Атмосфера и ее свойства

СВОЙСТВА И ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ

В современных экологических исследованиях в настоящее время получили развитие следующие направления изучения экологических проблем:

• аналитико-теоретическое направление, в рамках которого проводится поиск исторических и социально-экономических причин, приведших человечество к нынешней экологической ситуации;
• конструктивно-теоретическое направление, включающее создание и развитие экологической теории как базы для возможной стратегии общества по отношению к окружающей среде;
• конструктивно-прикладное направление, возникшее в связи с необходимостью решения многочисленных задач в области охраны окружающей среды в условиях современного производства на основе инженерно-технических средств.

Согласно результатам современных исследований в результате хозяйственной деятельности человека наиболее массированно загрязняется вредными веществами атмосфера.

Основные свойства атмосферы, определяющие ее поведение, обусловлены наличием в ней следующих процессов и явлений:

• солнечной радиации и излучения земной поверхности;
• радиации в атмосфере;
• сжатия и расширения воздуха;
• молекулярной и турбулентной теплопроводности;
• испарения и конденсации водяного пара.

Перечисленные процессы и явления приводят к образованию в атмосфере полей температуры и давления, что влечет расслоение атмосферы и вызывает движение воздуха относительно поверхности земли.

Наибольший интерес для исследований представляет нижняя часть атмосферы - тропосфера, поскольку именно в ней происходят основные метеорологические явления, влияющие на степень загрязнения воздуха - одного из главных источников жизни на Земле. В тропосфере находится большая часть загрязняющих веществ (космической и антропогенной пыли, водяного пара), а также азота, кислорода и инертных газов. Она практически прозрачна для проходящей через нее коротковолновой солнечной радиации.

Вместе с тем содержащиеся в тропосфере примеси достаточно сильно поглощают тепловое (длинноволновое) излучение Земли, в результате чего тропосфера нагревается. Это нагревание является причиной вертикального перемещения потоков воздуха, конденсации водяного пара, образования облаков и выпадения осадков.

Распределение температур в приземном слое атмосферы является важнейшей причиной формирования климата и его основной характеристикой.

Тепловые процессы, протекающие в атмосфере, вызывают сжатие и расширение воздушных масс, особенно в вертикальном направлении. При этом согласно шкале Паскуилла выделяют следующие виды состояния атмосферы:

- очень неустойчивое, солнечная, летняя погода; скорость ветра U=1 м/с (когда значение вертикального градиента (вектор, указывающий направление функции) температуры (сухоадиабатического градиента) много больше единицы);

- неустойчивое, солнечно и тепло; U=2 м/с (когда значение сухоадиабатического градиента незначительно превышает единицу);

- безразличное (нейтральное), облачный день или облачная ночь; U=5 м/с (когда сухоадиабатический градиент равен или близок к единице);

- устойчивое, переменная облачность в течение ночи; U=3 м/с (когда сухоадиабатический градиент несколько меньше единицы);

- очень устойчивое, ясная ночь; U=2 м/с (когда значение сухоадиабатического градиента много меньше единицы).

Перенос тепла в объеме атмосферы определяется значением теплопроводности, которую принято делить на молекулярную, обусловленную диффузионными явлениями, а также турбулентную, связанную с конвективным перемешиванием атмосферного воздуха.

В зависимости от количества влаги, содержащейся в атмосферном воздухе, состояние последнего считают сухим или влажным. Влажный воздух, в свою очередь, может быть насыщенным и ненасыщенным. При переносе тепла в условиях насыщенного влажного воздуха преобладают процессы конденсации влаги, а в условиях ненасыщенного воздуха - процессы испарения.

Большинство процессов, происходящих в атмосфере, описывают как функцию рассмотренных выше параметров. Характер изменения этих параметров описывается математической системой, включающей:

• уравнение состояния газа;
• уравнение первого закона термодинамики;
• уравнение неразрывности потока;
• уравнения движения в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Движение атмосферного воздуха характеризуют суперпозицией взаимосвязанных потоков с масштабами, охватывающими диапазон от 0,001 до 5000 м.

Для анализа такого движения применяют классификацию в соответствии с горизонтальным масштабом:

• микромасштабное атмосферное движение (менее 200 м и продолжительностью менее 1 часа);
• мезомасштабное (от 200 до 5000 м и продолжительностью от 1 до 48 ч);
• синоптическое (более 5000 м и продолжительностью более 48 ч).

Поверхность земли оказывает воздействие на движущийся воздух в виде горизонтальной силы трения, тормозящей поток. Влияние этой силы на воздушный поток уменьшается с увеличением высоты над поверхностью земли и становится пренебрежимо малым выше высоты, известной как верхняя граница пограничного слоя атмосферы. Выше этой границы атмосфера является свободной.

Наибольшее влияние на микроклимат, концентрацию и распределение загрязняющих примесей над открытыми застроенными территориями оказывает пограничный слой атмосферы, расположенный ниже упомянутой границы. Толщина пограничного слоя в зависимости от температурной стратификации атмосферы (распределение температуры воздуха по высоте, определяющее условия равновесия в атмосфере, благоприятствующие или неблагоприятствующие развитию вертикальных перемещений воздуха).

Оценка состояния атмосферы включает аналитический, прогностический и синтезирующий этапы. Экологическая оценка состояния атмосферы обычно дополняется социально-экономической оценкой, целью которой является выявление значимости последствий в результате изменения окружающей среды для экономической и внеэкономической сфер жизни общества.

Изучение атмосферы и загрязняющих ее веществ позволяет заключить, что в результате постоянно усиливающегося воздействия человека на окружающую среду баланс веществ в атмосфере стал нарушаться. Возникли качественные изменения состава воздуха и структуры атмосферы. С каждым годом количество рассеянных в атмосфере веществ, не входящих в ее постоянный состав, непрерывно возрастает. В настоящее время таких примесей в атмосфере насчитывается сотни тысяч.

Для целенаправленного проведения мероприятий, способствующих сохранению исходных качеств атмосферы, необходимо знать особенности загрязнения воздушной среды, а также характеристики и свойства загрязняющих веществ.