Масса атмосферы составляет около 5,9 х 1015 т. Она имеет слоистое строение (рис.2.1) и состоит из нескольких сфер, между которыми располагаются переходные слои - паузы.
Прилегающий к земной поверхности наиболее плотный слой воздуха называется тропосферой. Протяженность ее по высоте в средних широтах 10 -12 км над уровнем моря, на полюсах 7 - 10, над экватором - 16-18 км. В тропосфере сосредоточено более 4/5 массы земной атмосферы. Температура воздуха в тропосфере по высоте уменьшается и колеблется от 40 до - 50°С.
Выше тропосферы находится стратосфера протяженностью 40 км. Температура воздуха от границы тропосферы до высоты 30 км постоянная (около - 50°С), а затем повышается и на высоте 50 км достигает 10°С. В стратосфере под воздействием космического излучения и коротковолновой части УФ-излучения Солнца молекулы кислорода воздуха ионизируются с образованием озона.
Стратопауза отделяет стратосферу от лежащей выше мезосферы. Выше мезосферы расположена термосфера (или ионосфера). Для нее характерно непрерывное повышение температуры с увеличением высоты. На высоте 150 км температура достигает 200 - 240°С, на уровне 200 км. - 500°С, а на высоте 500 - 600 км превышает 1500°С. В термосфере газы очень разряжены. Молекулы их движутся с большой скоростью, но редко сталкиваются между собой и поэтому не могут вызвать даже небольшого нагревания любого находящегося здесь тела.
Атмосфера состоит в основном из азота и кислорода. На высоте 110 - 120 км кислород почти весь становится атомарным, Предполагается, что выше 400 - 500 км и азот находится в атомарном состоянии. Кислородно-азотный состав сохраняется примерно до высоты 400 - 600 км. Выше 600 км в атмосфере начинает преобладать гелий, а выше 2000 - 3000 км преобладает водород.
Под действием солнечного излучения в атмосфере протекает множество реакций, в которых участвует азот, кислород, озон, оксид азота, диоксид углерода и пары воды. Ионизация происходит в основном на высоте 70 - 80 км. При этом образуются отрицательные (N¯, О¯,CO3¯, NО2¯, NО3¯) и положительные (N+, О+, О2+, Н+) ионы. Эти ионы соединяются в различные комплексы : NO+, N2; NO+.СО2; NO+.H2; О2+(Н2 О).
Источники загрязнения атмосферы
Существует два главных источника загрязнения атмосферы: естественный и антропогенный .Естественный источник загрязнения атмосферы связан с космическим и земным факторами .Из космоса атмосфера Земли загрязняется пылью. Космическая пыль образуется из остатков сгоревших метеоритов при их вхождении в атмосферу. Ежегодно на Землю падает от 2 до 5 млн. т.метеоритного вещества.
Природная пыль является постоянной составной частью земной атмосферы. Она представляет собой мельчайшие твердые взвешенные в воздухе частицы с радиусом 104-10-3см. Частицы природной пыли имеют органическое и неорганическое происхождение и образуются в результате разрушения и выветривания горных пород и почвы, вулканических извержений, лесных и степных пожаров, испарения с поверхности морей. Одним из источников пыли в нижних соях атмосферы являются безводные пустыни и степи.
Атмосферный воздух над океаном включает мельчайшие кристаллы солей магния, натрия, калия, кальция. Они образуются в результате высыхания в воздухе брызг воды. Как правило, естественное загрязнение не угрожает отрицательными последствиями для биогеоценозов и обитающих в них живых организмов, хотя кратковременные последствия возможны. Атмосферная пыль способствует конденсации водяных паров, а следовательно, и образованию осадков. Кроме того, она поглощает прямую солнечную радиацию и защищает организмы от солнечного излучения. Источниками поступления ватмосферу антропогенных примесей являются теплоэнергетика, промышленность, нефте- и газопереработка, транспорт. Каждый из этих источников связан с выделением специфических примесей. Их состав насчитывает десятки тысяч веществ. Но загрязняющие вещества, поступающие в атмосферу в большом количестве сравнительно немногочисленны.
Наиболее распространенными выбросами промышленности в атмосферу являются следующие: зола, , диоксид серы, оксид цинка, силикаты, хлорид свинца; сероводород, меркаптан; альдегиды, углеводороды, смолы; оксид и диоксид азота, аммиак, озон, оксид и диоксид углерода; фтороводород, хлороводород, кремнефторид натрия, аэрозоли.
Главными источниками загрязнения атмосферного воздуха в Украине являются энергетика, промышленность и автотранспорт, при этом наибольшие по объему выбросы (в %) распределяются между ними следующим образом:
• оксид углерода: автотранспорт – 90%, промышленность – 10%;
• окислы азота: энергетика – 60%, автотранспорт – 35%, промышленность – 5%;
• углеводороды: промышленность – 73%, автотранспорт – 27%.
Наибольшее количество загрязняющих атмосферу веществ выбрасывается с выхлопными газами автомобилей, В настоящее время в мире насчитывается свыше 600 млн. автомобилей, выхлопные газы которых содержат примерно 200 токсичных веществ, в том числе канцерогенные углеводороды и тетраэтилсвинец.
Таблица 3.1. Содержание загрязняющих веществ в выхлопных газах двигателей
Компоненты (загрязняющие вещества) | Единицы измерения | Содержание в выхлопных газах двигателей | |
карбюраторных | дизельных | ||
Диоксид углерода | % | 5 - 12 | 1,0- 10 |
Монооксид углерода | % | 0,5- 12 | 0,01 -0,5 |
Оксиды азота | % | 0,0 -0,8 | 0,0002 - 0,5 |
Углеводороды неканцерогенные (этан, метан, этилен, бензол, ацетилен,толуол, м-ксилол идр.) | % | 0,2-0,3 | 0,009 - 0,5 |
Альдегиды (формальдегид, акролеин, ацеталдьдегид) | % | 0,0-0,2 | 0,001 -0,009 |
Сажа | г / м3 | 0,0 - 0,4 | 0,01 - 1,1 |
Бензпирен | мкг / м3 | до 10-20 | до 10 |
Бензиновые двигатели выбрасывают больше углеводородов и продуктов их неполного окисления (оксида углерода и альдегидов), чем дизели. Каждая машина с бензиновым двигателем за пройденные 15 тыс. км потребляет 4350 кг кислорода, и выбрасывает 3250 кг диоксида углерода, 530 кг оксида углерода, 93 кг углеводородов, 27 кг оксидов азота, 0,5 кг свинца, 0,2 г бензпирена.
Тепловые электростанции выделяют в атмосферу газы, содержащие оксиды серы и азота, золу и оксиды металлов. Предприятия черной металлургии выбрасывают газы, включающие пыль, оксиды серы и металлов На 1 т передельного чугуна приходится 4,5 кг пыли, 2,7 кг SO2, 0,1 - 0,5 кг соединений марганца и мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, ртути, редких металлов, смолистых веществ .При производстве 1 т мартеновской стали выделяется 3000 - 4000 м3 газов с концентрацией пыли в среднем 0,5 г/'м3 и 60 кг углекислого газа. Агломерационные фабрики выбрасывают пыль и диоксид серы. Их количество составляет 190 кг пыли и 3 кг SO2 на каждую тонну перерабатываемого сырья. Коксохимические предприятия загрязняют атмосферу пылью и смесью летучих соединений, среди которых фенол, бензпирен, сероводород.
Предприятия цветной металлургии выбрасывают в атмосферу запыленные газы, содержащие диоксид серы, фтористые соединения и оксиды металлов. Из тонны пыли, выделяемой в атмосферу при плавке медных руд, можно извлечь до 100 кг меди и десятки килограммов свинца и цинка.
Выбросы в атмосферу предприятий нефтеперерабатывающей и нефтедобывающей промышленностей содержат углеводороды (в том числе стирол, дивинил, толуол, изопрен), сероводород и другие газы.
Заводы промышленности и строительных материалов выбрасывают в атмосферу пыль, фториды, диоксиды серы и азота.
Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха приходится на долю оксидов углерода, соединений серы и азота, углеводородов и промышленной пыли. За год в атмосферу Земли выбрасывается 300 млн. т оксида углерода, более 20 млрд. т диоксида углерода, 190 млн. т диоксида серы, 65 млн. т оксидов азота, свыше 300 млн. т пыли, 120 млн. т золы, более 50 млн. т различных углеводородов, фреонов - 1,4 млн. т.
Таблица 3.2.Наиболее характерные выбросы в атмосферу основных производств химической промышленности
Производство | Компоненты выбросов в атмосферу | |
Азотной кислоты | NO, NO2, NH3 | |
Серной кислоты (нитрозной и контактной) | NO, NO2, SO2, H2SO4 | |
Соляной кислоты | HCI, CI2 | |
Фосфора и фосфорной кислоты | P2O5, H3P O4, HF, Ca5F(PO4) (пыль) | |
Сложных удобрений | NO, NO2, NH3, HF, H2SO4, P2O5,HNO3 | |
Карбамида | NH3, CO, (NH3)2CO (пыль) | |
Аммонийной селитры | СО, NH3, HN03, NH4NO3 (пыль) | |
Суперфосфата | H2SO4, HF, пыль суперфосфата | |
Жидкого хлора | HCI, CI2, Hq | |
Полихлорвиниловой смолы | Hq, HqCI2, H3 | |
Аммиака | NH3, CO | |
Метанола | CH3OH, CO | |
Капролактама | NO, NO2, SO2 , H2S ,CO | |
Диоксида титана | Ильменит, TiO2, FeO, Fe2O3 | |
Карбофоса | SO2, P2O5, H2S, пыль карбофоса | |