Газовый состав атмосферы

Газ Объёмная концентрация (%)	Газ Объёмная концентрация (%)
Азот…………………..78.084	Кислород.…………….20.947
Аргон………………….0.934	Углекислый газ……….0.0314
Неон…………………...0.001818	Гелий…………………..0.000524
Метан…………………..0.0002	Криптон………………..0.000114
Водород………………...0.00005	Закись азота…………….0.00005
Двуокись серы………….от 0 до 0.0001	Озон……………………..от 0 до 0.000008
Двуокись азота………….от 0 до 0.000002	Аммиак…………………..следы
Оксид углерода………….следы	Йод……………………….следы

Масса атмосферы = 5,15*10¹⁵ т

Структура атмосферы

Структура атмосферы обеспечивает возможность существования жизни на Земле. Составляет около 800 км в толщину. С удалением от поверхности её состав, плотность, давление, температура изменяются. Атмосфера Земли включает в себя следующие слои:

- тропосфера – нижний, самый тонкий и самый плотный слой, в нём содержится 80 % всей массы атмосферы. Здесь формируется климат Земли. Граница тропосферы проходит на высоте 10 – 12 км над поверхностью планеты (самолёты, как правило летают на высоте 9-10 км). Тропосфера является и самым тёплым слоем, поскольку солнечные лучи, отражаясь от поверхности Земли, нагревают воздух. По мере удаления от земной поверхности температура падает до –55 градусов в верхней части тропосферы (т.н. тропопауза).

- стратосфера – содержит важный для жизни озоновый слой, который сосредоточен на высоте 20-30 км. Граница стратосферы проходит на высоте около 50 км над поверхностью планеты. Здесь температура выше, чем в верхней части тропосферы, поскольку озоновый слой задерживает значительную часть ультрафиолетовых лучей.

- мезосфера - находится над стратосферой. Граница находится в пределах 50-95 км от поверхности Земли. В пределах верхней границы мезосферы имеется мезопауза – около –90 градусов. Это самая холодная область во всей атмосфере. Здесь образуются облака изо льда, которые можно наблюдать только поздно вечером, когда заходящее солнце подсвечивает их снизу.

Мезосфера является преградой на пути метеоритов, которые под влиянием земного притяжения входят в атмосферу Земли. Скорость их движения достигает до 64 км/ч. В основном, по своим размерам они не превышают горошину. В мезосфере, несмотря на то, что воздух очень разрежен, метеориты сгорают в результате трения о воздух на высоте 60-70 км.

- термосфера – последний основной слой атмосферы, отделяющий Землю от космоса. Он начинается приблизительно на высоте 100 км и распространяется до высоты 500-800 км. В нём содержится лишь 0,001% всей массы атмосферы. Здесь температура повышается и на высоте 480 км может достигать 1200 градусов по Цельсию. Термосфера состоит из ионосферы, магнитосферы и экзосферы.

В ионосфере (170-330 км от поверхности Земли) солнечная радиация вызывает «ионизацию». Здесь частицы получают электрический заряд. Когда они проносятся через атмосферу можно наблюдать находящееся на большой высоте полярное сияние. Ионосфера отражает радиоволны, обеспечивая возможность дальней радиосвязи.

Магнитосфера (340-480 км от поверхности Земли) представляет собой наружный край магнитного поля Земли. Магнитосфера действует как гигантский магнит и защищает Землю, улавливая частицы большой энергии.

Экзосфера – самый верхний слой атмосферы (от 480 и до 700-800 км). Молекулы в этом слое настолько далеко находятся друг от друга, что в конечном итоге атмосфера постепенно исчезает и сливается с космическим пространством.

3.Роль атмосферы в функционировании биосферы. Свойства атмосферы и возможности по самоочищению.

Атмосфера спасает всё живое на Земле, как от «звёздных осколков», так и от губительных ультрафиолетовых, рентгеновских, космических лучей.

Наличие воздушной оболочки придаёт нашему небу голубой цвет, т.к. молекулы основных элементов воздуха и различные примеси рассеивают, главным образом, лучи с короткой длиной волны, т.е. фиолетовые, синие и голубые. По мере удаления от поверхности Земли и уменьшения плотности атмосферы цвет неба темнеет, сначала становится густо-синим, а в стратосфере приобретает тёмно-синюю окраску.

Одной из особенностей атмосферы является её способность к самоочищению. Этот процесс происходит вследствие сухого и мокрого выпадения примесей, поглощения их земной поверхностью растениями, переработки бактериями, микроорганизмами и другими путями. Зелёные насаждения способствуют очищению воздуха от пыли, оксида углерода, диоксида серы и т.д. Одно взрослое дерево липы может в течение суток аккумулировать десятки килограммов диоксида серы, превращая его в безопасное вещество. Однако возможности природы ограничены.

Во всём мире проходят компании с целью убедить правительства сократить вырубку лесов. Уничтожение млн. кв. км леса означает уменьшение поступления кислорода в атмосферу и скопление большого количества углекислого газа, создающего эффект тепловой ловушки.

Атмосфера способна обеспечивать равновесие между продуцированием кислорода, потреблением углекислого газа зелёными растениями. Это позволяет сохранять замкнутый цикл, от которого зависит жизнедеятельность всех животных и растений планеты в течение сотен тысяч лет.

Однако теперь этому равновесию угрожают последствия производственной деятельности человека.

В результате всемирной индустриализации за последние 200 лет стали нарушаться пропорции в газовом составе атмосферы. Это напрямую угрожает сбалансированности процессов, протекающих в биосфере.

4.Загрязнение атмосферы

Увеличение концентрации в атмосфере отдельных компонентов ведёт к её загрязнению.

Изменение газового состава

Загрязнение

Увеличение содержания аэрозолей

4.1 Изменение газового состава

В настоящее время наблюдается повышение концентрации таких составляющих атмосферного воздуха, которые могут оказывать особенно негативное влияние на живые организмы.

СО₂ – углекислый газ, не токсичен. За последние 100 лет содержание СО₂ в атмосфере выросло с 0, 027% до 0,03%. Ежегодный прирост составляет 0,0004% в год. Повышение концентрации углекислого газа связывают с глобальным изменением климата на Земле.

Углекислый газ относят к группе парниковых газов (сюда также включают метан (СН₄), оксиды азота). Эти газы образуются при сжигании различных ископаемых видов топлива, при проведении агротехнических мероприятий (например, при внесении азотных удобрений).

Парниковый эффект. Парниковые газы, всегда присутствующие в атмосфере, задерживают тепло солнечных лучей, отражённых от поверхности Земли. Если бы этот процесс прекратился, все воды планеты перешли бы в состояние льда, что привело бы к гибели все живые организмы. Однако, когда содержание «парниковых газов» увеличивается из-за антропогенного вмешательства, в атмосфере удерживается слишком большое количество тепла. Это приводит к потеплению климата во всём мире. За последнее столетие средняя температура на планете увеличилась на полградуса Цельсия. Прогнозируется дальнейшее потепление к середине нынешнего века на 1 - 4,5 градусов.

Сейчас в атмосфере увеличивается доля примесей, которые оказывают различное токсическое действие на человека.

СО – оксид углерода, токсичен. Без цвета и запаха. Образуется при работе энергоустановок, содержится в выбросах двигателей внутреннего сгорания. Контактируя с человеческим организмом, соединяется с гемоглобином в крови. Гемоглобин становится неспособным переносить кислород к тканям, т.е. воздействует на нервную сердечно-сосудистую систему – вызывает удушье. (Например, при воздействии в течение 2-3 часов на организм концентрации 200-220 мг/м³ наступает отравление СО). Ежегодные выбросы в атмосферу составляют не менее 1250 млн. т.

SО₂ - диоксид серы, токсичен. Бесцветный газ с острым запахом. Образуется в результате сжигания серосодержащего топлива или в результате переработки сернистых руд. Раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. При концентрации около 50 мг/м³ образует последовательно H₂SO₃ и H₂SO₄. При содержании в воздухе SO₂ от 0,23 мг/м³ происходит усыхание хвойных деревьев и при концентрации от 0,5 мг/м³ - лиственных. Ежегодные выбросы в атмосферу составляют около 170 млн. т. в год.

NO_X (NO, N₂O₅, NO₂, N₂O₃) – оксиды азота. Без цвета и запаха. Очень ядовиты. При наличии в воздухе оксидов азота токсичность СО возрастает. Источники – предприятия, производящие азотную кислоту, азотные удобрения, целлулоид. В атмосферу поступает ежегодно до 20 млн. т. оксидов азота.

Углеводороды – пары бензина, пентан, гексан и т.д. Обладают наркотическим действием. К канцерогенным веществам относят бенз(а)пирен С₂₀Н₁₂, который образуется в процессах пиролиза угля углеводородных топлив (при температуре более 600 градусов по Цельсию)

Необходимо отметить повышенное содержание следующих примесей, которые имеют антропогенное происхождение: сероводород и сероуглерод, соединения фтора, соединения хлора и т.д.

Кислотныедожди. Содержат растворы серной и азотной кислот. Образуются в результате реакции оксидов серы и оксидов азота с водяными парами атмосферы. Это превращает выпадающие дожди в слабые растворы кислот.

Кислотные дожди убивают памятники архитектуры. Твёрдый мрамор (CаО и СО₂)реагирует с раствором серной кислоты и превращается в гипс (СаSО₄). Исторические памятники Греции, Рима, простояв тысячелетия, разрушаются на глазах.

В местах выпадения кислотных дождей погибают растения, животные. Известны случаи, когда кислотные дожди уничтожали целые леса. Кислотные дожди вливаются в водоёмы, реки, убивая даже мельчайшие формы жизни.

4.2 Повышение плотности аэрозоля

Аэрозоли – взвешенные частицы, присутствующие в атмосфере. Повышение концентрации аэрозоля может иметь естественный характер. Естественное загрязнение атмосферы происходит при извержении вулканов, при лесных, торфяных пожарах, выветривании пород. Происходит выпадение космической пыли - около 5 млн. т в год.

Производственные процессы, являющиеся причиной антропогенного запыления атмосферы, оказывают большое влияние на климат Земли.

Взвешенные вещества сажи, дыма, интенсивно поглощают солнечный свет, увеличивают количество ядер конденсации и тем самым облачность атмосферы. Количество солнечных дней снижается до 25 – 50%. Размер аэрозолей колеблется в пределах 11 – 51 мкм, период нахождения во взвешенном состоянии мельчайших аэрозолей составляет от нескольких дней до нескольких лет. Пример: Источником атмосферного аэрозоля является сажа, зола, которая образуется при неполном сгорании топлива. Сажа – высокодисперсный нетоксичный порошок, на 95% состоящий из углерода. Обладает большой абсорбционной способностью по отношению к тяжёлым углеводородам. Это делает сажу очень опасной для человека.

5. Озоновый экран Земли

Озоновый экран, расположенный в стратосфере, защищает нас путём поглощения большей части (2/3) солнечных ультрафиолетовых лучей.

Внутри озонового слоя происходит непрерывный переход из одной формы кислорода в другую. Молекулы О₂ расщепляются на отдельные атомы кислорода (О). Эти атомы соединяются с молекулами кислорода, образуя озон О₃. Озон снова распадается на кислород и О₂ и отдельные атомы. Необходимую энергию даёт солнечное излучение. Поглощая эту энергию в основном в ультрафиолетовой части спектра, озоновый слой не даёт ультрафиолетовому излучению достигать Земли.

6.1 Разрушение озонового слоя

Впервые в 1985 г. исследователи Антарктиды обнаружили озоновую дыру над частью южного полушария. Сейчас озоновые дыры обнаружили и над северным полушарием.

Выяснилось, что разрушение озона в основном вызвано присутствием химических соединений - искусственно синтезированных хлорфторуглеродов (ХФУ). Которые сравнительно недавно получили широкое распространение. Они нашли применение в бытовой химии, использовались в холодильных установках при производстве пенопласта и т.д.

Для человека эти соединения не опасны. Однако, предполагается, что, поднимаясь вверх в атмосфере, эти газы достигают озонового слоя и разрушают его. ХФУ попадают в верхние слои атмосферы в качестве примесей. Под действием солнечного света их молекулы распадаются с высвобождением атомов хлора. Хлор «отбирает» один атом кислорода у озона, превращая его в обычный кислород. Один атом хлора может проделать это со множеством (до 100000) молекул озона.

Международное сообщество принимает некоторые меры по защите озонового слоя.

1987г. – правительства 56 стран обязались сократить производство ХФУ.

1996г. – промышленно развитые страны полностью прекратили производство фреона, галлонов и тетрахлорида углерода.

2010г. - к этому времени производство ХФУ обязаны прекратить развивающиеся страны.

Международный экологический фонд предоставил Москве, Киеву безвозмездную помощь для поэтапного сокращения потребления ОРВ. Деньги направлены предприятиям, производящим аэрозоли, холодильную технику для перехода к использованию углеродного аэрозольного пропелента (УАП).

Межведомственные комиссии по охране озонового слоя созданы на правительственном уровне.

6. Определение степени загрязнённости атмосферы

В большинстве стран критерием качества воздушного бассейна является предельно допустимая концентрация (ПДК) загрязняющего вещества для атмосферного воздуха, определяемая количеством вещества, находящегося в 1 м³ воздуха, которое не оказывает вредного влияния на здоровье людей, постоянно его вдыхающих.

Опасность загрязнения атмосферы определяют следующим образом:

j = c_i / ПДК_i,

где с_i – физическая концентрация загрязняющего вещества в приземном слое атмосферы (пространство до 2-х м над поверхностью земли), замеренная или рассчитанная в мг/м, ПДК – максимально разовая предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества в мг/м.

Если значение j 1, то опасности загрязнения нет, если же j больше 1, то опасность загрязнения существует.

Например, для сернистого газа (SO₂) ПДК в атмосфере населённых пунктов – 0,5 мг/м³; диоксида азота (NO₂) – 0,085 мг/м³

При совместном присутствии в атмосфере нескольких веществ, обладающих эффектом суммации (т.е. взаимно усиливающих воздействие на организм человека), опасность загрязнения определяется из выражения:

j = c₁/ ПДК₁ + c₂ / ПДК₂ … +… c_i / ПДК_i,

где с₁,с₂,…, с₃ – фактические концентрации веществ, в мг/м; ПДК₁, ПДК₂, …., ПДК₃ – максимально разовые предельно допустимые концентрации для этих веществ в мг/ м³

Это выражение используется при установлении качества воздуха, если в нём одновременно присутствуют такие вещества, как, например, фенол и ацетон, сернистый газ и диоксид азота, этилен, пропилен, бутилен.

Непревышение ПДК должно обеспечиваться за счёт ограничения интенсивности выбросов загрязняющих веществ. Важным фактором, влияющим на концентрацию загрязняющих веществ в атмосфере, является её способность к рассеиванию и самоочищению. Этот процесс происходит вследствие сухого и мокрого выпадения примесей, поглощению их земной поверхностью, переработки бактериями, микроорганизмами и другими путями.

7. Способы и методы очистки выбросов в атмосферу от вредных веществ

Строительство очистных сооружений - важная мера по предотвращению загрязнённости атмосферы.

Способы очистки выбросов в атмосферу можно объединить в следующие группы:

-очистка от выбросов пыли и аэрозолей вредных веществ;

-очистка выбросов от вредных газообразных веществ;

-снижение загрязнённости атмосферы выхлопными газами от ДВС транспортных средств и стационарных установок;

Для очистки выбросов от вредных веществ используются механические, физические, химические и комбинированные методы.

Механические методы базируются на использовании сил гравитации, инерции, центробежных сил и т.д.

Физические методы базируются на использовании электрических и электростатических полей, охлаждении, конденсации и т.д.

В химических методах используются реакции окисления, нейтрализации и т.д.

В физико-химических методах используются принципы сорбции (абсорбции, хемосорбции, адсорбции), коагуляции и флотации.

Рассмотрим некоторые из физико-химических методов:

Метод абсорбции:

-этот метод заключается в разделении газовоздушной смеси на составные части путём поглощения одного или нескольких компонентов этой смеси абсорбентом (поглотителем) с образованием раствора. В качестве абсорбента используется жидкость, способная поглощать вредные примеси. При соприкосновении жидких и газообразных веществ на поверхности обеих фаз образуется жидкостная и газовая плёнки.

Растворимый в жидкости компонент газовоздушной смеси проникает путём диффузии сначала через газовую плёнку, потом через жидкостную и поступает в верхние слои абсорбента. Например, для удаления из выбросов ароматических углеводородов, водяных паров используется серная кислота.

Метод хемосорбции:

Основан на поглощении газов и паров твёрдыми или жидкими поглотителями с образованием химических соединений.

Метод адсорбции:

Основан на свойствах некоторых твёрдых тел с ультрамикроскопической структурой селективно (избирательно) извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты из газовой смеси. Наиболее часто в качестве адсорбента используется активированный уголь, активированный глинозём, активированный оксид AL и прочие комплексные оксиды.

Каталитический метод:

Этим методом превращают токсичные компоненты промышленных выбросов в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды путём введения в систему дополнительных веществ, называемых катализаторами. Каталитические методы основаны на взаимодействии удаляемых веществ со специально добавляемым в смесь веществом на твёрдых катализаторах.