Атмосфера Земли представляет собой смесь различных газов. Она простирается от поверхности Земли на высоту до 900 км, защищая планету от вредного спектра солнечного излучения, и содержит газы, необходимые для всего живого на планете. Атмосфера задерживает солнечное тепло, нагревая воздух около земной поверхности и создавая благоприятный климат.
Состав атмосферы
Атмосфера Земли состоит в основном из двух газов — азота (78%) и кислорода (21%). Кроме того, она содержит примеси углекислого и других газов. Вода в атмосфере существует в виде пара, капель влаги в облаках и кристалликов льда.
Слои атмосферы
Атмосфера состоит из многих слоев, между которыми нет четких границ. Температуры разных слоев заметно отличаются друг от друга.
Безвоздушная магнитосфера. Здесь летает большинство спутников Земли за пределами земной атмосферы. Экзосфера (450-500 км от поверхности). Почти не содержит газов. Некоторые спутники погоды совершают полеты в экзосфере. Термосфера (80-450 км) характеризуется высокими температурами, достигающими в верхнем слое 1700°С. Мезосфера (50—80 км). В этой сфере температура падает по мере увеличения высоты. Именно здесь сгорает большинство метеоритов (осколков космических пород), попадающих в атмосферу. Стратосфера (15—50 км). Содержит озоновый спой, т. е. слой озона, поглощающего ультрафиолетовое излучение Солнца. Это приводит к повышению температуры около поверхности Земли. Здесь обычно летают реактивные самолеты, так как видимость в этом слое очень хорошая и почти нет помех, вызванных погодными условиями. Тропосфера. Высота варьируется от 8 до 15 км от земной поверхности. Именно здесь формируется погода планеты, так как в этом слое содержится больше всего водяных паров, пыли и возникают ветры. Температура понижается по мере удаления от земной поверхности.
Атмосферное давление
Хотя мы и не ощущаем этого, слои атмосферы оказывают давление на поверхность Земли. Наиболее высокое атмосферное давление около поверхности, а при удалении от неё оно постепенно снижается. Оно зависит от перепада температур суши и океана, и поэтому в районах, находящихся на одинаковой высоте над уровнем моря нередко бывает разное давление. Низкое давление приносит сырую погоду, а при высоком обычно устанавливаете ясная погода.
Движение воздушных масс в атмосфере
Изменения температуры и давления заставляют воздушные массы в нижних слоях атмосферы перемешаться. Так возникают ветры, дующие из областей высокого давления в области низкого. Во многих регионах возникают и местные ветры, вызванные перепадами температур суши и моря. Горы также оказывают существенное влияние на направление ветров.
Парниковый эффект
Углекислый газ и другие газы, входящие в состав земной атмосферы, задерживают солнечное тепло. Этот процесс принято называть парниковым эффектом, так как он во многом напоминает циркуляцию тепла в парниках. Парниковый эффект влечет за собой глобальное потепление на планете. В областях высокого давления — антициклонах — устанавливается ясная солнечная погода. В областях низкого давления — циклонах — обычно стоит неустойчивая погода. Тепло и световая энергия, поступающие в атмосферу. Газы задерживают тепло, отражающееся от земной поверхности, вызывая тем самым повышение температуры на Земле.
Озон в атмосфере
В стратосфере существует особый озоновый слой. Озон задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, защищая от него Землю и все живое на ней. Ученые установили, что причиной разрушения озонового слоя являются особые хлорофторуглекислые газы, содержащиеся в некоторых аэрозолях и холодильном оборудовании. 
Над Арктикой и Антарктидой в озоновом слое были обнаружены огромные дыры, способствующие увеличению количества ультрафиолетового излучения, воздействующего на поверхность Земли.
Озон образуется в нижних слоях атмосферы в результате химической реакции между солнечным излучением и различными выхлопными дымами и газами. Обычно он рассеивается по атмосфере, но, если под слоем теплого воздуха образуется замкнутый слой холодного, озон концентрируется и возникает смог. К сожалению, это не может восполнять потери озона в озоновых дырах.
На фотоснимке со спутника хорошо видна дыра в озоновом слое над Антарктикой. Размеры дыры меняются, но ученые считают, что она постоянно увеличивается. Предпринимаются попытки снизить уровень выхлопных газов в атмосфере. Следует уменьшать загрязнение воздуха и применять в городах бездымные виды топлива. Смог вызывает раздражение глаз и удушье у многих людей.
Возникновение и эволюция атмосферы Земли
Современная атмосфера Земли представляет собой результат длительного эволюционного развития. Она возникла в результате совместных действий геологических факторов и жизнедеятельности организмов. В течение всей геологической истории земная атмосфера пережила несколько глубоких перестроек. На основе геологических данных и теоретических (предпосылок первозданная атмосфера молодой Земли, существовавшая около 4 млрд. лет тому назад, могла состоять из смеси инертных и благородных газов с небольшим добавлением пассивного азота (Н. А. Ясаманов, 1985; А. С. Монин, 1987; О. Г. Сорохтин, С. А. Ушаков, 1991, 1993). В настоящее время взгляд на состав и строение ранней атмосферы несколько видоизменился. Первичная атмосфера (протоатмосфера) на самой ранней протопланетной стадии., т.е. старше чем 4,2 млрд. лет, могла состоять из смеси метана, аммиака и углекислого газа. В результате дегазации мантии и протекающих на земной поверхности активных процессов выветривания в атмосферу стали поступать пары воды, соединения углерода в виде СO2 и СО, серы и ее соединений, а также сильных галогенных кислот — НСI, НF, НI и борной кислоты, которые дополнялись находившимися в атмосфере метаном, аммиаком, водородом, аргоном и некоторыми другими благородными газами. Эта первичная атмосфера была чрезвычайно тонкой. Поэтому температура у земной поверхности была близкой к температуре лучистого равновесия (А. С. Монин, 1977).
С течением времени газовый состав первичной атмосферы под влиянием процессов выветривания горных пород, выступавших на земной поверхности, жизнедеятельности цианобактерий и сине-зеленых водорослей, вулканических процессов и действия солнечных лучей стал трансформироваться. Привело это к разложению метана на водород и углекислоту, аммиака — на азот и водород; во вторичной атмосфере стали накапливаться углекислый газ, который медленно опускался к земной поверхности, и азот. Благодаря жизнедеятельности сине-зеленых водорослей в процессе фотосинтеза стал вырабатываться кислород, который, однако, в начале в основном расходовался на «окисление атмосферных газов, а затем и горных пород. При этом аммиак, окислившийся до молекулярного азота, стал интенсивно накапливаться в атмосфере. Как предполагается, значительная чаешь азота современной атмосферы является реликтовой. Метан и оксид углерода окислялись до углекислоты. Сера и сероводород окислялись до SO2 и SO3, которые вследствие своей высокой подвижности и легкости быстро удалились из атмосферы. Таким образом, атмосфера из восстановительной, какой она была в архее и раннем протерозое, постепенно превращалась в окислительную.
Углекислый газ поступал в атмосферу как вследствие окисления метана, так и в результате дегазации мантии и выветривания горных пород. В том случае, если бы весь углекислый газ, выделившийся за всю историю Земли, сохранился в атмосфере, его парциальное давление в настоящее время могло стать таким же, как на Венере (О. Сорохтин, С. А. Ушаков, 1991). Но на Земле действовал обратный процесс. Значительная часть углекислого газа из атмосферы растворялась в гидросфере, в которой он использовался гидробионтами для построения своей раковины и биогенным путем превращался в карбонаты. В дальнейшем из них были сформированы мощнейшие толщи хемогенных и органогенных карбонатов.
Кислород в атмосферу поступал из трех источников. В течение длительного времени, начиная с момента возникновения Земли, он выделялся в процессе дегазации мантии и в основном расходовался на окислительные процессы, Другим источником кислорода была фотодиссоциация паров воды жестким ультрафиолетовым солнечным излучением. Появлений; свободного кислорода в атмосфере привело к гибели большинства прокариот, которые обитали в восстановительных условиях. Прокариотные организмы сменили места своего обитания. Они ушли с поверхности Земли в ее глубины и области, где еще сохранялись восстановительные условия. Им на смену пришли эукариоты, которые стали энергично перерабатывать углекислоту в кислород.
В течение архея и значительной части протерозоя практически весь кислород, возникающий как: абиогенным, так и биогенным путем, в основном расходовался на окисление железа и серы. Уже к концу протерозоя все металлическое двухвалентное железо, находившееся на земной поверхностей или окислилось, или переместилось в земное ядро. Это привело к тому, что парциальное давление кислорода в раннепротерозойской атмосфере изменилось.
В середине протерозоя концентрация кислорода в атмосфере достигала точки Юри и составляла 0,01% современного уровня. Начиная с этого времени кислород стал накапливаться в атмосфере и, вероятно, уже в конце рифея его содержание достигло точки Пастера (0,1% современного уровня). Возможно, в вендском периоде возник озоновый слой и Ь этого времени уже никогда не исчезал.
Появление свободного кислорода в земной атмосфере стимулировало эволюцию жизни и привело к возникновению новых форм с более совершенным метаболизмом. Если ранее эукариотные одноклеточные водоросли и цианеи, появившиеся в начале протерозоя, требовали содержания кислорода в воде всего 10-3 его современной концентрации, то с возникновением бесскелетных Metazoa в конце раннего венда, т. е. около 650 млн. лет тому назад, концентрация кислорода в атмосфере должна была бы быть значительно выше. Ведь Metazoa использовали кислородное дыхание и для этого требовалось, чтобы парциальное давление кислорода достигло критического уровня — точки Пастера. В этом случае анаэробный процесс брожения сменился энергетически более перспективным и прогрессивным кислородным метаболизмом.
После этого дальнейшее накопление кислорода в земной атмосфере происходило довольно быстро. Прогрессивное увеличение объема сине-зеленых водорослей способствовало достижению в атмосфере необходимого для жизнеобеспечения животного мира уровня кислорода. Определенная стабилизация содержания кислорода в атмосфере произошла с того момента, когда растения вышли на сушу, — примерно 450 млн. лет назад. Выход растений на сушу, происшедший в силурийском периоде, привел к окончательной стабилизации уровня кислорода в атмосфере. Начиная с этого времени его концентрация стала колебаться в довольно узких пределах, никогда не всходивших за рамки существования жизни. Полностью концентрация кислорода в атмосфере стабилизировалась со времени появления цветковых растений. Это событие произошло в середине мелового периода, т.е. около 100 млн. лет тому назад.
Основная масса азота сформировалась на ранних стадиях развития Земли, главным образом за счет разложения аммиака. С появлением организмов начался процесс связывания атмосферного азота в органическое вещество и захоронения его в морских осадках. После выхода организмов на сушу азот стал захоронятся и в континентальных осадках. Особенно усилились процессы переработки свободного азота с появлением наземных растений.
На рубеже криптозоя и фанерозоя, т. е. около 650 млн. лет тому назад, содержание углекислого газа в атмосфере снизилось до десятых долей процентов, а содержания, близкого к современному уровню, он достиг лишь совсем недавно, примерно 10—20 млн. лет тому назад.
Таким образом, газовый состав атмосферы не только предоставлял организмам жизненное пространство, но и определял особенности их жизнедеятельности, способствовал расселению и эволюции. Возникающие сбои в распределении благоприятного для организмов газового состава атмосферы как из-за космических, так и планетарных причин приводили к массовым вымираниям органического мира, которые неоднократно происходили в течение криптозоя и на определенных рубежах фанерозойской истории.
Этносферные функции атмосферы
Атмосфера Земли обеспечивает живые организмы необходимым веществом, энергией и определяет направленность и скорость метаболических процессов. Газовый состав современной атмосферы является оптимальным для существования и развития жизни. Будучи областью формирования погоды и климата, атмосфера должна создавать комфортные условия для жизнедеятельности людей, животных и растительности. Отклонения в ту или другую сторону в качестве атмосферного воздуха и погодных условиях создают экстремальные условия для жизнедеятельности животного и растительного мира, в том числе и для человека.
Атмосфера Земли не только обеспечивает условия существования человечества, являясь основным фактором эволюции этносферы. Она в то же время оказывается энергетическим и сырьевым ресурсом производства. В целом атмосфера — это фактор, сохраняющий здоровье человека, а некоторые области в силу физико-географических условий и качества атмосферного воздуха служат рекреационными территориями и являются областями, предназначенными для санаторно-курортного лечения и отдыха людей. Таким образом, атмосфера является фактором эстетического и эмоционального воздействия.
Этносферные и техносферные функции атмосферы, определенные совсем недавно (Е. Д. Никитин, Н. А. Ясаманов, 2001), нуждаются в самостоятельном и углубленном исследовании. Так, весьма актуальным является изучение энергетических атмосферных функций как с точки зрения возникновения и действия процессов, наносящих ущерб окружающей среде, так и с точки зрения воздействия на здоровье и благосостояние людей. В данном случае речь идет об энергии циклонов и антициклонов, атмосферных вихрей, атмосферном давлении и других экстремальных атмосферных явлениях, эффективное использование которых будет способствовать успешному решению проблемы получения не загрязняющих окружающую среду альтернативных источников энергии. Ведь воздушная среда, особенно та ее часть, которая располагается над Мировым океаном, является областью выделения колоссального объема свободной энергии.
Например, установлено, что тропические циклоны средней силы только за сутки выделяют энергию, эквивалентную энергии 500 тыс. атомных бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки. За 10 дней существования такого циклона высвобождается энергия, достаточная для удовлетворения всех энергетических потребностей такой страны, как США, в течение 600 лет.
В последние годы было опубликовано большое количество работ ученых естественнонаучного профиля, в той или иной мере касающихся разных сторон деятельности и влияния атмосферы на земные процессы, что свидетельствует об активизации междисциплинарных взаимодействий в современном естествознании. При этом проявляется интегрирующая роль определенных его направлений, среди которых надо отметить функционально-экологическое направление в геоэкологии.
Данное направление стимулирует анализ и теоретическое обобщение информации по экологическим функциям и планетарной роли различных геосфер, а это, в свою очередь, является важной предпосылкой для разработки методологии и научных основ целостного изучения нашей планеты, рационального использования и охраны ее природных ресурсов.
Атмосфера Земли состоит из нескольких слоев: тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы, ионосферы и экзосферы. В верхней части тропосферы и нижней части стратосферы располагается слой, обогащенный озоном, именуемый озоновым экраном. Установлены определенные (суточные, сезонные, годовые и т. д.) закономерности в распределении озона. Со времени своего возникновения атмосфера влияет на течение планетарных процессов. Первичный состав атмосферы был совершенно иным, чем в настоящее время, но с течением времени неуклонно росли доля и роль молекулярного азота, около 650 млн. лет назад появился свободный кислород, количество которого непрерывно повышалось, но соответственно снижалась концентрация углекислого газа. Высокая подвижность атмосферы, ее газовый состав и наличие аэрозолей обусловливают ее выдающуюся роль и активное участие в разнообразных геологических и биосферных процессах. Велика роль атмосферы в перераспределении солнечной энергии и развитии катастрофических стихийных явлений и бедствий. Негативное воздействие на органический мир и природные системы оказывают атмосферные вихри — смерчи (торнадо), ураганы, тайфуны, циклоны и другие явления. Основными источниками загрязнений наряду с природными факторами выступают различные формы хозяйственной деятельности человека. Антропогенные воздействия на атмосферу выражаются не только в появлении различных аэрозолей и парниковых газов, но ив увеличении количества водяных паров, и проявляются в виде смогов и кислотных дождей. Парниковые газы меняют температурный режим земной поверхности, выбросы некоторых газов уменьшают объем озонового экрана и способствуют возникновению озоновых дыр. Велика этносферная роль атмосферы Земли.
Роль атмосферы в природных процессах
Приземная атмосфера в силу своего промежуточного состояния между литосферой и космическим пространством и своего газового состава создает условия для жизнедеятельности организмов. Вместе с тем от количества, характера и периодичности атмосферных осадков, от частот и силы ветров и особенно от температуры воздуха зависят выветривание и интенсивность разрушения горных пород, перенос и аккумуляция обломочного материала. Атмосфера выступает центральным компонентом климатической системы. Температура и влажность воздуха, облачность и осадки, ветер — все это характеризует погоду, т. е. непрерывно меняющееся состояние атмосферы. Одновременно эти же компоненты характеризуют и климат, т. е. усредненный многолетний режим погоды.
Состав газов, наличие облачности и различных примесей, которые называются аэрозольными частицами (пепел, пыль, частички водяного пара), определяют особенности прохождения солнечной радиации сквозь атмосферу и препятствуют уходу теплового излучения Земли в космическое пространство.
Атмосфера Земли очень подвижна. Возникающие в ней процессы и изменения ее газового состава, толщины, облачности, прозрачности и наличие в ней тех или иных аэрозольных частиц воздействуют как на погоду, так и на климат.
Действие и направленность природных, процессов, а также жизнь и деятельность на Земле определяются солнечной радиацией. Она дает 99,98% теплоты, поступающей на земную поверхность. Ежегодно это составляет 134*1019 ккал. Такое количество теплоты можно получить при сжигании 200 млрд. т. каменного угля. Запасов водорода, создающего этот поток термоядерной энергии в массе Солнца, хватит, по крайней мере, еще на 10 млрд. лет, т. е. на период в два раза больший, чем существуют само Солнце и наша планета.
Около 1/3 общего количества солнечной энергии, поступающей на верхнюю границу атмосферы, отражается обратно в мировое пространство, 13% поглощается озоновым слоем (в том числе почти вся ультрафиолетовая радиация),. 7% — остальной атмосферой и лишь 44% достигает земной поверхности. Суммарная солнечная радиация, достигающая Земли за сутки, равна энергии, которую человечество получило в результате сжигания всех видов топлива за последнее тысячелетие.
Количество и характер распределения солнечной радиации на земной поверхности находятся в тесной зависимости от облачности и прозрачности атмосферы. На величину рассеянной радиации влияют высота Солнца над горизонтом, прозрачность атмосферы, содержание в ней водяных паров, пыли, общее количество углекислоты и т. д.
Максимальное количество рассеянной радиации попадает в полярные районы. Чем ниже Солнце над горизонтом, тем меньше теплоты поступает на данный участок местности.
Большое значение имеют прозрачность атмосферы и облачность. В пасмурный летний день обычно холоднее, чем в ясный, так как дневная облачность препятствует нагреванию земной поверхности.
Большую роль в распределении теплоты играет запыленность атмосферы. Находящиеся в ней тонкодисперсные твердые частицы пыли и пепла, влияющие на ее прозрачность, отрицательно сказываются на распределении солнечной радиации, большая часть которой отражается. Тонкодисперсные частицы попадают в атмосферу двумя путями: это или пепел, выбрасываемый во время вулканических извержений, или пыль пустынь, переносимая ветрами из аридных тропических и субтропических областей. Особенно много такой пыли образуется в период засух, когда потоками теплого воздуха она выносится в верхние слои атмосферы и способна находиться там продолжительное время. После извержения вулкана Кракатау в 1883 г. пыль, выброшенная на десятки километров в атмосферу, находилась в стратосфере около 3 лет. В результате извержения в 1985 г. вулкана Эль-Чичон (Мексика) пыль достигла Европы, и поэтому произошло некоторое понижение приземных температур.
Атмосфера Земли содержит переменное количество водяного пара. В абсолютном исчислении по массе или объему его количество составляет от 2 до 5%.
Водяной пар, как и углекислота, усиливает парниковый эффект. В возникающих в атмосфере облаках и туманах протекают своеобразные физико-химические процессы.
Первоисточником водяного пара в атмосферу является поверхность Мирового океана. С него ежегодно испаряется слой воды толщиной от 95 до 110 см. Часть влаги возвращается в океан после конденсации, а другая воздушными потоками направляется в сторону материков. В областях переменно-влажного климата осадки увлажняют почву, а во влажных создают запасы грунтовых вод. Таким образом, атмосфера является аккумулятором влажности и резервуаром осадков. Облака и туманы, формирующиеся в атмосфере, обеспечивают влагой почвенный покров и тем самым играют определяющую роль в развитии животного и растительного мира.
Атмосферная влага распределяется по земной поверхности благодаря подвижности атмосферы. Ей присуща весьма сложная система ветров и распределения давления. В связи с тем что атмосфера находится в непрерывном движении, характер и масштабы распределения ветровых потоков и давления все время меняются. Масштабы циркуляции изменяются от микрометеорологических, размером всего в несколько сотен метров, до глобального — в несколько десятков тысяч километров. Огромные атмосферные вихри участвуют в создании систем крупномасштабных воздушных течений и определяют общую циркуляцию атмосферы. Кроме того, они являются источниками катастрофических атмосферных явлений.
От атмосферного давления зависит распределение погодных и климатических условий и функционирование живого вещества. В том случае, если атмосферное давление колеблется в небольших пределах, оно не играет решающей роли в самочувствии людей и поведении животных и не отражается на физиологических функциях растений. С изменением давления, как правило, связаны фронтальные явления и изменения погоды.
Фундаментальное значение имеет атмосферное давление для формирования ветра, который, являясь рельефообразующим фактором, сильнейшим образом воздействует на животный и растительный мир.
Ветер способен подавить рост растений и в то же время способствует переносу семян. Велика роль ветра в формировании погодных и климатических условий. Выступает он и в качестве регулятора морских течений. Ветер как один из экзогенных факторов способствует эрозии и дефляции выветрелого материала на большие расстояния.
Эколого-геологическая роль атмосферных процессов
Уменьшение прозрачности атмосферы за счет появления в ней аэрозольных частиц и твердой пыли влияет на распределение солнечной радиации, увеличивая альбедо или отражательную способность. К такому же результату приводят и разнообразные химические реакции, вызывающие разложение озона и генерацию «перламутровых» облаков, состоящих из водяного пара. Глобальное изменение отражательной способности, так же как изменения газового состава атмосферы, главным образом парниковых газов, являются причиной климатических изменений.
Неравномерное нагревание, вызывающее различия в атмосферном давлении над разными участками земной поверхности, приводит к атмосферной циркуляции, которая является отличительной чертой тропосферы. При возникновении разности в давлении воздух устремляется из областей повышенного давления в область пониженных давлений. Эти перемещения воздушных масс вместе с влажностью и температурой определяют основные эколого-геологические особенности атмосферных процессов.
В зависимости от скорости ветер производит на земной поверхности различную геологическую работу. При скорости 10 м/с он качает толстые ветви деревьев, поднимает и переносит пыль и мелкий песок; со скоростью 20 м/с ломает ветви деревьев, переносит песок и гравий; со скоростью 30 м/с (буря) срывает крыши домов, вырывает с корнем деревья, ломает столбы, передвигает гальку и переносит мелкий щебень, а ураганный ветер со скоростью 40 м/с разрушает дома, ломает и сносит столбы линий электропередач, вырывает с корнем крупные деревья.
Большое негативное экологическое воздействие с катастрофическими последствиями оказывают шквальные бури и смерчи (торнадо) — атмосферные вихри, возникающие в теплое время года на мощных атмосферных фронтах, имеющие скорость до 100 м/с. Шквалы — это горизонтальные вихри с ураганной скоростью ветра (до 60—80 м/с). Они часто сопровождаются мощными ливнями и грозами продолжительностью от нескольких минут до получаса. Шквалы охватывают территории шириной до 50 км и проходят расстояние в 200—250 км. Шквальная буря в Москве и Подмосковье в 1998 г. повредила крыши многих домов и повалила деревья.
Смерчи, называемые в Северной Америке торнадо, представляют собой мощные воронкообразные атмосферные вихри, часто связанные с грозовыми облаками. Это суживающиеся в середине столбы воздуха диаметром от нескольких десятков до сотен метров. Смерч имеет вид воронки, очень похожей на хобот слона, спускающейся с облаков или поднимающейся с поверхности земли. Обладая сильной разреженностью и высокой скоростью вращения, смерч проходит путь до нескольких сотен километров, втягивая в себя пыль, воду из водоемов и различные предметы. Мощные смерчи сопровождаются грозой, дождем и обладают большой разрушительной силой.
Смерчи редко возникают в приполярных или экваториальных областях, где постоянно холодно или жарко. Мало смерчей в открытом океане. Смерчи происходят в Европе, Японии, Австралии, США, а в России особенно часты в Центрально-Черноземном районе, в Московской, Ярославской, Нижегородской и Ивановской областях.
Смерчи поднимают и перемещают автомобили, дома, вагоны, мосты. Особенно разрушительные смерчи (торнадо) наблюдаются в США. Ежегодно отмечается от 450 до 1500 торнадо с числом жертв в среднем около 100 человек. Смерчи относятся к быстродействующим катастрофическим атмосферным процессам. Они формируются всего за 20—30 мин, а время их существования 30 мин. Поэтому предсказать время и место возникновения смерчей практически невозможно.
Другими разрушительными, но действующими продолжительное время атмосферными вихрями являются циклоны. Они образуются из-за перепада давления, которое в определенных условиях способствует возникновению кругового движения воздушных потоков. Атмосферные вихри зарождаются вокруг мощных восходящих потоков влажного теплого воздуха и с большой скоростью вращаются по часовой стрелке в южном полушарии и против часовой — в северном. Циклоны в отличие от смерчей зарождаются над океанами и производят свои разрушительные действия над материками. Основными разрушительными факторами являются сильные ветры, интенсивные осадки в виде снегопада, ливней, града и нагонные наводнения. Ветры со скоростями 19 — 30 м/с образуют бурю, 30 — 35 м/с — шторм, а более 35 м/с — ураган.
Тропические циклоны — ураганы и тайфуны — имеют среднюю ширину в несколько сот километров. Скорость ветра внутри циклона достигает ураганной силы. Длятся тропические циклоны от нескольких дней до нескольких недель, перемещаясь со скоростью от 50 до 200 км/ч. Циклоны средних широт имеют больший диаметр. Поперечные размеры их составляют от тысячи до нескольких тысяч километров, скорость ветра штормовая. Движутся в северном полушарии с запада и сопровождаются градом и снегопадом, имеющими катастрофический характер. По числу жертв и наносимому ущербу циклоны и связанные с ними ураганы и тайфуны являются самыми крупными после наводнений атмосферными стихийными явлениями. В густонаселенных районах Азии число жертв во время ураганов измеряется тысячами. В 1991 г. в Бангладеш во время урагана, который вызвал образование морских волн высотой 6 м, погибло 125 тыс. человек. Большой ущерб наносят тайфуны территории США. При этом гибнут десятки и сотни людей. В Западной Европе ураганы приносят меньший ущерб.
Катастрофическим атмосферным явлением считаются грозы. Они возникают при очень быстром поднятии теплого влажного воздуха. На границе тропического и субтропического поясов грозы происходят по 90—100 дней в году, в умеренном поясе по 10—30 дней. В нашей стране наибольшее количество гроз случается на Северном Кавказе.
Грозы обычно продолжаются менее часа. Особую опасность представляют интенсивные ливни, градобития, удары молнии, порывы ветра, вертикальные потоки воздуха. Опасность градобития определяется размерами градин. На Северном Кавказе масса градин однажды достигала 0,5 кг, а в Индии отмечены градины массой 7 кг. Наиболее градоопасные районы у нас в стране находятся на Северном Кавказе. В июле 1992 г. град повредил в аэропорту «Минеральные Воды» 18 самолетов.
К опасным атмосферным явлениям относятся молнии. Они убивают людей, скот, вызывают пожары, повреждают электросеть. От гроз и их последствий ежегодно в мире гибнет около 10 000 человек. Причем в некоторых районах Африки, во Франции и США число жертв от молний больше, чем от других стихийных явлений. Ежегодный экономический ущерб от гроз в США составляет не менее 700 млн. долларов.
Засухи характерны для пустынных, степных и лесостепных регионов. Недостаток атмосферных осадков вызывает иссушение почвы, понижение уровня подземных вод и в водоемах до полного их высыхания. Дефицит влаги приводит к гибели растительности и посевов. Особенно сильными бывают засухи в Африке, на Ближнем и Среднем Востоке, в Центральной Азии и на юге Северной Америки.
Засухи изменяют условия жизнедеятельности человека, оказывают неблагоприятное воздействие на природную среду через такие процессы, как осолонение почвы, суховеи, пыльные бури, эрозия почвы и лесные пожары. Особенно сильными пожары бывают во время засухи в таежных районах, тропических и субтропических лесах и саваннах.
Засухи относятся к кратковременным процессам, которые продолжаются в течение одного сезона. В том случае, когда засухи длятся более двух сезонов, возникает угроза голода и массовой смертности. Обычно действие засухи распространяется на территорию одной или нескольких стран. Особенно часто продолжительные засухи с трагическими последствиями возникают в Сахельской области Африки.
Большой ущерб приносят такие атмосферные явления, как снегопады, кратковременные ливневые дожди и продолжительные затяжные дожди. Снегопады вызывают массовые сходы лавин в горах, а быстрое таяние выпавшего снега и ливневые продолжительные дожди приводят к наводнениям. Огромная масса воды, падающая на земную поверхность, особенно в безлесных районах, вызывает сильную эрозию почвенного покрова. Происходит интенсивный рост овражно-балочных систем. Наводнения возникают в результате крупных паводков в период обильного выпадения атмосферных осадков или половодья после внезапно наступившего потепления или весеннего таяния снега и, следовательно, по происхождению относятся к атмосферным явлениям (они рассматриваются в главе, посвященной экологической роли гидросферы).
Антропогенные изменения атмосферы
В настоящее время имеется множество различных источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение атмосферы и приводящих к серьезным нарушениям экологического равновесия. По своим масштабам наибольшее воздействие на атмосферу оказывают два источника: транспорт и промышленность. В среднем на долю транспорта приходится около 60% общего количества атмосферных загрязнений, промышленности — 15, тепловой энергетики — 15, технологий уничтожения бытовых и промышленных отходов — 10%.
Транспорт в зависимости от используемого топлива и типов окислителей выбрасывает в атмосферу оксиды азота, серы, оксиды и диоксиды углерода, свинца и его соединений, сажу, бензопирен (вещество из группы полициклических ароматических углеводородов, которое является сильным канцерогеном, вызывающим рак кожи).
Промышленность выбрасывает в атмосферу сернистый газ, оксиды и диоксиды углерода, углеводороды, аммиак, сероводород, серную кислоту, фенол, хлор, фтор и другие соединения и химические элементы. Но главенствующее положение среди выбросов (до 85%) занимает пыль.
В результате загрязнения меняется прозрачность атмосферы, в ней возникают аэрозоли, смог и кислотные дожди.
Аэрозоли представляют собой дисперсные системы, состоящие из частиц твердого тела или капель жидкости, находящихся во взвешенном состоянии в газовой среде. Размер частиц дисперсной фазы обычно составляет 10-3—10-7 см. В зависимости от состава дисперсной фазы аэрозоли подразделяют на две группы. К одной относят аэрозоли, состоящие из твердых частиц, диспергированных в газообразной среде, ко второй — аэрозоли, являющиеся смесью газообразных и жидких фаз. Первые называют дымами, а вторые — туманами. В процессе их образования большую роль играют центры конденсации. В качестве ядер конденсации выступают вулканический пепел, космическая пыль, продукты промышленных выбросов, различные бактерии и др. Число возможных источников ядер концентрации непрерывно растет. Так, например, при уничтожении огнем сухой травы на площади 4000 м2 образуется в среднем 11*1022 ядер аэрозолей.
Аэрозоли начали образовываться с момента возникновения нашей планеты и влияли на природные условия. Однако их количество и действия, уравновешиваясь с общим круговоротом веществ в природе, не вызывали глубоких экологических изменений. Антропогенные факторы их образования сдвинули это равновесие в сторону значительных биосферных перегрузок. Особенно сильно эта особенность проявляется с тех пор, как человечество стало использовать специально создаваемые аэрозоли как в виде отравляющих веществ, так и для защиты растений.
Наиболее опасными для растительного покрова являются аэрозоли сернистого газа, фтористого водорода и азота. При соприкосновении с влажной поверхностью листа они образуют кислоты, губительно воздействующие на живые ткани. Кислотные туманы попадают вместе с вдыхаемым воздухом в дыхательные органы животных и человека, агрессивно воздействуют на слизистые оболочки. Одни из них разлагают живую ткань, а радиоактивные аэрозоли вызывают онкологические заболевания. Среди радиоактивных изотопов особую опасность представляет Sг90 не только своей канцерогенностью, но и как аналог кальция, замещающий его в костях организмов, вызывая их разложение.
Во время ядерных взрывов в атмосфере образуются радиоактивные аэрозольные облака. Мелкие частицы радиусом 1 — 10 мкм попадают не только в верхние слои тропосферы, но и в стратосферу, в которой они способны находиться длительное время. Аэрозольные облака образуются также во время работы реакторов промышленных установок, производящих ядерное топливо, а также в результате аварий на АЭС.
Смог представляет собой смесь аэрозолей с жидкой и твердой дисперсными фазами, которые образуют туманную завесу над промышленными районами и крупными городами.
Различают три вида смога: ледяной, влажный и сухой. Ледяной смог назван аляскинским. Это сочетание газообразных загрязнителей с добавлением пылеватых частиц и кристалликов льда, которые возникают при замерзании капель тумана и пара отопительных систем.
Влажный смог, или смог лондонского типа, иногда называется зимним. Он представляет собой смесь газообразных загрязнителей (в основном сернистого ангидрита), пылеватых частиц и капель тумана. Метеорологической предпосылкой для появления зимнего смога является безветренная погода, при которой слой теплого воздуха располагается над приземным слоем холодного воздуха (ниже 700 м). При этом отсутствует не только горизонтальный, но и вертикальный обмен. Загрязняющие вещества, обычно рассеивающиеся в высоких слоях, в данном случае накапливаются в приземном слое.
Сухой смог возникает в летнее время, и его нередко называют смогом лос-анджелесского типа. Он представляет собой смесь озона, угарного газа, оксидов азота и паров кислот. Образуется такой смог в результате разложения загрязняющих веществ солнечной радиацией, особенно ультрафиолетовой ее частью. Метеорологической предпосылкой является атмосферная инверсия, выражающаяся в появлении слоя холодного воздуха над теплым. Обычно поднимаемые теплыми потоками воздуха газы и твердые частицы затем рассеиваются в верхних холодных слоях, но в данном случае накапливаются в инверсионном слое. В процессе фотолиза диоксиды азота, образованные при сгорании топлива в двигателях автомобилей, распадаются:
NO2 → NO + О
Затем происходит синтез озона:
O + O2 + M → O3 + M
NO + О → NO2
Процессы фотодиссоциации сопровождаются желто-зеленым свечением.
Кроме того, происходят реакции по типу: SO3 + Н20 -> Н2SO4, т. е. образуется сильная серная кислота.
С изменением метеорологических условий (появление ветра или изменение влажности) холодный воздух рассеивается и смог исчезает.
Наличие канцерогенных веществ в смоге приводит к нарушению дыхания, раздражению слизистых оболочек, расстройству кровообращения, возникновению астматических удуший и нередко к смерти. Особенно опасен смог для малолетних детей.
Кислотные дожди представляют собой атмосферные осадки, подкисленные растворенными в них промышленными выбросами оксидов серы, азота и паров хлорной кислоты и хлора. В процессе сжигания угля, нефти и газа большая часть находящейся в ней серы как в виде оксида, так в соединениях с железом, в частности в пирите, пирротине, халькопирите и т. д., превращается в оксид серы, который вместе с диоксидом углерода выбрасывается в атмосферу. При соединении атмосферного азота и технических выбросов с кислородом образуются различные оксиды азота, причем объем образовавшихся оксидов азота зависит от температуры горения. Основная масса оксидов азота возникает во время эксплуатации автотранспорта и тепловозов, а меньшая часть приходится на энергетику и промышленные предприятия. Оксиды серы и азота — главные кислотообразователи. При реакции с атмосферным кислородом и находящимися в нем парами воды образуются серная и азотная кислоты.
Известно, что щелочно-кислотный баланс среды определяется величиной рН. Нейтральная среда имеет величину рН, равную 7, кислая — 0, а щелочная — 14. В современную эпоху величина рН дождевой воды составляет 5,6, хотя в недавнем прошлом она была нейтральной. Уменьшение значения рН на единицу соответствует десятикратному повышению кислотности и, следовательно, в настоящее время практически повсеместно выпадают дожди с повышенной кислотностью. Максимальная кислотность дождей, зарегистрированная в Западной Европе, составляла 4—3,5 рН. При этом надо учесть, что величина рН, равная 4-4,5, смертельна для большинства рыб.
Кислотные дожди оказывают агрессивное воздействие на растительный покров Земли, на промышленные и жилые здания и способствуют существенному ускорению выветривания обнаженных горных пород. Повышение кислотности препятствует саморегуляции нейтрализации почв, в которых растворяются питательные вещества. В свою очередь, это приводит к резкому снижению урожайности и вызывает деградацию растительного покрова. Кислотность почв способствует освобождению находящихся в связанном состоянии тяжелых металлов, которые постепенно усваиваются растениями, вызывая у них серьезные повреждения тканей и проникая в пищевые цепочки человека.
Изменение щелочно-кислотного потенциала морских вод, особенно в мелководьях, ведет к прекращению размножения многих беспозвоночных, вызывает гибель рыб и нарушает экологическое равновесие в океанах.
В результате кислотных дождей под угрозой гибели находятся лесные массивы Западной Европы, Прибалтики, Карелии, Урала, Сибири и Канады.