(від грец. τρόπος – поворот й
σϕα
ί
ρα
– куля) – нижня область земної атмосфери між земною поверхнею і тропопаузою, що характеризується пониженням температури повітря з висотою в середньому на 6,5°С/км. В полярних і середніх широтах висота тропосфери сягає 8–12 км, а у тропіках –
16–18 км. У тропосфері зосереджена основна маса атмосферного повітря – від
75 % у середніх і полярних широтах до 90 % – у тропіках.
Тропопауза (товщина 1 – 2 км) – перехідний шар між тропосферою та стратосферою, що є основою інверсійного або ізотермічного розподілу темпе- ратури в стратосфері.
Таблиця 2.1
Характеристика основних шарів атмосфери
Висота над поверхнею Землі
Н, км
Температура t,
0
С
Шар
Нижня межа
Верхня межа нижня верхня
Градієнт
Δ
t
,
0
С /км тропосфера поверхня Землі
12 ─
13 15 -56 -6,5 тропопауза
12
─ 13
14
-56
-56 0,0 стратосфера
14
20 32
20 32 47
-56
-56
-44
-56
-44
-2,5 0,0
+1,0
+2,8 стратопауза 47 52
-2,5 -2,5 0,0 мезосфера 52 71 71 85
-2,5
-58
-58
-86
-2,8
-2,0 мезопауза 85 95
-86
-86 0,0 термосфера 95
450 -86
+1200
»0 термопауза не визначена екзосфера
450
20 000
Стратосфера (від лат. stratum – шар і сфера )– шар атмосфери на висоті від 8–16 до 55 км, в якому температура переважно зростає з висотою або залишається сталою. Зростання температури з висотою у середній і верхній частинах стратосфери зумовлено поглинанням ультрафіолетової сонячної радіації озоном (атмосферний озон переважно міститься у стратосфері, тому цей шар називають ще озоносферою).
Озоновий шар є найважливішою складовою частиною атмосфери, що впливає на клімат і захищає все живе на Землі від випромінювання Сонця.
Основна маса озону перебуває на висотах від 10 до 50 км, а його максимум –
20
на висоті 18–26 км. Усього в стратосфері втримується 3,3 трильйони тонн озону. Озон перебуває в дуже розрідженому стані; якщо б гіпотетично всю кількість озону зібрати безпосередньо навколо Землі, то товщина цього шару була би лише 2,5–3 мм.
Мезосфера (від грец.μέσος – середній, серединний і сфера) – шар атмосфери на висоті від 55 до 80 км, характеризується зниженням температури з висотою, яке відбувається внаслідок охолодження цього шару інфрачервоним випромінюванням озону й вуглекислого газу.
Термосфера (від грец. θέρμη – жар і сфера) – шар атмосфери, який розміщується на висоті понад 95 км і сягає до 450 км, у якому температура збільшується з висотою. Нижньою частиною термосфери є іоносфера ( від
95 до 500 км). Вміст іонів у багато разів більший, ніж у верхніх шарах термосфери (незважаючи на сильне розрідження повітря), і на висоті приб- лизно 100 – 400 км становить 10 15
– 10 6
на 1 см
3
. Іонізація газів в іоносфері відбувається завдяки дії ультрафіолетового випромінювання Сонця, і спричиняє їх світіння та виникнення полярного сяйва.
Від ступеня іонізації повітря залежить його електропровідність. В іоно- сфері електропровідність повітря у 10 12
разів більша, ніж біля земної поверхні.
В іоносфері відбувається поглинання, заломлення і відбивання радіо- хвиль; хвилі довжиною λ=20м взагалі не проникають крізь іоносферу, а відбиваються шарами з невеликою концентрацією іонів у нижній її частині – на висоті 70–80 км. Середні і короткі хвилі відбиваються верхніми іоно- сферними шарами. Саме внаслідок відбивання радіохвиль у іоносфері можливий дальній радіозв’язок на коротких хвилях.
Екзосфера (від грец. έξω – зовні, і сфера) – зовнішня оболонка земної атмосфери, починається з висоти близько 1000 км, переходить у міжпланет- ний простір. Густина повітря в екзосфері є настільки малою, що молекули і атоми можуть вільно викидатись у міжпланетне середовище.
Криву розподілення температури в атмосфері за висотою (криву стратифікації) будують на основі вимірювань за допомогою радіозонду, літака або ракети. Зміна температури в межах атмосфери на різних висотах пояс- нюється неоднаковим поглинанням сонячної енергії газами.
Гідросфера ( від грец. ϋδωρ – вода й
σϕαίρα – куля) – це водна оболонка
Землі, до якої належать:
−
Світовий океан;
−
води суходолу (ріки, озера, болота, льодовики)
−
ґрунтові та підземні води;
−
волога атмосфери.
Гідросфера тісно пов’язана з іншими геосферами Землі – атмосферою і літосферою. Вода на Землі знаходиться в безперервному русі. Кругообіг води
21
об’єднує усі геосфери, утворюючи в цілому замкнену систему: океан – атмосфера – суходіл.
Загальний об’єм води на планеті оцінюють 1 386 млн. км
3
, з них 97,5 % зосереджено в океанах. Решту 2,5 % становлять крижані шапки полюсів,
ґрунтові та підземні води, прісноводні водойми й річки, а ще вода, яка міститься у атмосфері (0,001 % від загального об’єму). Найбільший об’єм неокеанічної води зосереджено у крижаних шапках полюсів та льодовиках
(86 %), а 14 % зосереджено в поверхневих та підземних водах. Лише 1 % прісної води – це озера, річки, ґрунтові води.
Вода є найпоширенішою неорганічною сполукою на планеті, основою усіх процесів. Живі організми містять до 80–90 % води; втрата ними 10–20 % води призводить до їхньої загибелі. Для нормального здійснення функцій організму необхідно близько 2 л води на добу.
Вода гідросфери містить майже всі хімічні елементи. Середній хімічний склад її близький до складу океанічної води, у якій переважають хлориди. У водах суходолу переважають карбонати. Вміст мінеральних речовин (солей) у воді – солоність – коливається залежно від клімату і місцевих умов та вимірюється у тисячних частинах грама–проміле (°/оо).
Рис. 2.2. Класифікація природних ресурсів
Невичерпні
Вичерпні
Вітер, припливи, течія води
Сонячна енергія
Чисте повітря
Відновлювані
Невідновлювані
Викопне паливо
Прісна вода
Родючі
ґрунти
Рослини і тварини
Металічна мінеральна сировина – руди
(залізо, мідь, цинк, свинець)
Неметалічна мінеральна сировина – нерудна
(глина, пісок, фосфати)
Природні ресурси
22
Середня солоність Світового океану близько 35°/оо, тобто в кожному кілограмі води міститься в середньому 35 г солей.
Звичайно води суходолу слабко мінералізовані – прісні (солоність рік і прісних озер від 0,5 до 1°/оо.
Відомі водойми, вміст солей у яких є майже таким, як у дистильованій воді
(це, зокрема, сфагнові болота; солоність становить не більше 0,01°/оо).
Середня солоність океанічної води близько 35°/оо, солоність морської води коливається від 1–2°/оо (Фінська затока Балтійського моря) до 41,5°/оо
(Червоне море). Найбільша концентрація солей природних водойм – у солоних озерах (Мертве море до 260°/оо) і Тамбуканському озері на Кавказі
(347°/оо). Дві крайні величини солоності – 0,010°/оо та 347°/оо визначають діапазон солоності природних водойм, у межах якого можливе життя.
Природні ресурси –це найважливіші компоненти навколишнього при- родного середовища, які використовують для задоволення матеріальних і куль- турних потреб людини. Вони поділяються на невичерпні і вичерпні (рис. 2.2).
Біосфера землі є замкненою системою з порівняно сталою масою і обмінюється з космічним простором лише енергією. Тому людству необхідно враховувати її здатність до самовідтворення своєї біопродуктивності та вичерпність запасів невідновних ресурсів. Належить економно і раціонально використовувати природні ресурси, свідомо відмовляючись від надлишків. Подальший розвиток життя на Землі залежить від наявності природних ресурсів, простору для життя і об’єктів для задоволення культурних та інших потреб.
Форми та механізми деградації біосфери. Антропогенне забруднення
атмосфери.Існують два головні джерела забруднення атмосфери: при- родне і антропогенне. Природне джерело – це вулкани, пилові бурі, лісові пожежі, процеси розкладання рослин і тварин.
До основних антропогенних джерел забруднення атмосфери належать підприємства паливно-енергетичного комплексу, промислові підприємства
і транспорт.
Сучасний розвиток людського суспільства характеризується надзвичайно
інтенсивним зростанням чисельності населення, а, отже, й зростанням енерге- тичних потреб. Упродовж XX ст. з надр Землі видобуто корисних копалин більше, ніж за всю попередню історію людства. Внаслідок їхнього використання відбувається викидання в атмосферу великої кількості шкідливих газів (сірчаний ангідрид, оксид сірки, оксиди азоту, вуглеводні, сажа, яка є носієм смолистих речовин, пил і зола, які містять солі важких металів) в атмосферу. Результатом цього є парниковий ефект та глобальне потепління, випадання кислотних опадів, утворення озонових дір, виникнення смогів.
Парниковий ефект. Температура на Землі підтримується завдяки балансу між нагріванням Землі сонячним промінням та охолодженням після повер-
23
нення енергії в космос. Енергетичний баланс підтримується завдяки так званим парниковим газам. Ці гази функціонують так, як скло в теплицях: дають можливість інфрачервоним променям потрапляти всередину і затри- мують їх, забезпечуючи стабільну температуру (рис. 2.3).
Існують 6 основних парникових газів:
•
вуглекислий газ
CO2. Його внесок у парниковий ефект становить понад 50 %. Концентрація CO
2
збільшується внаслідок знищення лісів
(щороку в світі знищується від 16 до 20 млн. га лісів, натомість фітомаса планети здатна поглинути лише 60 % від загальної кількості парникових газів)
і спалювання нафти, газу, вугілля (щороку в світі спалюється
∼3,2 млрд. т нафти і нафтопродуктів)
;
•
водяна пара Н
2
О. Потепління, що відбувається через дію інших парникових газів, збільшує випаровування та зумовлює підвищення кількості водяної пари в атмосфері;
•
метан СН
4
. Найбільшими джерелами викидів метану є рисові поля, домашня худоба, анаеробна ферментація сміття, добування вугiлля та транс- портування природного газу. Метан є також супутнiм продуктом розкладання бiомаси та
неповного згорання палива;
•
закис азоту N
2
O. Антропогенними джерелами емiсiї N
2
O є сiльськогос- подарський обробіток ґрунтів, особливо використання азотовмiсних добрив; спалювання викопного природного палива; виробництво адiпiнової (нейло- нової) та азотної кислот; спалювання бiомаси.
•
озон;
•
хлорфторвуглеці. На відміну від решти парникових газів вони син- тезовані людиною.
Парниковий ефект взагалі є природним явищем. Він позитивно впливає на всі екосистеми та стабілізує температуру атмосферного повітря. Однак, збільшуючи викиди парникових газів в атмосферу, людина порушує баланс, що склався впродовж тривалого часу. Наслідком парникового ефекту є
глобальне потепління клімату.
Підвищення середньої температури Землі на 1,5°С (а це можливо, за науковими прогнозами, у 2025 році), викличе підняття рівня Світового океану на 25 см. Підвищення на 0,7–0,8°С у природі раніше відбувалося упродовж тисячі років, а останнім часом – упродовж 100 років!
Загроза глобального потепління спонукала політиків прийняти міжна- родні угоди (Рамкова конвенція ООН про зміну клімату 1992 р. і Кіотський протокол 1999 р.) про зниження темпів приросту викидів цього газу в атмосферу. Саме – темпів приросту! Ніхто не сподівається, що вдасться зменшити самі викиди. Якщо розвинені країни останніми роками почали
24
зменшувати викиди парникових газів, то в країнах, що розвиваються
(насамперед – Китаї та Індії), відзначається протилежна тенденція. Викиди вуглецю в цих країнах наприкінці XX століття на 70 % перевищили рівень
1986 р. Ймовірно, що це призведе до зростання викидів в атмосферу вуглецю до 2010 р. на 40 % порівняно з рівнем 1990 р. А це означає, що середня температура повітря на Землі до кінця XXI століття може зрости на 2–4,5°С.
ПАРНИКОВІ ГАЗИ
1. Сонячна радіація потрапляє в атмосферу
(343 Вт/кв.м
)
А Т М О С Ф Е Р А
4. Частина сонячної радіації
відбивається атмосферою
і земною поверхнею
(103 Вт/кв.м)
2. Сонячна радіація проходить крізь атмосферу
(240 Вт/кв.м)
3. Сонячна енергія поглинається земною поверхнею
(168 Вт/кв.м),
нагріває її та викликає емісію довгохвильової
(інфрачервоної) радіації в атмосферу
7. Частина
ІЧ-випромінювання проходить крізь атмосферу
(60 Вт/кв.м)
5. Частина ІЧ-випромінювання поглинається
і відбивається назад молекулами парникових газів. Прямим наслідком цього є нагрівання поверхні Землі і тропосфери
6. Поверхня отримує більше тепла
і знову відбувається емісія ІЧ-випромінювання
З Е М Л Я
Рис. 2.3. Схема парникового ефекту
Чому після цього вже немає шляху назад, чому клімат не зможе повернутися у звичний для нас стан? Річ у тому, що після перетинання температурою критичної межі 2°С спрацюють фізичні механізми, дія яких
(уже без втручання людини) призведе до різкого посилення парникового ефекту, тобто розпочнуться необоротні зміни стану атмосфери Землі та пов’язані з цим кліматичні катаклізми.
Із фізики відомо, що розчинність газів у воді зменшується з підвищенням
її температури – у діапазоні 10–20°С розчинність СО
2
зменшується на 3 % на кожен градус підвищення температури води. У Світовому океані міститься величезна маса вуглекислого газу – близько 140 трлн. тонн (в 60 разів більше, ніж в атмосфері). Отже, у разі підвищення температури води океану в атмосферу може виділитися величезна додаткова кількість СО
2
, що в багато разів перевищуватиме ту, яка викидається за рахунок діяльності людини. Це
25
різко посилить парниковий ефект, отож температура атмосфери підвищиться ще більше. І далі цього процесу вже не зупинити – за підвищенням температури повітря знову йтиме підвищення температури Світового океану, і знову в атмосферу буде викинуто величезну кількість вуглекислого газу –
«маховик» процесу не зупинити!
Під час глобального потепління в атмосфері збільшуватиметься і вміст водяної пари, що також посилить парниковий ефект.
За рахунок цього процесу відбуватиметься танення льодовиків, і на величезних територіях утворяться болота, одним із продуктів життєдіяльності яких є метан. Тобто з’являється ще один механізм розігрівання атмосфери.
Отже, варто людині перетнути межу, як далі розпочинається ланцюгова реакція і кліматичну систему вже не вдасться повернути в попередній стан.
Підраховано: з середини XVIII століття середня температура повітря при поверхні землі вже підвищилася більш ніж на 1,2 градуса за Цельсієм , отже, до фатальної межі нам залишилося зовсім мало!
Руйнування озонового шару.
Життя на Землі залежить від енергії Сонця.
Надходить ця енергія на Землю у вигляді світла видимого частини спектра випромінювання, а також інфрачервоного (або теплового) та ультрафіо- летового (УФ) випромінювань.
УФ-випромінювання є найбільш фізіологічно активним, тобто інтенсивно діє на живу речовину. Весь потік УФ-випромінювання Сонця, що надходить до земної атмосфери, умовно поділяють на три діапазони: УФ(А) (довжина хвилі 400–315 нм), УФ(В) (315–280 нм) і УФ(С) (280–100 нм). УФ(В)- і
УФ(С)-випромінювання, так званий «жорсткий ультрафіолет», є надзвичайно шкідливими для всього живого: вони призводять до порушення структури білків та нуклеїнових кислот і врешті-решт до загибелі клітин. Що ж захищає біосферу від згубної дії «жорсткого ультрафіолету»?
На висотах 10–50 км над земною поверхнею міститься озон. Він утво- рюється у стратосфері за рахунок двохатомного кисню (О
2
), що поглинає
«жорстке» УФ-випромінювання: енергія УФ(В)- та УФ(С)-випромінювань затрачається на фотохімічну реакцію утворення озону з кисню (3О
2
⎯→
⎯
ν
h
2О
3
),
і тому до поверхні Землі вони не доходять; туди проникає лише суттєво послаблений потік «м'якого» УФ(А)-випромінювання. Від його негативної дії наш організм захищається, синтезуючи в шкірі шар темного пігменту меланіну
(загар). Однак ця речовина утворюється досить повільно. Тому тривале перебування на сонці, коли шкіра ще не насичена меланіном, викликає її почервоніння, головний біль, підвищення температури тіла тощо.
Озоновий шар в атмосфері Землі з'явився на початку її геологічної історії, коли в повітря став надходити кисень, що вироблявся в процесі фотосинтезу
26
мікроскопічними морськими водоростями. За розрахунками вчених, коли вміст кисню в атмосфері досяг приблизно 10 % від сучасного,
сформувався озоновий шар, і життя змогло вийти з моря на суходіл (до цього поверхня суходолу була випалена, стерилізована ультрафіолетом).
Серед основних причин послаблення озонового щита, викликаного антропогенною діяльністю, – запуск космічних ракет (під час запуску системи
«Спейс-Шатл» ви кидається 346 т водяної пари, 187 т хлору і його сполук, 7 т азотних оксидів) та рух літаків, які викидають численні оксиди азоту; надмірне і неконтрольоване внесення мінеральних (азотних) добрив, які є джерелом утворення оксидів азоту. Потужним джерелом руйнування озоно- вого шару є хлорфторвуглеці (ХФВ), або фреони.
Фреони вже понад 60 років використовуються як холодоагенти в холо- дильних установках і кондиціонерах, як пропеленти (гази, що виштовхують продукти харчування або косметичні засоби з упаковки) в аерозольних сумішах, піноутворювальні речовини у вогнегасниках, при виготовленні полістиролового одноразового посуду, а також як розчинники. Раніше фреони вважались ідеальними для практичного застосування, оскільки є стабільними і неактивними, а отже, нетоксичними. Але саме інертність цих сполук робить їх небезпечними для атмосферного озону. ХФВ не розпадаються у тропосфері, а проникають (разом з потоками повітря) у стратосферу.
атома СlкиснюмолекулиозонунаступніРис. 2.4. Руйнування озонового шару Землі фреонами
Потрапивши на висоту
∼25 км, де концентрація
озону максимальна, ХФВ піддаються інтенсивному впливу ультрафіолетового випромінювання
(рис. 2.4), що не проникає на менші висоти через екрануючу дію озону.
Ультрафіолет руйнує стійкі у звичайних умовах молекули фреонів, які розпадаються на компоненти з високою реакційною здатністю, зокрема, атомарний хлор. При руйнуванні озону хлор діє як каталізатор: під час
Рис. 2.4. Руйнування озонового шару Землі фреонами
27
хімічної реакції його кількість не зменшується. Внаслідок цього один атом хлору може зруйнувати до 100 000 молекул озону перш ніж буде дезакти- вований або повернеться в тропосферу. Сьогодні викид фреонів в атмосферу обчислюється кількома мільйонами тонн, але навіть у гіпотетичному випадку повного припинення виробництва й використання ХФВ негайного результату досягти не вдасться: дія фреонів, які вже потрапили в атмосферу, триватиме кілька десятиліть. Вважається, що час життя в атмосфері для двох найбільш широко використовуваних ХФВ: фреону-11 (CFCl
3
) і фреону-12 (CF
2
Cl
2
) становить 75 і 100 років відповідно.
Природним джерелом надходження хлору в атмосферу є вулканічні викиди.
Проблема охорони озонового шару регулює Віденська конвенція про охорону озонового шару (1985 р.) та Монреальський протокол про охорону атмосферного озону (1987 р.), підписані 56 країнами. Вони передбачають гнучкі заходи зі скорочення викидів озоноруйнувальних речовин: скорочення та припинення виробництва ХФВ, економічні заходи, обмін технологіями та фінансову допомогу.
Кислотні дощі.Оксиди сірки і азоту, що викидаються в атмосферу внаслідок роботи теплових електростанцій (ТЕС) та автомобільних двигунів, сполучаються з атмосферною вологою й утворюють дрібні крапельки сірчаної та азотної кислот, які переносяться вітрами у вигляді кислотного туману й випадають на землю кислотними дощами. Кислотниминазивають взагалі будь-які опади — дощ, сніг, туман, якщо значення їх рН становить менш ніж
7,0. Кислотні дощі мають значення рН частіше в межах 4,1–2,1, а в деяких випадках навіть менше ніж 2,1. Ще 100 років тому значення рН дощової води дорівнювало 7, тобто опади були нейтральними.
Кислотні опади вкрай шкідливо впливають на довкілля:
−
знижується врожайність сільськогосподарських культур через ушко- дження листя кислотами;
−
з ґрунту вимиваються кальцій, калій і магній, що призводить до його деградації;
−
гинуть ліси (найчутливішими до кислотних дощів є кедр, бук і тис);
−
отруюється вода озер і ставків, гине риба, зникають комахи; щезають водоплавні птахи і тварини, що живляться комахами;
−
загибель лісів спричинює зсуви ґрунту в гірських районах;
−
прискорюється руйнування пам'яток архітектури, споруд, особливо тих, що побудовані з вапняку, та оздоблених мармуром;
−
збільшується захворюваність людей (хвороби очей та органів дихання).
Кислотний сніг завдає ще більшої шкоди, ніж дощ, оскільки він може накопичуватись упродовж тривалого часу, що призводить до значного закис- нення ґрунту під час танення снігу навесні. Кислотність талої води в може буди десятки разів вища від кислотності води дощової.
28
Смоги.Окремо взяті речовини, що забруднюють повітря, є
менш небез- печними, ніж їхні суміші.Хімічні реакції, що відбуваються безпосередньо в повітрі, спричиняють виникнення димних туманів – смогів (від англ. smoke – дим і fog – туман). Смоги виникають за певних умов: по-перше, у разі великої кількості пилу і газів у повітрі; по-друге, під час тривалого існування антициклональних умов погоди, за яких забруднювачі накопичуються в приземному шарі атмосфери. Назва «смог» стала відомою після грудня 1952 року, коли в Лондоні утворився туман, який зумовив численні смертельні випадки. У холодній повітряній масі міста сформувалася інверсія; промислові дими, що продовжували надходити в атмосферу, змішалися з насиченим вологою повітрям і утворили над містом густу хмару з високим вмістом оксидів сірки. Такий стан в атмосфері спостерігався більше двох тижнів, протягом яких зафіксовано майже 4000 смертельних випадків. Наприкінці 1962 року в Рурі (ФРН) смог убив за три дні 156 осіб. Смоги, що виникають у зимову пору року, одержали назву
лондонських. Відомі ще так звані
лос-анджелеські,або
фотохімічні смоги
,які виникають у літній період. За умови інтенсивного впливу сонячної радіації у насиченому вихлопними газами автомобілів повітрі проходять складні реакції з утворенням нових високотоксичних забруднювачів – фотооксидантів (озон, органічні перекиси, нітрити та ін.), що подразнюють слизові оболонки шлунково-кишкового тракту, легенів та органів зору. Лише в Токіо смог викликав отруєння 10 тис. осіб у 1970 році та 28 тис. – 1971 р.
Скачать 1.3 Mb.