и более). Газы атмосферы под действием интенсивного солнечного излучения находятся здесь в ионизированном состоянии. С этим состоянием связано возникновение полярного сияния как свечения газов. Ионосфера обладает способностью многократного отражения радиоволн, что позволяет обеспечивать дальнюю радиосвязь.
Только в тропосфере существуют условия, благоприятные для жизни живых организмов. На высотах стратосферы и ионосферы ни животные, ни растения существовать без средств защиты не могут.
Наличие кислорода в атмосферном воздухе и поддержание его в объеме, необходимом для развития биосферы, – важнейшие условия для поддержания жизни на Земле. Воспроизводство кислорода на суше в большой мере определяют южный и северный лесные пояса. Основная доля последнего находится в Российской Федерации – прежде всего в Сибири, на Дальнем Востоке, на севере европейской части страны. Таким образом, воспроизводство кислорода и поглощение углекислого газа на Земле теснейшим образом связаны с состоянием лесов нашей страны.
Большую опасность для человечества представляют потенциально возможный дефицит кислорода на Земле, изменение состава атмосферного воздуха в результате его загрязнения. Под загрязнением атмосферы понимают любое изменение ее состава и свойств, которое оказывает негативное воздействие на здоровье человека, состояние растений и животных. Загрязнение атмосферы может быть вызвано природными процессами и деятельностью человека (антропогенное загрязнение).
Природными источниками загрязнений атмосферного воздуха служат прежде всего вулканические выбросы, лесные и степные пожары, пыльные бури, тайфуны, массовое цветение растений и т.п. Обычно эти факторы не оказывают резко отрицательного воздействия на природные экосистемы, за исключением редких широкомасштабных катастрофических извержений вулканов. Источником запыленности атмосферы также могут быть крупные лесные пожары. Значительное загрязнение атмосферы природного происхождения вызывается пыльными бурями, их образование связано с переносом сильным ветром поднятых с земной поверхности пылевых частиц. Этому могут способствовать природные факторы (такие, как засуха) и деятельность человека (чрезмерная распашка, выпас скота и т.п.). В период массового цветения растений в приземных слоях воздуха может содержаться значительное количество спор и пыльцы растений. Многие из них способны вызывать у людей аллергические заболевания. Особенно подвержены этим недугам люди, в первом, втором поколениях переселившиеся на новые места, сильно отличающиеся от их родины составом растительности.
Антропогенное загрязнение атмосферы по своим масштабам значительно превосходит природное. Оно оказывает различное воздействие на атмосферу, влияя непосредственно на ее состояние (нагревание, изменение влажности и др.), воздействуя на физико-химические свойства атмосферы (увеличивая концентрации диоксида серы, твердых частиц и т.п.), изменяя свойства подстилающей поверхности (сведение лесов увеличивает скорость ветров, распашка изменяет способность земной поверхности отражать солнечные лучи и т.д.). Для уменьшения концентрации в атмосфере вредных примесей, источником которых в основном являются промышленные предприятия и транспорт, применяют различные методы.
1. Устанавливают очистное оборудование для улавливания загрязняющих веществ. При этом степень улавливания отдельных видов загрязнителей сильно различается. Так, например, в Российской Федерации для твердых выбросов этот показатель составляет 94%, для жидких и газообразующих выбросов – до 30% (при этом для таких токсичных выбросов, как окислы серы и азота, степень улавливания еще ниже и составляет соответственно 15 и 10%).
2. Сооружают высокие и сверхвысокие дымовые трубы: чем в более высокие слои воздуха выбрасываются загрязняющие вещества, тем ниже их концентрация в приземном слое, но на тем большую площадь они рассеиваются. Например, труба высотой 100 м рассеивает выбросы в радиусе до 20 км, высотой 250 м – до 75 км. Самая высокая в мире труба высотой 400 м сооружена в Канаде, в провинции Онтарио.
3. Совершенствуют существующие и создают новые промышленные технологии, при этом нередко применяют принципиально новые экологически чистые схемы производства. Так, ускоренными темпами развивается особое направление в металлургии – биометаллургия, когда такой металл, как медь, получают из микроорганизмов, которые размножаются в питательной среде, основу которой составляют медные руды, и накапливают в своем теле медь.
4. Располагают промышленные предприятия с учетом розы ветров.
5. Создают санитарно-защитные зоны вокруг промышленных предприятий (шириной от 50 м до 1 км в зависимости от токсичности выбросов), в которых запрещено строительство жилых зданий.
6. Осуществляют посадку зеленых насаждений. Исследования показали, что каждое взрослое дерево поглощает 30–40 кг пыли и копоти в год.
Для сокращения вредного влияния выхлопных газов автомобилей на здоровье людей и состояние животных и растений применяют следующие методы:
♦ совершенствуют существующие модели двигателей и уменьшают все корпуса автомобилей, чтобы сократить потребление топлива;
♦ применяют новые виды топлива. В развитых странах растет количество автомобилей, работающих только на природном газе или способных потреблять сразу два вида топлива – газ и бензин. Разрабатываются двигатели, которые смогут работать на принципиально новых, экологических чистых видах топлива, например на жидком водороде, выхлопные газы автомобилей в этом случае будут представлять собой пары воды. Новый вид топлива для автомобилей с 1970-х гг. нашел свое применение в Бразилии. Ученые предложили использовать этиловый спирт – его можно добывать из отходов переработки сахарного тростника. Бразилия является крупнейшим в мире производителем сахара из сахарного тростника, поэтому этиловый спирт в качестве автомобильного топлива гораздо дешевле бензина, при этом выхлопные газы содержат гораздо меньше окиси углерода, отравляющей атмосферу. В настоящее время в этой стране большинство автомобилей ездит на «зеленом бензине»;
♦ используют нейтрализаторы, которые крепятся к выхлопной трубе для очистки выхлопных газов. Нейтрализаторы представляют собой металлическую оболочку, где находятся либо гранулы, на поверхности которых нанесен активный слой с добавками благородных металлов, либо керамический блок в виде сот. В развитых странах запрещено движение автомобилей, не снабженных нейтрализаторами;
♦ применяют автоматизированные системы регулирования движения, чтобы уменьшить время работы двигателей автомобилей в режиме холостого хода и набора скорости (при этих режимах объемы выхлопных газов и содержание в них вредных веществ максимальны);
♦ создают вдоль дорог зеленые насаждения, которые способны более чем наполовину уменьшать вредное воздействие выхлопных газов на окружающую среду.
Нужно особо подчеркнуть высокую экологическую эффективность озеленения. Деревья хорошо очищают воздух от выхлопных газов. Каждое взрослое дерево ежегодно поглощает такой объем отработанных газов, какой автомобиль в среднем выделяет за 25 тыс. км пробега. В зеленых массивах каждое зеленое дерево, как уже отмечалось, поглощает за год в среднем 30–40 кг пыли и других твердых частиц, причем дерево с богатой лиственной кроной – до 68 кг. Одно дерево средней величины за сутки восстанавливает столько свободного кислорода, сколько необходимо для дыхания трех человек. Гектар деревьев и кустарников только за один час поглощает весь углекислый газ, выделяемый за это время 200 людьми. С каждого гектара, занятого деревьями, за год выделяется до 30 кг полезных для человека эфирных масел. Температура воздуха среди насаждений в жаркую погоду на 8–12 градусов ниже, чем в городской застройке. В зеленых массивах уже на расстоянии 30 м от проезжей части улицы вдвое меньше микробов, чем на транспортных магистралях. На озелененных участках микрорайонов запыленность воздуха на 40% ниже, чем на открытых площадках. Кроме того, деревья хорошо сокращают и шумовое загрязнение.
