Атмосфера и озоновый слой

Азотно-кислородный состав земной атмосферы уникален для планет Солнечной системы. Сухой воздух содержит по массе 75, 51% азота, 23,15% (1,2∙10¹⁵ т) – кислорода, 1,28% – аргона, 0,036% – углекислого газа.

Атмосфера состоит из 4-х сфер (рис. 3.9). Самой нижней и самой плотной её частью является тропосфера, которая простирается до высоты 15 км. Для неё характерно снижение температуры по мере набора высоты: на 1^оС на каждые 100 м подъёма. Выше до высоты 30 км располагается стратосфера, в которой содержится озоновый слой, защищающий нас от жесткого ультрафиолетового излучения (УФ-излучения) Солнца.

Рис. 3.9. Распределение температуры в атмосфере

Современные процессы образования газов на Земле подразделяются на: биогенные (О₂, СО₂, N₂, H₂S, СН₄ и др.); техногенные (СО₂, СО, NO, SO₂ и др.). Важной компонентой атмосферы является водяной пар. Среднее содержание пара и воды в атмосфере достигает 1,3∙10¹⁵ т, что в переводе на слой конденсированной воды составляет 25 мм. Водяной пар в атмосфере обновляется примерно 30 раз в году. Средняя приземная температура на планете примерно равна +15^оС. Конденсация влаги в тропосфере порождает облачность, которая является главным фактором, определяющим отражательную способность Земли. В стратосфере под влиянием космического и ультрафиолетового излучения возникает озон (3,1∙10⁹ т), состоящий из трёхатомных молекул кислорода. Озоновый слой атмосферы поглощает губительное для организмов ультрафиолетовое излучение Солнца.

Озон образуется в двухстадийном процессе. На первой стадии под действием УФ-фотона высокой энергии (длина волны менее 175 нм) происходит фотолитическая диссоциация кислорода на два атома:

О₂ + hν→ 2О. (3.1)

Результатом этой стадии является полное поглощение излучения на длинах волн меньше 175 нм.

На второй стадии атом кислорода О взаимодействует с молекулой кислорода О₂ с участием посторонней частицы аэрозоля А, которая выступает в качестве катализатора:

О + О₂ + А → 2О₃ + А. (3.2)

Защитное действие озонового слоя проявляется в реакции его фотолитического распада под действием опасного солнечного УФ-излучения с длиной волны менее 310 нм:

О₃ + hν→ О + О₂. (3.3)

Образующиеся в результате этой реакции частицы кислорода вступают в реакцию (3.2), снова образуя озон. Таким образом, цикл замыкается. Совместный эффект реакций (3.1) и (3.3) создает УФ-фильтр в стратосфере, которая располагается в пределах высот 15–30 км от земной поверхности. Несмотря на малую концентрацию озона в стратосфере (около 5х10⁶ молекул/м³) он хорошо справляется с задачей фильтрации УФ-излучения.

Подводя итог, можно отметить, что поглощение солнечного УФ-излучения озоновым слоем происходит в результате самоподдерживающегося естественного цикла фотолитических и химических реакций, происходящих в стратосфере между тремя аллотропными модификациями кислорода О, О₂ и О₃.

Фотолитические реакции (3.1) и (3.3) могут протекать только в светлое время суток, поэтому в стратосфере наблюдаются суточные вариации концентрации озона О₃. Дневная концентрация озона пропорциональна концентрации молекулярного кислорода.

Скорость фотолиза в реакциях (3.1) и (3.3) зависят от спектра падающего излучения, а поскольку он меняется с высотой, концентрация озона зависит от высоты озонового слоя над уровнем моря. Время достижения равновесной концентрации О₃ зависит от высоты. Это объясняется тем, что падающее УФ-излучение, проходя через стратосферу, ослабевает. По этой причине на высотах ниже 30 км достижение фотохимического равновесия практически невозможно. Кроме того концентрация озона на таких высотах определяется динамикой вертикальных и горизонтальных движений воздуха в стратосфере.

Количество озона зависит от географической широты, а также от времени года. Это объясняется различием в солнечной освещенности. Скорость фотолиза О₂ над экваториальной областью заметно выше, потому что там самая высокая инсоляция, не зависящая от времени года. На экваторе атомарного кислорода больше, поэтому и скорость реакции (2) выше.

Количество озона, образующегося на полюсах, гораздо меньше, а во время полярной ночи скорость его образования вообще равна нулю. Вследствие этого происходит естественная диффузия О₃ от экватора к полюсам, поэтому в течение полярной ночи озон на полюсах накапливается.

Наиболее важное для нас в атмосфере – это погода. Температура воздуха, дождь и ветер оказывают прямое воздействие на то, как мы организуем нашу жизнь, определяют наши потребности в одежде и отоплении. Погода является следствием движений воздушных масс, испарения воды и других процессов в атмосфере, которые определяются вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца.Ветер – это физическое перемещение воздуха, обладающего массой и инерцией. Существуют силы, вызывающие ветер и определяющие его направление и скорость.

Рис. 3.10. Общая модель циркуляции атмосферы:
три меридиональные ячейки

 

Преобладающие в той или иной географической точке ветра являются следствием крупномасштабной циркуляции воздуха. Интенсивный нагрев поверхности Земли вблизи экватора приводит к тому, что воздух начинает подниматься, а на его место приходит более холодный воздух из северных широт. Поднимающийся экваториальный воздух остывает, смещается в направлении полюсов и начинает снижаться. Оседающая масса воздуха расползается в обоих направлениях: к экватору и к полюсу. В результате образуются три меридиональные ячейки циркуляции атмосферы: тропическая, полярная и среднеширотная (рис. 3.10).

 

 

Выше 500 м над поверхностью силами трения слоев друг от друга можно пренебречь. На этой высоте скорость ветра практически не меняется со временем. Вращение Земли приводит к тому, что все ветра дуют в восточном или западном направлении. В северном полушарии между экватором и субтропическим поясом высокого давления преобладают восточные ветры. Южнее полярной ячейки преобладают западные ветра, приносящие в Европу влажный и теплый воздух. К северу от приполярного пояса низкого давления преобладают холодные полярные восточные ветра. Скорость ветров пропорциональна градиенту давления и зависит от широты местоположения. Чем выше широта, тем сильнее ветер. Важно помнить, что исходным источником энергии ветров является Солнце.

Ветровая энергетика имеет давнюю историю. Хождение под парусом было известно ещё с библейских времен, а ветряные мельницы в средние века широко применялись для помола злаковых. В современном воплощении «ветряные мельницы» представляют собой ветряные турбины, которые все чаще используются в качестве источника энергии. В 1931 году в Крыму была построена первая ветровая электростанция (ВЭС) мощностью 100 кВт, которая по тем временам была самой крупной в мире. Сегодня в мире работают ветроустановки мощностью свыше 4 МВт.

 

Действия природы не бывают насильственными.
Природа требует умеренности, поступает по правилам и соразмерно.
Если её понуждают, она истощается, теряя при этом свою продуктивность и творческую мощь.

Шарль Монтескье