Газовый состав атмосферного воздуха
Газовый состав воздуха,которым мы дышим, выглядит так: 78% составляет азот, 21 % — кислород и 1%приходится на другие газы. Но в атмосфере крупных промышленных городов этосоотношение часто нарушено. Значительную долю составляют вредные примеси,обусловленные выбросами предприятий и автотранспорта. Автотранспорт привносит ватмосферу многие примеси: углеводороды неизвестного состава, бенз(а)пирен,углекислый газ, соединения серы и азота, свинец, угарный газ.
Атмосфера состоит из смеси ряда газов — воздуха, в котором взвешеныколлоидные примеси — пыль, капельки, кристаллы и пр. С высотой составатмосферного воздуха меняется мало. Однако начиная с высоты около 100 км,наряду с молекулярным кислородом и азотом появляется и атомарный в результатедиссоциации молекул, и начинается гравитационное разделение газов. Выше 300 кмв атмосфере преобладает атомарный кислород, выше 1000 км — гелий и затематомарный водород. Давление и плотность атмосферы убывают с высотой; околополовины всей массы атмосферы сосредоточено в нижних 5 км, 9/10 — в нижних 20км и 99,5% — в нижних 80 км. На высотах около 750 км плотность воздуха падаетдо 10-10 г/м3 (тогда как у земной поверхности она порядка 103 г/м3), но и такаямалая плотность еще достаточна для возникновения полярных сияний. Резкойверхней границы атмосфера не имеет; плотность составляющих ее газов
В состав атмосферного воздуха, которым дышит каждый из нас, входятнесколько газов, основными из которых являются: азот(78.09%), кислород(20.95%),водород(0.01%) двуокись углерода (углекислый газ)(0.03%) и инертныегазы(0.93%). Кроме того, в воздухе всегда находится некоторое кол-во водяныхпаров, кол-во которых всегда изменяется с переменой температуры: чем вышетемпература, тем содержание пара больше и наоборот. Вследствие колебания кол-ваводяных паров в воздухе процентное содержание в нем газов также непостоянно.Все газы, входящие в состав воздуха, бесцветны и не имеют запаха. Вес воздухаизменяется в зависимости не только от температуры, но и от содержания в немводяных паров. При одинаковой температуре вес сухого воздуха больше, чемвлажного, т.к. водяные пары значительно легче паров воздуха.
В таблице приведен газовый состав атмосферы в объемном массовомотношении, а также время жизни основных компонентов:
Компонент % объемные % массовые
N2 78,09 75,50
O2 20,95 23,15 Ar 0,933 1,292
CO2 0,03 0,046 Ne
1,8 10-3
1,4 10-3 He
4,6 10-4
6,4 10-5
CH4
1,52 10-4
8,4 10-5 Kr
1,14 10-4
3 10-4
H2
5 10-5
8 10-5
N2O
5 10-5
8 10-5 Xe
8,6 10-6
4 10-5
O3
3 10-7 — 3 10-6
5 10-7 — 5 10-6 Rn
6 10-18
4,5 10-17
/>
Свойства газов, входящих в состав атмосферного воздуха поддавлением меняются.
К примеру: кислород под давлением более 2-х атмосфер оказываетядовитое действие на организм.
Азот под давлением свыше 5 атмосфер оказывает наркотическоедействие (азотное опьянение). Быстрый подъем из глубины вызывает кессоннуюболезнь из-за бурного выделения пузырьков азота из крови, как бы вспенивая ее.
Повышение углекислого газа более 3% в дыхательной смесивызывает смерть.
Каждый компонент, входящий в состав воздуха, с повышением давлениядо определенных границ становится ядом, способным отравить организм.
Исследования газового состава атмосферы. Атмосферная химия
Для истории бурного развития сравнительно молодой отрасли науки,именуемой атмосферной химией, более всего подходит термин “спурт” (бросок),применяемый в высокоскоростных видах спорта. Выстрелом же из стартовогопистолета, пожалуй, послужили две статьи, опубликованные в начале 1970-х годов.Речь в них шла о возможном разрушении стратосферного озона оксидами азота — NOи NO2. Первая принадлежалабудущему нобелевскому лауреату, а тогда сотруднику Стокгольмского университетаП. Крутцену, который посчитал вероятным источником оксидов азота в стратосферераспадающуюся под действием солнечного света закись азота N2O естественного происхождения. Авторвторой статьи, химик из Калифорнийского университета в Беркли Г.Джонстонпредположил, что оксиды азота появляются в стратосфере в результате человеческойдеятельности, а именно — при выбросах продуктов сгорания реактивных двигателейвысотных самолетов.
Конечно, вышеупомянутые гипотезы возникли не на пустом месте.Соотношение по крайней мере основных компонент в атмосферном воздухе — молекулазота, кислорода, водяного пара и др. — было известно намного раньше. Уже вовторой половине XIX в. в Европе производились измерения концентрации озона вприземном воздухе. В 1930-е годы английский ученый С.Чепмен открыл механизмформирования озона в чисто кислородной атмосфере, указав набор взаимодействийатомов и молекул кислорода, а также озона в отсутствие каких-либо другихсоставляющих воздуха. Однако в конце 50-х годов измерения с помощьюметеорологических ракет показали, что озона в стратосфере гораздо меньше, чемего должно быть согласно циклу реакций Чепмена. Хотя этот механизм и по сейдень остается основополагающим, стало ясно, что существуют какие-то иныепроцессы, также активно участвующие в формировании атмосферного озона.
Нелишне упомянуть, что знания в области атмосферной химии к началу70-х годов в основном были получены благодаря усилиям отдельных ученых, чьиисследования не были объединены какой-либо общественно значимой концепцией иносили чаще всего чисто академический характер. Иное дело — работа Джонстона:согласно его расчетам, 500 самолетов, летая по 7 ч в день, могли сократитьколичество стратосферного озона не меньше чем на 10%! И если бы эти оценки былисправедливы, то проблема сразу становилась социально-экономической, так как вэтом случае все программы развития сверхзвуковой транспортной авиации исопутствующей инфраструктуры должны были подвергнуться существеннойкорректировке, а может быть, и закрытию. К тому же тогда впервые реально всталвопрос о том, что антропогенная деятельность может стать причиной нелокального, но глобального катаклизма. Естественно, в сложившейся ситуациитеория нуждалась в очень жесткой и в то же время оперативной проверке.
Напомним, что суть вышеупомянутой гипотезы состояла в том, чтооксид азота вступает в реакцию с озоном NO + O3® ® NO2+ O2, затем образовавшийся вэтой реакции диоксид азота реагирует с атомом кислорода NO2 + O ®NO + O2, тем самымвосстанавливая присутствие NO в атмосфере, в то время как молекула озонаутрачивается безвозвратно. При этом такая пара реакций, составляющая азотныйкаталитический цикл разрушения озона, повторяется до тех пор, пока какие-либохимические или физические процессы не приведут к удалению оксидов азота изатмосферы. Так, например, NO2окисляется до азотной кислоты HNO3,хорошо растворимой в воде, и потому удаляется из атмосферы облаками и осадками.Азотный каталитический цикл весьма эффективен: одна молекула NO за время своегопребывания в атмосфере успевает уничтожить десятки тысяч молекул озона.
Но, как известно, беда не приходит одна. Вскоре специалисты изуниверситетов США — Мичигана (Р.Столярски и Р.Цицероне) и Гарварда (С.Вофси иМ. Макэлрой) — обнаружили, что у озона может быть еще более беспощадный враг — соединения хлора. Хлорный каталитический цикл разрушения озона (реакции Cl + O3 ®ClO + O2 и ClO + O ® Cl + O2),по их оценкам, был в несколько раз эффективнее азотного. Сдержанный оптимизмвызывало лишь то, что количество хлора естественного происхождения в атмосфересравнительно невелико, а значит, суммарный эффект его воздействия на озон можетоказаться не слишком сильным. Однако ситуация кардинально изменилась, когда в1974 г. сотрудники Калифорнийского университета в Ирвине Ш. Роуленд и М. Молинаустановили, что источником хлора в стратосфере являются хлорфторуглеводородныесоединения (ХФУ), массово используемые в холодильных установках, аэрозольныхупаковках и т.д. Будучи негорючими, нетоксичными и химически пассивными, этивещества медленно переносятся восходящими воздушными потоками от земнойповерхности в стратосферу, где их молекулы разрушаются солнечным светом, врезультате чего выделяются свободные атомы хлора. Промышленное производствоХФУ, начавшееся в 30-е годы, и их выбросы в атмосферу постоянно наращивались вовсе последующие годы, особенно в 70-е и 80-е. Таким образом, в течение оченькороткого промежутка времени теоретики обозначили две проблемы атмосфернойхимии, обусловленные интенсивным антропогенным загрязнением.
Однако чтобы проверить состоятельность выдвинутых гипотез,необходимо было выполнить немало задач.
Во-первых, расширить лабораторные исследования, в ходекоторых можно было бы определить или уточнить скорости протеканияфотохимических реакций между различными компонентами атмосферного воздуха. Надосказать, что существовавшие в то время весьма скудные данные об этих скоростяхк тому же имели изрядную (до нескольких сот процентов) погрешность. Кроме того,условия, в которых производились измерения, как правило, мало соответствовалиреалиям атмосферы, что серьезно усугубляло ошибку, поскольку интенсивностьбольшинства реакций зависела от температуры, а иногда от давления или плотностиатмосферного воздуха.
Во-вторых, усиленно изучать радиационно-оптические свойстваряда малых газов атмосферы в лабораторных условиях. Молекулы значительногочисла составляющих атмосферного воздуха разрушаются ультрафиолетовым излучениемСолнца (в реакциях фотолиза), среди них не только упомянутые выше ХФУ, но такжемолекулярный кислород, озон, оксиды азота и многие другие. Поэтому оценкипараметров каждой реакции фотолиза были столь же необходимы и важны дляправильного воспроизведения атмосферных химических процессов, как и скоростиреакций между различными молекулами.
В-третьих, нужно было создавать математические модели,способные возможно более полно описывать взаимные химические превращениякомпонент атмосферного воздуха. Как уже упоминалось, продуктивность разрушенияозона в каталитических циклах определяется тем, сколь долго пребывает ватмосфере катализатор (NO, Cl или какой-либо другой). Понятно, что такойкатализатор, вообще-то говоря, мог вступить в реакцию с любой из десятковсоставляющих атмосферного воздуха, быстро разрушаясь при этом, и тогда ущербстратосферному озону оказался бы значительно меньше, чем предполагалось. Сдругой стороны, когда в атмосфере ежесекундно происходит множество химическихпревращений, вполне вероятно выявление других механизмов, прямо или косвенновлияющих на образование и разрушение озона. Наконец, такие модели в состояниивыделить и оценить значимость отдельных реакций или их групп в формированиидругих газов, входящих в состав атмосферного воздуха, а также позволитьвычислить концентрации газов, которые недоступны измерениям.
И наконец, предстояло организовать широкую сеть дляизмерений содержания в воздухе различных газов, в том числе соединений азота,хлора и др., используя с этой целью наземные станции, запуски метеозондов иметеоракет, полеты самолетов. Безусловно, создание базы данных было наиболеедорогостоящей задачей, которую и не решить в короткое время. Однако толькоизмерения могли дать исходную точку для теоретических изысканий, будучиодновременно пробным камнем истинности высказанных гипотез.
С начала 70-х по крайней мере раз в три года выходят специальные,постоянно пополняемые сборники, содержащие сведения обо всех значимыхатмосферных реакциях, включая реакции фотолиза. Причем погрешность вопределении параметров реакций между газовыми компонентами воздуха сегоднясоставляет, как правило, 10-20%.
На вторую половину этого десятилетия приходится бурное развитиемоделей, описывающих химические преобразования в атмосфере. Наибольшее их числобыло создано в США, но появились они и в Европе, и в СССР. Сперва это былибоксовые (нульмерные), а потом и одномерные модели. Первые воспроизводили сразной степенью достоверности содержание основных атмосферных газов в заданномобъеме — боксе (отсюда и их название) — в результате химических взаимодействиймежду ними. Поскольку постулировалось сохранение общей массы воздушной смеси,удаление какой-либо ее доли из бокса, например, ветром, не рассматривалось.Боксовые модели были удобны для выяснения роли отдельных реакций или их групп впроцессах химических образований и разрушений газов атмосферы, для оценкичувствительности газового состава атмосферы к неточностям определения скоростейреакций. С их помощью исследователи могли, задав в боксе атмосферные параметры(в частности, температуру и плотность воздуха), соответствующие высоте полетовавиации, оценить в грубом приближении, как изменятся концентрации атмосферных примесейв результате выбросов продуктов сгорания двигателями самолетов. В то же времябоксовые модели были непригодны для изучения проблемы хлорфторуглеводородов(ХФУ), так как не могли описать процесс их перемещения от земной поверхности встратосферу. Вот здесь пригодились одномерные модели, которые совмещали в себеучет подробного описания химических взаимодействий в атмосфере и переносапримесей в вертикальном направлении. И хотя вертикальный перенос задавался издесь достаточно грубо, использование одномерных моделей было заметным шагомвперед, поскольку они давали возможность как-то описать реальные явления.
Оглядываясь назад, можно сказать, что наши современные знания вомногом базируются на проведенной в те годы с помощью одномерных и боксовыхмоделей черновой работе. Она позволила определить механизмы формированиягазового состава атмосферы, оценить интенсивность химических источников и стокиотдельных газов. Важная особенность этого этапа развития атмосферной химии втом, что рождавшиеся новые идеи апробировались на моделях и широко обсуждалисьсреди специалистов. Полученные результаты часто сравнивались с оценками другихнаучных групп, поскольку натурных измерений было явно недостаточно, да иточность их была весьма низкой. Кроме того, для подтверждения правильностимоделирования тех или иных химических взаимодействий было необходимо проводитькомплексные измерения, когда одновременно определялись бы концентрации всехучаствующих реагентов, что в то время, да и сейчас, было практическиневозможно. (До сих пор проведено лишь несколько измерений комплекса газов с“Шаттла” в течение 2-5 сут.) Поэтому модельные исследования шли впередиэкспериментальных, и теория не столько объясняла проведенные натурныенаблюдения, сколько способствовала их оптимальному планированию. Например,такое соединение, как хлорный нитрат ClONO2,сначала появилось в модельных исследованиях и только потом было обнаружено ватмосфере. Даже сравнивать имевшиеся измерения с модельными оценками былотрудно, поскольку одномерная модель не могла учесть горизонтальных движенийвоздуха, из-за чего атмосфера предполагалась горизонтально однородной, аполученные модельные результаты соответствовали некоторому среднеглобальному еесостоянию. Однако в реальности состав воздуха над индустриальными регионамиЕвропы или США сильно отличается от его состава над Австралией или надакваторией Тихого океана. Поэтому результаты любого натурного наблюдения взначительной мере зависят от места и времени проведения измерений и, конечно,не соответствуют в точности среднеглобальному значению.
Чтобы устранить этот пробел в моделировании, в 80-е годыисследователи создают двумерные модели, в которых наряду с вертикальнымпереносом учитывался и перенос воздуха вдоль меридиана (вдоль круга широтыатмосфера по-прежнему считалась однородной). Создание таких моделей на первыхпорах было сопряжено со значительными трудностями.
Во-первых, резко возрастало количество внешних модельныхпараметров: в каждом узле сетки необходимо было задать скорости вертикального имежширотного переноса, температуру и плотность воздуха и т.д. Многие параметры(в первую очередь, вышеупомянутые скорости) не были надежно определены вэкспериментах и поэтому подбирались из качественных соображений.
Во-вторых, состояние вычислительной техники того временизаметно сдерживало полноценное развитие двумерных моделей. В отличие отэкономичных одномерных и тем более боксовых двумерные модели требовалисущественно больших затрат памяти и времени ЭВМ. И в результате их создателибыли вынуждены значительно упрощать схемы учета химических превращений ватмосфере. Тем не менее комплекс атмосферных исследований, как модельных, так инатурных с использованием спутников, позволил нарисовать относительно стройную,хотя и далеко не полную картину состава атмосферы, а также установить основныепричинно-следственные связи, вызывающие изменения содержания отдельныхкомпонент воздуха. В частности, многочисленные исследования показали, чтополеты самолетов в тропосфере не наносят сколь-нибудь существенного вреда тропосферномуозону, однако их подъем в стратосферу, похоже, может иметь отрицательныепоследствия для озоносферы. Мнение большинства специалистов о роли ХФУ былопочти единодушным: гипотеза Роуленда и Молина подтверждается, и эти веществадействительно способствуют разрушению стратосферного озона, а регулярный ростих промышленного производства — мина замедленного действия, так как распад ХФУпроисходит не сразу, а спустя десятки и сотни лет, поэтому последствиязагрязнения будут сказываться в атмосфере очень долго. Более того, долгосохраняясь, хлорфторуглеводороды могут достигнуть любой, самой удаленной точкиатмосферы, и, следовательно, это — угроза глобального масштаба. Настало времясогласованных политических решений.
В 1985 г. при участии 44 стран в Вене была разработана и принятаконвенция по охране озонного слоя, стимулировавшая его всестороннее изучение.Однако вопрос, что же делать с ХФУ, все еще оставался открытым. Пустить дело насамотек по принципу “само рассосется” было нельзя, но и запретить производствоэтих веществ в одночасье невозможно без огромного ущерба для экономики.Казалось бы, есть простое решение: нужно заменить ХФУ другими веществами,способными выполнять те же функции (например, в холодильных агрегатах) и в тоже время безвредными или хотя бы менее опасными для озона. Но воплотить в жизньпростые решения часто бывает очень непросто. Мало того что создание такихвеществ и налаживание их производства требовали огромных капиталовложений ивремени, необходимы были критерии оценки воздействия любого из них на атмосферуи климат.
Теоретики снова оказались в центре внимания. Д. Уэбблс изЛиверморской национальной лаборатории предложил использовать для этой целиозоноразрушающий потенциал, который показывал, насколько молекула вещества-заменителясильнее (или слабее), чем молекула CFCl3(фреона-11),воздействует на атмосферный озон. На тот момент также хорошо было известно, чтотемпература приземного слоя воздуха существенно зависит от концентрациинекоторых газовых примесей (их назвали парниковыми), в первую очередьуглекислого газа CO2, водяногопара H2O, озона и др. К этойкатегории отнесли и ХФУ, и многие их потенциальные заменители. Измеренияпоказали, что в ходе индустриальной революции среднегодовая глобальнаятемпература приземного слоя воздуха росла и продолжает расти, и этосвидетельствует о значительных и не всегда желательных изменениях климатаЗемли. Для того чтобы поставить эту ситуацию под контроль, вместе созоноразрушающим потенциалом вещества стали также рассматривать его потенциалглобального потепления. Этот индекс указывал, насколько сильнее или слабееизучаемое соединение воздействует на температуру воздуха, чем такое жеколичество углекислого газа. Проведенные расчеты показали, что ХФУ иальтернативные вещества обладали весьма высокими потенциалами глобальногопотепления, но из-за того, что их концентрации в атмосфере были гораздо меньшеконцентрации CO2, H2O или O3,их суммарный вклад в глобальное потепление оставался пренебрежимо малым. Допоры до времени…
Таблицы рассчитанных значений озоноразрушающих потенциалов ипотенциалов глобального потепления хлорфторуглеводородов и их возможныхзаменителей легли в основу международных решений о сокращении и последующемзапрещении производства и использования многих ХФУ (Монреальский протокол 1987г. и более поздние дополнения к нему). Возможно, собравшиеся в Монреалеэксперты не были бы столь единодушными (в конце концов статьи Протоколаосновывались на не подтвержденных натурными экспериментами “измышлениях”теоретиков), но за подписание этого документа высказалось еще однозаинтересованное “лицо” — сама атмосфера.
Сообщение об обнаружении английскими учеными в конце 1985 г.“озонной дыры” над Антарктидой стало, не без участия журналистов, сенсациейгода, а реакцию мировой общественности на это сообщение легче всегоохарактеризовать одним коротким словом — шок. Одно дело, когда угрозаразрушения озонного слоя существует лишь в отдаленной перспективе, другое — когда все мы поставлены перед свершившимся фактом. К этому не были готовы ниобыватели, ни политики, ни специалисты-теоретики.
Очень быстро выяснилось, что ни одна из существовавших тогдамоделей не могла воспроизвести столь значительного сокращения содержания озона.Значит, какие-то важные природные явления либо не учитывались, либонедооценивались. Вскоре проведенные в рамках программы изучения антарктическогофеномена натурные исследования установили, что важную роль в формировании“озонной дыры”, наряду с обычными (газофазными) атмосферными реакциями, играютособенности переноса атмосферного воздуха в стратосфере Антарктики (ее почтиполная изоляция зимой от остальной атмосферы), а также в ту пору мало изученныегетерогенные реакции (реакции на поверхности атмосферных аэрозолей — частицпыли, сажи, льдинок, капель воды и т.д.). Только учет вышеупомянутых факторовпозволил добиться удовлетворительного согласования модельных результатов сданными наблюдений. А уроки, преподанные антарктической “озонной дырой”,серьезно сказались на дальнейшем развитии атмосферной химии.
Во-первых, был дан резкий толчок к детальному изучению гетерогенныхпроцессов, протекающих по законам, отличным от тех, которые определяют процессыгазофазные. Во-вторых, пришло ясное осознание того, что в сложной системе,каковой является атмосфера, поведение ее элементов зависит от целого комплексавнутренних связей. Другими словами, содержание газов в атмосфере определяетсяне только интенсивностью протекания химических процессов, но и температуройвоздуха, переносом воздушных масс, особенностями загрязнения аэрозолямиразличных частей атмосферы и пр. В свою очередь радиационные нагрев ивыхолаживание, формирующие поле температуры стратосферного воздуха, зависят отконцентрации и распределения в пространстве парниковых газов, а следовательно,и от атмосферных динамических процессов. Наконец, неоднородный радиационныйнагрев разных поясов земного шара и частей атмосферы порождает движенияатмосферного воздуха и контролирует их интенсивность. Таким образом, неучеткаких-либо обратных связей в моделях может быть чреват большими ошибками вполученных результатах (хотя, заметим попутно, и чрезмерное усложнение моделибез насущной необходимости столь же нецелесообразно, как стрельба из пушек поизвестным представителям пернатых).
Если взаимосвязь температуры воздуха и его газового составаучитывалась в двумерных моделях еще в 80-е годы, то привлечение трехмерныхмоделей общей циркуляции атмосферы для описания распределения атмосферныхпримесей стало возможным благодаря компьютерному буму только в 90-е. Первыетакие модели общей циркуляции использовались для описания пространственногораспределения химически пассивных веществ — трассеров. Позже из-занедостаточной оперативной памяти компьютеров химические процессы задавалисьтолько одним параметром — временем пребывания примеси в атмосфере, и лишьотносительно недавно блоки химических превращений стали полноправными частямитрехмерных моделей. И хотя до сих пор сохраняются трудности подробногопредставления атмосферных химических процессов в трехмерных моделях, сегодняони уже не кажутся непреодолимыми, и лучшие трехмерные модели включают в себясотни химических реакций, наряду с реальным климатическим переносом воздуха вглобальной атмосфере.
В то же время широкое применение современных моделей вовсе неставит под сомнение полезность более простых, о которых говорилось выше. Хорошоизвестно, чем сложнее модель, тем труднее отделить “сигнал” от “модельногошума”, анализировать полученные результаты, выделить главныепричинно-следственные механизмы, оценить влияние на конечный результат тех илииных явлений (а значит, и целесообразности их учета в модели). И здесь болеепростые модели служат идеальным испытательным полигоном, они позволяют получитьпредварительные оценки, в дальнейшем используемые в трехмерных моделях, изучитьновые природные явления до их включения в более сложные и т.д.
Бурный научно-технический прогресс породил еще нескольконаправлений исследований, так или иначе связанных с атмосферной химией.
Спутниковый мониторинг атмосферы. Когда было налажено регулярноепополнение базы данных со спутников, для большинства важнейших компонентатмосферы, охватывающих почти весь земной шар, возникла необходимость всовершенствовании методов их обработки. Здесь и фильтрование данных (разделениесигнала и ошибок измерений), и восстановление вертикальных профилейконцентрации примесей по их суммарным содержаниям в столбе атмосферы, иинтерполяция данных в тех областях, где прямые измерения по техническимпричинам невозможны. К тому же спутниковый мониторинг дополняется проведениемсамолетных экспедиций, которые планируются для решения различных проблем,например, в тропической зоне Тихого океана, Северной Атлантике и даже в летнейстратосфере Арктики.
/>
Июльское распределение отношениясмеси озона (млрд-1 по объему) в поясе 30-60°с.ш., рассчитанное спомощью двумерной фотохимической модели атмосферы Главной геофизическойобсерватории им. А.И.Воейкова. Черными числами на рисунке показаны результатыизмерений на соответствующих высотах и долготах.
Важная часть современных исследований — ассимиляция (усвоение) этихбаз данных в моделях различной сложности. При этом параметры подбираются изусловия наибольшей близости измеренных и модельных значений содержания примесейв точках (регионах). Таким образом производится проверка качества моделей, атакже экстраполяция измеренных величин за пределы регионов и периодовпроведения измерений.
Оценка концентраций короткоживущих атмосферных примесей.Атмосферные радикалы, играющие ключевую роль в атмосферной химии, такие какгидроксил OH, пергидроксил HO2, оксид азота NO, атомарный кислород ввозбужденном состоянии O (1D) и др., имеют наибольшую химическую реактивностьи, следовательно, очень маленькое (несколько секунд или минут) “время жизни” ватмосфере. Поэтому измерение таких радикалов чрезвычайно затруднено, ареконструкция их содержания в воздухе часто осуществляется по модельнымсоотношениям химических источников и стоков этих радикалов. Долгое времяинтенсивности источников и стоков вычислялись по модельным данным. С появлениемсоответствующих измерений стало возможным восстанавливать на их основеконцентрации радикалов, при этом совершенствуя модели и расширяя сведения огазовом составе атмосферы.
Реконструкция газового состава атмосферы в доиндустриальныйпериод и более ранние эпохи Земли. Благодаря измерениям в антарктических игренландских ледовых кернах, возраст которых колеблется от сотен до сотен тысячлет, стали известны концентрации углекислого газа, закиси азота, метана, окисиуглерода, а также температура тех времен. Модельная реконструкция состоянияатмосферы в те эпохи и его сопоставление с нынешним позволяют проследитьэволюцию земной атмосферы и оценить степень воздействия человека на природнуюсреду.
Оценка интенсивности источниковважнейших компонент воздуха.Систематические измерения в приземном воздухе содержания газов, таких, какметан, оксид углерода, оксиды азота, стали основой для решения обратной задачи:оценки размера выбросов в атмосферу газов, имеющих наземные источники, по ихизвестным концентрациям. К сожалению, лишь инвентаризация виновников вселенскогопереполоха — ХФУ — является относительно простой задачей, так как почти все этивещества не имеют естественных источников и общее их количество, поступившее ватмосферу, ограничивается объемом их производства. Остальные газы имеютразнородные и сравнимые по мощности источники. Например, источник метана — переувлажненные территории, болота, нефтяные скважины, угольные шахты; этосоединение выделяется колониями термитов и даже является продуктомжизнедеятельности крупного рогатого скота. Оксид углерода попадает в атмосферув составе выхлопных газов, в результате сжигания топлива, а также при окисленииметана и многих органических соединений. Трудно осуществить прямые измерениявыбросов этих газов, но разработаны методики, позволяющие давать оценки глобальныхисточников газов-загрязнителей, погрешность которых в последние годызначительно сократилась, хотя и остается большой.
Общее содержание озона (в единицах Добсона; 1 ед.Добсона = 10-3 см слоя озона при 15°С на уровне моря) над Севернымполушарием в марте 2000 г. (а и б) и над Южным полушарием в октябре 1998 г. (ви г). Данные получены в результате модельных расчетов (а и в) и спутниковыхизмерений (б и г). Для расчетов использована трехмерная модель
Прогнозирование изменений состава атмосферы и климата Земли Рассматриваятенденции — тренды содержания атмосферных газов, оценки их источников, темпыроста населения Земли, скорости увеличения производства всех видов энергии ит.д., — специальными группами экспертов создаются и постоянно корректируютсясценарии вероятного загрязнения атмосферы в ближайшие 10, 30, 100 лет. Исходяиз них, с помощью моделей прогнозируются возможные изменениягазового состава, температуры и циркуляции атмосферы. Таким образом удаетсязаблаговременно обнаружить неблагоприятные тенденции в состоянии атмосферы иможно попытаться их устранить. Антарктический шок 1985 г. не долженповториться.
Явление парникового эффекта атмосферы
В последние годы стало отчётливо понятно, что аналогия междуобычным парником и парниковым эффектом атмосферы не вполне корректна. Ещё вконце прошлого века известный американский физик Вуд, заменив в лабораторноймодели парника обычное стекло на кварцевое и не обнаружив при этом никакихизменений в функционировании парника, показал, что дело не в задержке тепловогоизлучения почвы стеклом, пропускающим солнечную радиацию, роль стекла в данномслучае состоит лишь в “отсечении” турбулентного теплообмена между поверхностьюпочвы и атмосферой.
Парниковый (оранжерейный) эффект атмосферы – это её свойствопропускать солнечную радиацию, но задерживать земное излучение способствуяаккумуляции тепла землёй. Земная атмосфера сравнительно хорошо пропускаеткоротковолновую солнечную радиацию, которая почти полностью поглощается земнойповерхностью. Нагреваясь за счёт поглощения солнечной радиации, земнаяповерхность становится источником земного, в основном длинноволнового,излучения, часть которого уходит в космическое пространство.
Влияние увеличивающейся концентрации СО2
Учёные – исследователи продолжают споритьо составе так называемых парниковых газов. Наибольший интерес в этой связивызывает влияние увеличивающейся концентрации углекислого газа (СО2)на парниковый эффект атмосферы. Высказывается мнение, что известная схема:“рост концентрации углекислого газа усиливает парниковый эффект, что ведёт кпотеплению глобального климата” – предельно упрощена и очень далека отдействительности, так как наиболее важным “парниковым газом” является вовсе неСО2, а водяной пар. При этом оговорки, что концентрация водяногопара в атмосфере определяется лишь параметрами самой климатической системы,сегодня уже не выдерживает критики, так как антропогенное воздействие наглобальный круговорот воды убедительно доказано.
В качестве научных гипотез укажем наследующие последствия грядущего парникового эффекта. Во-первых, согласнонаиболее распространенным оценкам, к концу XXI века содержание атмосферного СО2удвоится, что неизбежно приведёт к повышению средней глобальной приземнойтемпературы на 3 – 5 о С. При этом потепление ожидается болеезасушливым летом в умеренных широтах Северного полушария.
Во-вторых, предполагается, чтоподобный рост средней глобальной приземной температуры приведёт к повышениюуровня Мирового океана на 20 – 165 сантиметров за счёт термического расширенияводы. Что касается ледникового щита Антарктиды, то его разрушение не являетсянеизбежным, так как для таяния необходимо более высокие температуры. В любомслучае, процесс таяния антарктических льдов займёт весьма продолжительноевремя.
В-третьих, концентрацияатмосферного СО2 может оказать весьма благоприятное воздействие наурожаи сельскохозяйственных культур. Результаты проведённых экспериментовпозволяют предполагать, что в условиях прогрессирующего роста содержания СО2в воздухе природная и культурная растительность достигнут оптимальногосостояния; возрастёт листовая поверхность растений, повысится удельный вессухого вещество листьев, увеличатся средний размер плодов и число семян,ускорится созревание зерновых, а их урожайность повысится.
В-четвёртых, в высоких широтахестественные леса, особенно бореальные могут оказаться весьма чувствительными кизмениям температуры. Потепление может привести к резкому сокращению площадейбореальных лесов, а также к перемещению их границу на север леса тропиков и субтропиковокажутся, вероятно, более чувствительными к изменению режима осадков, а нетемпературы.
Световая энергия солнца, проникаетсквозь атмосферу, поглощается поверхностью земли и нагревает её. При этомсветовая энергия переходит в тепловую, которая выделяется в виде инфракрасногоили теплового излучения. Вот это инфракрасное излучение, отражённое отповерхности земли, и поглощается углекислым газом, при этом он нагревается сами нагревает атмосферу. Значит, чем больше в атмосфере углекислого газа, темсильнее он улавливает климат на планете. То же самое происходит и в парниках,поэтому это явление называется парниковым эффектом.
Если так называемые парниковые газыбудут поступать с теперешней скоростью, то в следующем столетии средняятемпература Земли повысится на 4 – 5 о С, что может привести кглобальному потеплению планеты.
Заключение
Изменить свое отношение к природесовсем не означает, что следует отказаться от технического прогресса. Егоостановка не решит проблему, а может лишь отсрочить ее решение. Надо настойчивои терпеливо добиваться снижения выбросов за счет введения новых экологическихтехнологий экономии сырья, потребляемой энергии и увеличения количествавысаживаемых насаждений проведения воспитательных мероприятий экологическогомировоззрения у населения.
Так, например, в США одно изпредприятий по производству синтетического каучука расположено рядом с жилымикварталами, и это не вызывает протеста жителей, потому что работаютэкологически чистые технологические схемы, которые в прошлом, при старыхтехнологиях, не отличались чистотой.
Значит, нужен строгий отбор технологий,отвечающих самым жестким критериям, современные перспективные технологиипозволят добиться высокого уровня экологичности производства во всех отрасляхпромышленности и транспорта, а так же увеличения количества высаживаемыхзеленых насаждений в промышленных зонах и городах.
В последние годы ведущие позиции в развитии атмосферной химии занялэксперимент, а место теории такое же, как в классических, респектабельныхнауках. Но по-прежнему существуют области, где приоритетными остаются именнотеоретические изыскания: например, только модельные эксперименты в состоянииобеспечить прогнозирование изменений состава атмосферы или оценитьэффективность ограничительных мер, реализуемых в рамках Монреальскогопротокола. Стартовав с решения пусть важной, но частной задачи, сегодня химияатмосферы в сотрудничестве со смежными дисциплинами охватывает весь сложныйкомплекс проблем изучения и охраны окружающей среды. Пожалуй, можно сказать,что первые годы становления атмосферной химии прошли под девизом: “Неопоздать!” Стартовый рывок закончился, бег продолжается.
Литература
1. Ионов Д.В. Обопределении содержания метана в атмосфере по отраженному и рассеянномусолнечному излучению из космоса // Исследования Земли из космоса. 1996.
2. Кароль И.Л.Настоящее и будущее атмосферного озона // Природа. 1988. №9. С.10-19.
3. Киселев А.А.,Кароль И.Л. // Известия РАН. Сер. Физика атмосферы и океана. 1998. Т.34. №4.С.490-497.
4. Егорова Т.А., РозановЕ.В., Кароль И.Л. и др. // Метеорология и гидрология. 2002. №1. С.5-13.
5. Ионов Д.В.,Поляков А.В., Тимофеев Ю.М. Об определении содержания водяного пара в атмосферепо отраженному и рассеянному солнечному излучению из космоса // ИсследованияЗемли из космоса. 1996. С.52-58