Атмосферный воздух. Трансграничное загрязнение. Озоновый слой Земли.

Важнейшие климатические и экологические особенности Земли в решающей степени определяются наличием и свойствами ее газовой оболочки – атмосферы. Благодаря специфическому газовому составу, способности поглощать и отражать солнечную радиацию, озоновому слою, в котором задерживается основная часть коротковолнового излучения Солнца, благоприятному температурному режиму и присутствию водяного пара атмосферу можно назвать одним из главных источников жизни на Земле.

В современном газовом составе атмосферы, который отличается большим постоянством, содержится по объему (%): азота – 78,08, кислорода – 20,9, аргона – 0,93, углекислого газа – 0,031 и небольшое количество инертных газов. Наиболее важная переменная составляющая атмосферы – водяной пар. Пространственно-временная изменчивость его концентрации, а также непостоянство радиационного и светового режимов предопределяют резко дифференцированные условия функционирования природных экосистем. Несмотря на то, что климатические контрасты в различных районах Земли сглаживаются благодаря циркуляции атмосферы и морским течениям, эта дифференциация весьма заметна.

Атмосфера по сравнению с литосферой и гидросферой характеризуется наибольшим содержанием свободного кислорода, потребляемого живыми организмами и способствующего переработке продуктов распада органической материи, осуществляющегося в условиях достаточно высокой среднегодовой температуры воздуха (13,6 С0) у поверхности Земли.

Исходя из термической структуры и циркуляции атмосферы ее принято разделять на сферические слои, именуемые тропосферой, стратосферой, мезосферой и термосферой, верхние границы которых называются паузами. Средняя температура в тропосфере убывает по мере удаления от поверхности Земли к ее верхней границе (на расстоянии 10 – 16 км).

Термическая структура тропосферы обусловлена нагреванием земной поверхности солнечной радиацией с последующим переносом тепла вверх путем турбулентного перемешивания и конвекции. Господствующие в тропосфере процессы (испарение водяного пара и его конденсация) приводят к образованию облаков и осадков, поскольку в тропосфере содержится преобладающая часть водяного пара атмосферы. Выше тропосферы в диапазоне высот от 10 – 16 км примерно до 50 км располагается стратосфера. В отличие от тропосферы, в которой важную роль играет турбулентный обмен, стратосфера весьма устойчива, содержит мало влаги, и в ней отсутствуют погодные явления в обычном смысле слова, а единственным видом облачности являются серебристые облака.

Из всех газов, содержащихся в атмосфере, наибольшее значение для деятельности живых организмов имеют кислород, углекислый газ, озон и водяной пар. Кислород используется в процессах дыхания, окисления органического вещества либо неорганических элементов. Углекислый газ расходуется в ходе фотосинтеза автотрофными растениями и выделяется при разложении органического детрита.

Если содержание азота, кислорода и аргона в тропосфере весьма постоянно, то распределение озона и водяного пара меняется в зависимости от времени года, географической широты и других факторов. Нестабильность атмосферы как природной системы объясняется колебаниями температуры, давления, плотности, имеющими место в тропосфере, а также гравитационным воздействием Луны и Солнца, вызывающим атмосферные приливы в стратосфере. Выше стратосферы располагаются мезосфера, в которой температура убывает с высотой, и термосфера, где наблюдается обратное явление.

В настоящее время к естественным факторам изменчивости атмосферы добавился антропогенный фактор, связанный с прогрессирующим ее загрязнением.

Под загрязнением атмосферы следует понимать изменение ее состава при поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения. Вещества-загрязнители бывают трех видов: газы, пыль и аэрозоли. К последним относятся диспергированные твердые частицы, выбрасываемые в атмосферу и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии.

К основным загрязнителям атмосферы относятся углекислый газ, оксид углерода, диоксиды серы и азота, а также малые газовые составляющие, способные оказывать влияние на температурный режим тропосферы: диоксид азота, галогенуглероды (фреоны), метан и тропосферный озон. Объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников на территории России составляет около 22 – 25 млн. т. в год. Объем этих выбросов за последние 10 лет ежегодно сокращается на 300 – 600 тыс. т. Сокращение выбросов обусловлено главным образом повсеместным спадом промышленного производства, особенно в добывающих и ресурсоперерабатывающих отраслях. Позитивную роль в этих условиях сыграла относительная стабильность добычи и использования газа – экологически чистого топлива.

Наблюдения за состоянием атмосферного воздуха свидетельствуют о снижении средних концентраций взвешенных веществ, растворимых сульфатов, аммиака, бенз(а)пирена, сажи, сероводорода, формальдегида, вследствие спада производства и закрытия предприятий. При этом возросли средние концентрации диоксида азота, оксида углерода, сероуглерода, фенола, фторида водорода, что связано с неритмичностью работы предприятий. Отмечен также рост концентраций оксида углерода, диоксида азота и формальдегида на автомагистралях крупных городов и прилегающих к ним территориях.

Так, по данным наблюдений, за ряд лет в 254 городах России уровень загрязнения воздуха изменялся незначительно.

Среднегодовые концентрации взвешенных веществ (пыли), диоксида азота, фенола и фторида водорода достигали одного ПДК, сероуглерода превышали 2 ПДК, формальдегида – 3 ПДК, бенз(а)пирена – 1 ПДК и стандарт Всемирной организации здравоохранения – в 2,6 раза. Все загрязнители среды имеют конкретные источники выбросов. Большинство из них под воздействием природных факторов с течением времени, нейтрализуется или разрушается. В качестве примера на рис. 3.5 приведена схема загрязнения среды канцерогенным углеводородом (бенз(а)пиреном) и ее самоочищения.

Ежегодно при анализе информации о загрязнении атмосферного воздуха в приоритетный список городов вносятся города с наибольшим уровнем загрязнения атмосферы. Например, при составлении такого списка за 1995 г. в связи с суровой зимой возросли концентрации бенз(а)пирена, вызванные выбросами от котельных и печного отопления. По сравнению с предыдущим годом отмечен рост средних концентраций бенз(а)пирена на 22%.

За счет загрязнения атмосферного воздуха этим веществом приоритетный список расширился, в него были включены 45 городов (в 1994 г. список содержал 38 городов). В Ангарске, Каменске-Уральском, Норильске, Омске, Ставрополе, Усолье-Сибирском уровень загрязнения воздуха продолжал расти.

Для загрязнений воздуха в городах, вошедших в список, характерны высокие концентрации специфических загрязняющих веществ. Почти в каждом городе наибольший вклад в загрязнение воздуха определяется концентрациями бенз(а)пирена, формальдегида, метилмеркаптана, сероуглерода, бензола и других веществ.