Промышленные технологические процессы и ТЭЦ потребляют около 23 % кислорода, вырабатываемого растениями. По некоторым оценкам, к 2000 г, на это будет уходить 95 % кислорода, генерируемого флорой планеты.

Загрязнение географической оболочки и геологической среды промышленными выбросами приводит к тому, что неизбежно происходит обогащение живых организмов токсичными элементами, не участвующими в обмене веществ в ходе их жизненного цикла (табл. 2.4). Концентрации токсикантов в растениях, водорослях и других организмах на несколько порядков превышают их содержание в почвах, природных водах и воздухе. Естественен переход этих элементов в пищевые цепи человека, что негативно сказывается на продолжительности его жизни.

Мощное антропогенное воздействие приводит также к нарушению теплового баланса Земли, к тепловому заражению атмосферы. Выделение техногенного тепла и повышение содержания углекислого газа в атмосфере создает парниковый эффект, проявляющийся в повышении температуры у дневной поверхности.

Таблица 2.4

Содержание тяжелых металлов в морской воде и морских организмах

Происходит непрерывное нарушение экологического равновесия, как "загрязнением нищетой" - за счет использования технологически устаревших, несовершенных производств, так и "загрязнением изобилием" - когда даже при современных экологически чистых технологиях нагрузка на окружающую среду прогрессивно растет за счет истощения природных ресурсов.

Помимо темпов роста народонаселения, прогрессивного потребления природных ресурсов и научно-технической революции, фактором, определяющим глобальные экологические изменения, являются также внешние долги государств мира.

Типичный пример - ситуация, сложившаяся с Россией в конце XX в. Долги отдельным странам и мировому сообществу в лице международного валютного фонда, полученные в форме разнообразных кредитов, вынуждают Россию наращивать добычу и продажу минерального сырья, заготовку деловой древесины, принимать на хранение и переработку радиоактивные и другие вредоносные высокотоксичные производственные отходы. Тем самым создается комплекс экологических проблем, оказывающих непосредственное влияние на глобальные экологические изменения и формирующие глобальный экологический кризис.

2.6. Современные концепции взаимоотношения природы, общества и человека

Вместе с тем, исторически сложились и до сих пор продолжают противостоять друг другу прямо противоположные представления о взаимоотношениях человека и общества с окружающей средой. К ним относятся так называемые концепции технократического оптимизма и экологического алармизма [5].

Концепция технократического оптимизма. В основе концепции технократического оптимизма лежит положение о неисчерпаемости природных ресурсов и полном господстве человека над природой. Несмотря на очевидность негативных последствий научно-технического прогресса, приведшего за время жизни одного - двух поколений людей к антропогенной деградации экосистем, часть научной общественности разных стран обосновывала необходимость и неизбежность прогрессирующего использования природы во имя процветания человека.

Частичное осуществление плана преобразования природы привело к локальным, региональным и даже межрегиональным экологическим кризисам. Примерами могут служить осуществленные проекты "регулирования рек" путем строительства каскадов гидросооружений.

Даже один из зачинателей природоохранного движения в нашей стране А.Д. Арманд (1974), исповедуя идеи "конструктивного преобразования природы", считал возможным глобальное изменение природных ландшафтов. На Земле, по его мнению, не должно быть неиспользованных территорий. Большая их часть (90 %) должна быть охвачена производственной деятельностью человека. Примерно 9% необходимо отвести под рекреации, создав в них обстановку, приближающуюся к естественной. Наконец, 1 % надо оставить под заповедники. При составлении проектов не следует бояться коренного преобразования природы.

Технократические взгляды на взаимодействие природы, общества и человека были свойственны и западным, в основном американским, исследователям. Так, по мнению Д. Эллула (1974), техника подчиняется своим собственным законам и все больше овладевает элементами цивилизации, превращая человека в ее объект.

В России фактическое следование концепции технократического оптимизма породило появление на свет и частичную реализацию таких антиэкологических проектов, как поворот северных рек на юг, расточительная эксплуатация нефтяных и железорудных месторождений Западной Сибири и Курской магнитной аномалии, строительство целлюлозно-бумажного комбината на Ангаре и др.

Концепция экологического алармизма. Связанный с научно-технической революцией экологический кризис породил в западной науке течение, представители которого акцентировали внимание на катастрофических последствиях воздействия человека на природу и необходимости принятия немедленных решений для оптимизации системы природа - общество. Это течение получило название алармизма (от англ. alarm - тревога, страх).

На волне алармизма в 1968 г. группа ученых, промышленников и политических деятелей из 25 стран (всего 30 человек) по инициативе управляющего фирмы "Фиат" экономиста Аурелио Печчеи образовала так называемый Римский клуб. Предельная численность Римского клуба была определена в 100 человек. Клуб взял на себя задачу исследовать глобальные кризисные процессы и наметить пути выхода из них независимо от интересов отдельных государств. По заданию клуба отдельная группа, состоящая из специалистов по кибернетике, естественным и инженерным наукам Массачусетского технологического института, под руководством Денниса и Донеллы Медоуз с 1971 по 1981 гг. подготовила серию "докладов Римского клуба" по самым острым проблемам. Наиболее известными из них являются два доклада: работа супругов Медоуз "Пределы роста" и доклад кибернетиков Мессаровича (США) и Пестеля (ФРГ) "Человечество на перепутье". Работы финансировались транснациональной корпорацией «Фольксваген».

Основные положения большинства разработок сводились к следующему:

1. Технологический прогресс жизненно важен, но требует при этом социально-экономических и политических изменений.

2. Народонаселение и ресурсы не могут расти беспредельно на конечной планете.

3. Отсутствует надежная и полная информация о жизненно необходимых ресурсах Земли, способных удовлетворить потребности растущего населения. Снижение роста их потребления уменьшит вероятность экологических бедствий и катастроф.

4. Народы, страны и окружающая среда находятся в более тесной зависимости друг от друга, чем это обычно представляется. Поэтому действия, направленные на достижение узко ограниченных целей, чаще всего непродуктивны.

5. Природа будущего не предопределена; многое зависит от того, как скоро изменятся существующие нежелательные тенденции.

6. Действия по предотвращению опасных последствий окажутся более эффективными и менее дорогостоящими, чем те же действия, предпринятые с опозданием. Это требует сильного руководства и более широкой макрообразованности, поскольку к тому времени, когда проблема станет очевидной каждому, предпринимать какие бы то ни было действия, будет уже слишком поздно.

Главные выводы исследований допускают один из трех возможных сценариев развития:

а) в случае истощения природных ресурсов неизбежно замедление промышленного и сельскохозяйственного производств с последующим падением численности населения Земли и экологической катастрофой;

б) организация достаточно эффективной защиты природной среды обеспечит еще более форсированный рост народонаселения, вытекающую отсюда нехватку пахотных земель и экологический кризис;

в) при практически не ограниченных природных ресурсах с неизбежностью прогнозируется гибель цивилизации от загрязнения,

Приведенные сценарии не относятся к числу оптимистических. Первые три доклада Римского клуба (третья работа - доклад-проект - была подготовлена коллективом авторов под руководством Яна Тинбергена под названием РИО и называлась «Преобразование международного порядка», 1976 г.) указали на опасность экологической катастрофы, что вызвало у людей чувство безысходности и усиления пессимистических настроений. Поэтому назрела необходимость предложить людям оптимистический взгляд на будущее человечества. В связи с этим Римский клуб предложил подготовить новый (четвертый) доклад коллективу авторов по главе с Эрвином Ласло. Авторы стремились сформулировать основные цели для будущего различных географических регионов, государств, идеологий, политических партий и религий в мире, найти общие интересы для всех народов. Общими интересами наций, которые часто вступали в политические и военные конфликты между собой, были признаны глобальные цели безопасности, обеспечение продуктами питания, сохранение энергии и природных ресурсов. Пятым докладом Римского клуба считается научный труд «После эры расточительства», который был опубликован в 1978 г. Авторами данного труда были Д. Габор, У. Коломбо, А Кинг, Р. Галди. Эти исследователи отмечали роль и широкие возможности науки и техники при решении проблем нехватки продуктов питания, энергии, сырья и материалов. По их мнению, может быть найдена альтернативная замена любому продукту. Однако они считают, что нет экономически обоснованного способа производства достаточного количества энергии. Указывалось также на необходимость оказания помощи развивающимся странам в передаче им технологий и капитала.

Доклады Римского клуба имели как сторонников, так и противников не только в научной среде, но и в кругах широкой общественности. Однако наряду с критикой первого доклада английские ученые выразили признательность его авторам за напоминание широкой общественности о той опасности, которая нависла над окружающей средой, и о ее последствиях. Благодаря усилиям Римского клуба быстро возросла международная осведомленность о мировой проблематике, в первую очередь, в области выживания человечества, состояния экосистем, причин и последствий антропогенной деятельности и ее влияния на природу.

Работы Римского клуба, как и сама концепция экологического алармизма, не потеряли своей актуальности и до настоящего времени. Недоучет и невнимание к ее основным положениям приводят к таким экологическим катастрофам, как авария Чернобыльской АЭС, произошедшая в то время, когда доклады Римского клуба были уже широко известны.

Время стихийного развития человечества заканчивается, наступает эпоха управляемого развития.

Экологический кризис заставляет человечество отказаться от господствующей в настоящее время экономической парадигмы. Как считает известный эколог и политолог Э. Фон Вайцзекер, современная экономическая парадигма должна уступить место экологической парадигме. Американский физик-теоретик Ф. Дайсон предвидит возникновение «зеленой» технологии, которая будет строиться на тex же принципах самоорганизации, что и живая природа. Эффективным методом исследования самоорганизации земных оболочек становится синергетика (от греч. synergia - содружество, коллективное поведение) - наука, изучающая системы, состоящие из многих подсистем самой различной природы; наука о самоорганизации простых систем и превращении хаоса в порядок.

3. ЭКОЛОГИЯ АТМОСФЕРЫ

3.1. Основные особенности атмосферы

Современная земная атмосфера - многокомпонентная оболочка Земли массой менее 10-6 от массы Земли и радиусом порядка 10-3 радиуса Земли. Непосредственное влияние на человека в основном оказывает тонкий слой приземной атмосферы, высота которого составляет несколько сот метров. Именно этот атмосферный слой подвергается наибольшим воздействиям в результате деятельности человека, определяя условия жизнедеятельности биоты, а также климатических изменений.

Эффективность контроля и прогноза климатоэкологических изменений достигается только при реализации достаточно полного мониторинга с учетом всех климатообразующих и экологических факторов, влияющих на земную атмосферу. Исследования состояния и изменений атмосферы являются ключевыми для решения не только текущих социально-экономических задач, но и проблем устойчивого развития цивилизации в целом.

Общие сведения о строении атмосферы. Первая группа компонент атмосферы - механическая смесь газов в атомарном, молекулярном или кластерном (комплекс из нескольких атомов или молекул) состояниях. Чаще всего именно главные компоненты атмосферы имеют в виду, когда употребляют термин "атмосферный воздух". Газы земной атмосферы находятся как в нейтральном, так и в ионизованном состоянии. Атмосфера является азотно-кислородной средой, так как объемное содержание нейтральных молекул азота N2 (78%) и кислорода О2 (21%) в нижних слоях атмосферы является подавляющим. Тем не менее функциональная роль многих других атмосферных газов (водяного пара, углекислого газа СО2, озона О3) остается столь значительной, что их также относят к числу основных газов. Другие атмосферные газы естественного и индустриального происхождения принято называть малыми газовыми примесями.

Второй важнейшей группой компонент атмосферы являются атмосферные аэрозоли - взвешенные в воздухе частицы твердого тела или капли жидкости природного и антропогенного происхождения. Аэрозоль с жидкими (туман, облако) и твердыми частицами (пыль, дым, смог) постоянно присутствует в атмосфере, но варьируется в широких пределах по размерам (от кластеров до дождевых капель) и по концентрации.

Третью важную группу компонент атмосферы составляют физические поля, определяющие многие свойства и структуру земной атмосферы. По влиянию на атмосферные процессы, а через них и на условия жизни и хозяйственную деятельность человека на планете можно выделить:

электромагнитное поле, включающее в свой состав оптическое излучение (ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное);

гравитационное поле, определяемое преимущественно полем тяготения Земли;

электростатическое поле (атмосферное электричество), характеристики которого в земной атмосфере варьируют в широком диапазоне и являются важными параметрами для многих атмосферных процессов и явлений;

магнитное поле Земли (геомагнетизм):

космические лучи как особый сверхкороткий диапазон электромагнитных волн - поток заряженных частиц высокой энергии (в основном протонов).

Все компоненты земной атмосферы имеют неоднородное распределение вдоль земной поверхности и по высоте. Изменяются также и основные физические параметры этих компонент, неоднородность которых по высоте выражена более четко, чем по горизонтали.

Из многих признаков, на основе которых атмосферу делят на слои (сферы), наиболее употребительным является изменение ее температуры по высоте. Общеприняты пять слоев атмосферы: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Определяющим слоем, в котором происходят основные процессы, влияющие на климатоэкологическую обстановку, является тропосфера, которая характеризуется падением температуры с высотой в среднем 6,5 оС на 1 км при возможных отклонениях до 3 оС на 1 км в ту или другую сторону. Именно в тропосфере образуются туманы и все наиболее важные виды облаков, формируются осадки, грозовая деятельность. В полярных и умеренных широтах высота тропосферы достигает 8...12 км, а в тропиках 16,...18 км.

Основные газовые составляющие. На долю азота, кислорода и аргона в сухом воздухе приходится 99,96 %. Состав сухого воздуха (без учета водяного пара) для некоторых газов с устойчивой концентрацией приведен в табл. 3.1. Под объемным содержанием газа понимается отношение молекулярной массы этого газа к молекулярной массе сухого воздуха, равной по углеродной шкале 28,9645 кг/моль. Полное содержание газа в вертикальном столбе представляет собой количество этого газа, собранного в виде слоя, при стандартных условиях (при температуре 0 0С и при давлении 1 атм = 1013,2 ГПа).

К малым газовым составляющим атмосферы относятся указанные в табл. 3.1., начиная с углекислого газа и ниже, водяной пар, озон, многие газы индустриального происхождения, вызывающие загрязнение атмосферы и называемые антропогенными газовыми примесями и др.

Водяной пар - переменная газовая составляющая атмосферы, определяющая состояние влажного воздуха. Главными источниками и стоками водяного пара являются процессы его испарения с поверхности океанов, морей, водоемов, влажной почвы и растений, а также процессы конденсации при образовании туманов, облаков, осадков, росы, инея и т.д.

Таблица 3.1

Состав сухого воздуха вблизи поверхности Земли

Водяной пар относится к числу сильно поглощающих оптическое излучение газов, которые существенно влияют на радиационный режим в атмосфере и часто называются парниковыми газами. Наиболее интенсивная и широкая полоса поглощения имеет центр около длины волны 6,25 мкм.

Озон относится к довольно изменчивым газовым составляющим атмосферы. Образование в атмосфере молекул озона О3 происходит как под влиянием поглощения ультрафиолетового излучения молекулами кислорода, так и при электрических разрядах.

При взаимодействии с окружающей средой озон как мощный окислитель оказывает медико-биологическое воздействие. ПДК для озона по стандартам России составляет по среднесуточной концентрации 0,03 мг/м3 и по максимально разовой 0,16 мг/м3 с первым классом опасности. Вклад приземного озона в его общее содержание в атмосфере невелик, но локальные концентрации могут достигать опасных для живой природы значений и в несколько раз превышать уровень ПДК.

Углекислый газ также относится к малым газовым составляющим и распределен в атмосфере более однородно чем водяной пар и озон. Среднее содержание СО2 в современной атмосфере оценивается в 2,31018г или 0,033 % (330 млн-1) объема атмосферного воздуха с устойчивой тенденцией к увеличению.

Углекислый газ является сильно поглощающей оптическое излучение газовой составляющей атмосферы, играющей главную роль в парниковом эффекте. Определяющими являются две полосы поглощения: с центром около 15 мкм с диапазоном сильного поглощения 12...20 мкм и с центром около 4,3 мкм. Обе полосы своей центральной областью полностью поглощают солнечное излучение и тепловое излучение земной поверхности в вертикальном столбе атмосферы.

Другие малые газовые составляющие природного происхождения во многих случаях также оказывают значительное влияние на состояние и процессы в земной атмосфере. К наиболее значимым относятся: метан СН4, оксид углерода СО, закись азота N2O, диоксид серы SO2.

Другие составляющие преимущественно антропогенного происхождения принято называть антропогенными примесями. Объемы их поступления в атмосферу возрастают и оказывают неблагоприятное действие на окружающую среду.

Учет источников загрязнения атмосферного воздуха и инвентаризация выбросов в настоящее время осуществляются во многих странах мира, в том числи и в России. В табл. 3.2 приведена характеристика некоторых токсичных газовых примесей, а также токсичных паров тяжелых металлов в земной атмосфере.

Таблица 3.2. Характеристика некоторых антропогенных

примесей в земной атмосфере

Атмосферные аэрозоли. Все взвешенные в воздухе частицы твердого тела (пыль, дым, ледяные кристаллы, снежинки и др.) или жидкости (туман, облака, дождевые капли и др.) имеют широкий спектр частиц по размерам и природе образования, а также по процессам их эволюции и переноса. В специальной литературе принято отдельно рассматривать мельчайшие частицы в атмосфере, называемые ядрами конденсации, тропосферный, стратосферный и антропогенный аэрозоль, туманы и облака, а также осадки.

Ядра конденсации - частицы радиусом от 0,005 мкм до нескольких микрон. Наиболее крупные из них образуют так называемую атмосферную дымку и за счет рассеяния солнечного излучения ограничивают дальность видимости удаленных объектов. Ядра конденсации являются продуктом сложной совокупности физических и химических процессов в атмосфере и, в свою очередь, определяют широкое разнообразие и большую пространственно-временную изменчивость физических характеристик и химического состава всех составляющих атмосферного аэрозоля природного происхождения.

Тропосферный аэрозоль включает субмикронную (в том числе ядра конденсации) и грубодисперсную фракции (с радиусом частиц более 5 мкм). Генератором тропосферного аэрозоля является океаническая (морская) поверхность, над которой вследствие испарения капель морской воды образуются взвешенные в воздухе частицы, а также поверхность суши, над которой за счет почвенно-эрозийных процессов образуются почвенные аэрозоли с большим разнообразием химического состава и неоднородностью зонального распределения.

Стратосферный аэрозоль, находящийся в специфических физико-химических условиях, в значительной мере взаимодействует с тропосферным аэрозолем.

Фоновая концентрация стратосферного аэрозоля находится в диапазоне до 10-10 см-3 для частиц с радиусом более 1 мкм и до 102 см-3 для частиц с радиусом менее 0,1 мкм. Главным генератором являются вулканические извержения, забрасывающие ежегодно до 105 т тонкодисперсного пепла, а также серосодержащие газы, НС1, HF и др.

К числу других источников стратосферного аэрозоля относятся потоки метеорного вещества (до 104 т/год) и антропогенные выбросы, обнаруживаемые пока на пределе чувствительности. Тропосфера при этом является постоянно действующим источником и стоком стратосферного аэрозоля.

Антропогенный аэрозоль, попадая в атмосферу во все возрастающем количестве (до 3106 т/год), является заметным фактором, существенно влияющим на экологическую ситуацию, что особенно сказывается при выбросе токсичных соединений. К числу последних относятся соединения ряда тяжелых металлов, выступающих в роли эффективных катализаторов атмосферных реакций окисления, а также некоторые органические соединения.

Концентрация частиц антропогенного аэрозоля зависит от интенсивности его генерации и времени его существования, составляющего несколько часов для частиц с радиусом более 10 мкм и несколько суток для субмикронной фракции. При этом интенсивность генерации определяется не только процессами с прямыми выбросами аэрозолей, среди которых наибольшее значение имеют процессы сгорания, но и процессами аэрозолеобразования из газовых примесей.

В имеющихся обзорах по антропогенному аэрозолю к числу его основных составляющих обычно относят частицы с сернистыми и нитратными соединениями, органические, сажу и пепел со следующими характеристиками:

сернокислотные, сульфатные и нитратные частицы являются продуктами преобразований серосодержащих газов и оксидов азота в светлое и темное время суток, основная доля сульфатных частиц имеет радиусы менее 1 мкм, а нитратные частицы имеют размеры, превышающие 1 мкм (до 10 мкм);

органические аэрозоли образуются в промышленных районах при горении топлива и конденсации летучих веществ на частицах с радиусом более 1 мкм, количество антропогенного аэрозоля этого типа выбрасывается в атмосферу до 8010 т/год и примерно равно среднегодовому поступлению органических аэрозолей природного происхождения;

сажевые частицы образуются при неполном сгорании топлива и в промышленных районах достигают концентрации до 30 мкг/м3; при медленном горении образуются хлопьеобразные частицы, а при быстром горении - преимущественно частицы с радиусом менее 1 мкм с временем жизни не более нескольких суток;

частицы пепла по своим оптическим свойствам аналогичны частицам почвенного аэрозоля и имеют размеры более 1 мкм, их важное значение связано с каталитическими и фотокаталитическими свойствами, обусловленными присутствием в них тяжелых металлов.

Туманы и облака относятся к особому классу крупнодисперсного атмосферного аэрозоля и рассматриваются в метеорологии как самостоятельные атмосферные явления. Конденсационная природа частиц в туманах и облаках объединяет эти аэрозольные образования, хотя имеются и различия, связанные с физическими условиями их образования. Туманом называют совокупность взвешенных а воздухе капель воды или кристаллов льда вблизи поверхности Земли с концентрацией частиц, ухудшающей дальность видимости до значений менее 1 км (при дальности видимости более 1 км аэрозольные образования называют атмосферной дымкой).

Водность туманов изменяется в широких пределах от 0,001 до 2 г/м3 и почти пропорциональна их интенсивности, определяемой дальностью видимости. Микроструктурные характеристики туманов не выходят за рамки тех, которые встречаются в облаках. В частности, распределение жидкокапельных частиц по размерам удовлетворительно описывается функцией гамма-распределения с модальным радиусом 4,5 мкм для большинства типов облаков и туманов.

Общими микроструктурными характеристиками для туманов и облаков является также фазовый состав. В облаках капли присутствуют и при очень низких температурах (вплоть до -40 0С). При этом активность микрофизических процессов и процесс формирования осадков в сильной степени зависят от фазового строения облаков.

Осадки являются основным стоком атмосферных аэрозолей, прошедших через процессы трансформации от ядер конденсации до облаков, с одной стороны, и основным источником увлажнения суши - с другой. Поэтому непосредственный интерес для многих сторон хозяйственной деятельности человека представляют пространственное распределение годового количества осадков, их пространственно-временная структура и химический состав. Важной интегральной характеристикой в умеренных и высоких широтах является снежный покров, наибольший для России на среднем Енисее (до 110 см) и в предгорьях Урала (до 90 см).

Атмосферные движения в земной атмосфере. Они относятся к тем сложным явлениям, при описании которых применение законов механики (законов Ньютона) осложняется необходимостью учета существенной неоднородности атмосферы и движения самой Земли. Поэтому до настоящего времени влияние атмосферных движений на климатоэкологические изменения оказывается трудно учитываемым и прогнозируемым. Тем не менее разработаны определенные подходы для учета существенного влияния атмосферных движений на аэрозольно-газовый состав атмосферы и климатическую систему. При реализации таких подходов принято выделять такие виды атмосферных движении, как общая циркуляция атмосферы, фронты и циклоны, ветер, атмосферная турбулентность.

Общая циркуляция атмосферы характеризует совокупность воздушных течений большого масштаба (в масштабах материков и океанов) и является результатом существующих макронеоднородностей температуры и давления на планете. Эти постоянные неоднородности, вызванные, прежде всего, разницей солнечной радиации на высоких и низких широтах, обусловливают глобальную составляющую скорости ветра в земной атмосфере. В связи с постоянной разностью температур в атмосфере на низких (экваториальных) и высоких (полярных) широтах возникает барический градиент, направленный вдоль меридиана от экватора к полюсам.

За счет суточного вращения Земли и возникающей силы Кориолиса движение воздуха вдоль барического градиента изменяет направление вправо в северном полушарии и влево в южном. Таким образом, в северном полушарии возникает западный ветер. Атмосфера не только участвует в суточном вращении Земли, но и перемещается с запада на восток по отношению к земной поверхности, т.е. опережает суточное вращение. Скорость западного ветра, как показывает анализ, увеличивается с высотой во всех слоях атмосферы - в тропосфере, стратосфере и мезосфере.

Фронты и циклоны относятся к тем видам мезомасштабных атмосферных движений, которые существенно изменяют картину общей циркуляции атмосферы.

Атмосферными фронтами называются поверхности раздела воздушных масс с различными свойствами. Эти поверхности в реальной атмосфере являются условными и представляют собой некоторую переходную зону (до 100 км) с большими горизонтальными градиентами температуры, влажности и других метеопараметров. Взаимодействие теплых и холодных воздушных масс сопровождается вертикальными потоками, и поэтому вертикальная линия фронта (линия равных градиентов) наклонена по отношению к земной поверхности.

Циклоны и антициклоны представляют собой барические образования с замкнутыми концентрическими изобарами с минимальным (циклоны) или с максимальным (антициклоны) давлением в центре. Горизонтальные размеры циклонов и антициклонов составляют сотни и тысячи километров. Перемещение циклонов в направлении общего переноса воздушных масс в средней и верхней атмосфере (обычно с запада на восток) со средней скоростью 3040 км/ч сопровождается усилением ветра, увеличением облачности и выпадением осадков. Менее подвижные антициклоны с преимущественным направлением перемещения в сторону низких широт сопровождаются, в отличие от циклонов, сухой и малооблачной погодой, сохраняющейся несколько суток без существенных изменений.

Ветер определяется в метеорологии как горизонтальная составляющая движения воздуха и является локальной характеристикой атмосферных движений всех масштабов. По физической природе принято выделять геострофизический, термический, градиентный и местные ветры. Все эти виды ветров сопутствуют общей и циклональной циркуляции в атмосфере, внося дополнительные и порой трудно предсказуемые региональные особенности в их общую картину.

Геострофизическим ветром называется установившееся горизонтальное движение воздуха в прямолинейных и равноотстоящих изобарах при отсутствии сил трения. Неизбежность такого ветра в свободной атмосфере (над пограничным слоем) следует из уравнения движения атмосферы, если рассмотреть горизонтальное движение ограниченного объема воздуха под влиянием силы градиентного давления, когда изобары наклонены к горизонту. Под влиянием силы Кориолиса это движение будет изменять свое направление до тех пор, пока не наступит равновесие сил, и объем воздуха не начнет двигаться вдоль изобар. Уже из этих соображений следует, что скорость геострофизического ветра по направлению совпадает с изобарами и так, что низкое давление оказывается слева в северном полушарии и справа в южном (барический закон ветра).

Термический ветер является частным случаем геострофизического, когда сила градиентного давления связана только с температурной стратификацией в свободной атмосфере. В зависимости от угла между градиентом давления и градиентом температуры и от соотношения их абсолютных величин наблюдается большое разнообразие вертикальных профилей геострофизического ветра. Крайними случаями являются отклонения направления градиента температуры от направления градиента давления в одну сторону, когда происходит перенос воздуха из области тепла (адвекция тепла), и в противоположную сторону, когда происходит перенос воздуха из области холода (адвекция холода).

Градиентный ветер определяется как установившееся горизонтальное движение воздуха при отсутствии сил трения и, следовательно, по определению является более общим понятием, чем геострофизический ветер. В отличие от последнего, который определяется для прямолинейных изобар, градиентный ветер в циклонах и антициклонах устанавливается для круговых изобар. В этом случае наступает равновесие трех сил барического градиента, кориолисовой и центробежной сил. Очевидно, что такое равновесие наступит при движении вдоль круговых изобар против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в Южном.

Местные ветры объединяют большое число ветров тех видов, которые вызываются орографическими особенностями местности и, в отличие от рассмотренных, устанавливаются в нижних слоях атмосферы. К числу наиболее типичных относится горно-долинные ветры, бризы и некоторые другие.

Атмосферная турбулентность почти всегда сопровождает движение воздушных потоков в земной атмосфере и порождает пространственно-временные пульсации не только скорости ветра, но и температуры, влажности и других метеопараметров. Развитие турбулентности связано с потерей ламинарным потоком гидротермодинамической устойчивости и с появлением крупномасштабных вихрей с так называемым внешним масштабом L0. Если число Рейнольдса в потоке воздуха велико, то такие крупные вихри становятся неустойчивыми и под влиянием сил инерции распадаются на более мелкие. Этот распад продолжается до тех пор, пока размеры вихрей не приблизятся к размеру l0, называемому внутренним масштабом (при числе Рейнольдса близком к единице). Для таких мелких вихрей силы трения становятся определяющими по сравнению с силами инерции, и их кинетическая энергия движения диссипирует в теплоту. Интервал масштабов между l0 и l0 называется инерционным.

В приземном слое величина l0 близка к высоте над земной поверхностью, а внутренний масштаб составляет несколько миллиметров. На больших высотах внешний масштаб увеличивается до нескольких сот метров и даже километров. Иногда к микротурбулентным относят и такие громадные вихри, как циклоны и антициклоны.

Описание структуры стохастической турбулентности основано на гипотезе Колмогорова о локальной однородности и изотропности поля скоростей. С учетом несжимаемости воздуха при турбулентных движениях такое поле скоростей эффективно описывается математическим аппаратом так называемых структурных функций. Структурная функция случайной скорости ветра DV(l) в точке l при одномерной записи для инерционного интервала выражается "законом 2/3" Колмогорова - Обухова

DV(l)={[V(l1 +l)-V(l1)]2}=, (3-1)

где СV - структурная постоянная, близкая к первой по результатам экспериментальных измерений; z - высота над подстилающей поверхностью, k - постоянная Кармана, k 0.4.

Величина v представляет собой некоторую характерную скорость, часто называемую скоростью трения и равную при грубых оценках 0,1 средней скорости ветра на высоте k 2 м.

Стохастическая турбулентность в земной атмосфере имеет существенное значение не только для средних физических характеристик атмосферы. Не меньшее значение имеют и флуктуационные явления, определяемые структурой атмосферной турбулентности. Все размеры турбулентных неоднородностей температуры (а соответственно плотности и коэффициента преломления) оказывают существенное влияние на оптические и акустические явления в атмосфере. Крупные размеры турбулентных неоднородностей плотности воздуха оказывают существенное влияние на аэродинамику природных и техногенных объектов, расположенных на земной поверхности или в атмосфере.

Атмосфера - это газовая оболочка, не имеющая четко выраженной верхней границы и существующая благодаря гравитационному притяжению Земли. Ее масса составляет 51015 т. 97 % всей массы сосредоточено в нижнем слое толщиной около 29 км (рис. 3.1).

По резкой смене температур в ней выделяют несколько слоев, границы между которыми носят название пауз (тропо-, страто-, мезопаузы) (рис. 3.2). В самом нижнем слое - тропосфере температура по мере удаления от поверхности падает от нормальной до минус 55 °С (полюса) - минус 75° С (экватор). В стратосфере происходит резкое повышение температуры с высотой, достигающее 0°С в стратопаузе на высоте 55 км. Мезосфера охватывает слой, располагающийся в интервале 55-80 км над поверхностью Земли с температурой в мезопаузе минус 85° С. В термосфере температура повышается, достигая на высоте 400 км 1200°С. Выше термосферы располагается экзосфера, представляющая собой переходную область между атмосферой и межпланетным пространством.

Рис. 3.1. Вертикальное распределение массы атмосферы

Рис. 3.2. Слои атмосферы, выделяемые по физическим свойствам

В состав атмосферы входят различные газы, атмосферная влага (водяной пар) и пыль. Основные составные части могут быть подразделены на три группы: постоянную, переменную и случайную. К постоянной группе относятся азот (около 78 %), кислород (21 %) и инертные газы (около 1 %). Содержание их практически не меняется в зависимости от широты и долготы местности. С высотой происходит уменьшение концентрации газов и перераспределение их относительной роли. В термо сфере происходит ионизация молекул азота и кислорода, вызванная поглощением солнечной радиации, из-за чего этот слой часто называют ионосферой.

В экзосфере гравитационное поле Земли не способно удерживать ионизированные газы, которые рассеиваются в космическом пространстве (зона диссипации).

Ко второй группе относятся диоксид углерода (0,02-0,04 %) и водяной пар (до 3%), к третьей - случайные компоненты, определенные местными условиями.

Так, вблизи металлургических заводов воздух часто содержит диоксид серы, в местах разложения органических остатков - аммиак.

Стратосфера в интервале 15-50 км содержит озон (О3), максимум концентрации которого отмечается на высотах 25-30 км. В "озоновом слое" содержится до 90 % общего количества атмосферного озона. Часть озона содержится и в тропосфере, где он образуется при грозовых разрядах и при воздействии на кислород разрядов, вызванных геоэлектричеством.

Если собрать весь озон атмосферы в один слой, то при нормальных условиях (давлении 1 атм и температуре 273°С) он будет иметь толщину всего лишь 0,3 см.

В обычных условиях озон представляет собой газ с резким специфическим запахом, является сильным ядом, превосходящим по токсичности синильную кислоту. Он обладает мутагенными и канцерогенными свойствами; действует на кровь, подобно ионизирующей радиации; в смеси с кислородом взрывоопасен. Таким образом, присутствие озона в тропосфере представляет определенную экологическую проблему, тем более что в последнее время отмечается рост его концентрации в приземных воздушных слоях. Озон может возникать в результате фотохимических реакции в воздухе, загрязненном антропогенными примесями, в первую очередь в больших городах.

Стратосферный озон из-за способности поглощать губительное для биосферы коротковолновое излучение (менее 0,4 мкм) позволяет ему быть защитным экраном планеты. На стратосферных высотах озон образуется при фотолизе (распаде веществ под действием поглощенного света) кислорода ультрафиолетовым излучением с длиной волны менее 240 нм и дальнейшем взаимодействии атмосферного кислорода, образовавшегося в результате фотолиза с молекулярным кислородом.

Процесс взаимодействия всех трех типов кислорода (одно-, двух- и трехатомных) с учетом фотолиза был рассмотрен впервые английским физиком Сидни Чейменом (1929) и получил название кислородного цикла или цикла Чепмена. В упрощенном виде он может быть записан следующим образом:

О2 О + О, < 240 мкм,

О + О2 + М О3 + М,

где М -- N2, О; и любые частицы, принимающие избыточную энергию соударения.

С другой стороны, под воздействием ультрафиолетовых лучей с большей длиной волны происходит разрушение молекул озона:

О3 О + О2, < 900 нм .

В атмосфере существуют определенные закономерности в распределении озона по времени, широте и высоте. В соответствии с суточными колебаниями послеобеденное содержание озона больше утреннего.

Максимальных значений содержание озона достигает весной, а осенью падает до минимума. Максимум концентрации озона приходится на высоту 25 км. С повышением широты максимум концентрации озонового слоя падает с 25 до 13 км (рис. 3.3, 3.4).

Рис. 3.3. Сезонные изменения концентрации озона с высотой

Рис. 3.4. Высотный профиль концентрации озона (а) и вертикальное распределение температуры в атмосфере (б)

Помимо газов, в составе атмосферы определенную роль играет водяной пар. Хотя он главным образом содержится в тропосфере и его проникновению в стратосферу препятствует тропопауза, являющаяся холодной ловушкой для водяного пара, тем не менее неконденсированные остатки воды проникают из тропосферы в стратосферу. На высоте около 30 км существуют области "перламутровых" облаков, состоящих из водного льда с вмороженными в него частицами разнообразных соединений азота, хлора и углерода.

Эти облака образуются как в результате разложения озона водородом (О3 + Н2 Н2О + О2), так и путем множества других реакций. У верхней границы мезосферы (80 км) происходит образование "серебристых" облаков, представляющих собой скопления ледяных кристалликов.

Важная особенность воздушной оболочки - ее запыленность, влияющая на прозрачность атмосферы. Естественным природным источником уменьшения прозрачности являются выбросы вулканического пепла. Кроме того, в результате вулканической деятельности в верхние слои атмосферы попадает огромное количество сернистого газа, который, окисляясь под воздействием солнечных лучей и реагируя с водяным паром, образует аэрозоль серной кислоты. Запыленности атмосферы способствует и антропогенная деятельность, значительно уменьшающая ее прозрачность.

3.2. Экологическая роль природных атмосферных процессов

Уменьшение прозрачности атмосферы за счет твердой пыли и аэрозолей способствует увеличению альбедо поверхности Земли. К тому же приводят и разнообразные химические реакции, приводящие к разложению озона и генерации перламутровых облаков водяного пара. Последние при их глобальном распространении также повышают отражательную способность Земли, что является возможной причиной климатических изменений и причиной оледенения.

Очевидно также, что изменение состава атмосферы определяет влагооборот и климат определенных территорий. Все эти вопросы рассматриваются в соответствующих разделах курса "Метеорология и климатология".

Отличительной чертой тропосферы является существование в ней атмосферной циркуляции, обусловленной неравномерным нагреванием, вызывающим различия в атмосферном давлении над разными участками земной поверхности. При возникновении разности в давлении воздух устремляется из области повышенного давления в область пониженного давления. Эти перемещения воздушных масс (или ветер) и определяют основные экологические геодинамические функции атмосферы.

Перепад давлений в определенных условиях определяет круговое движение воздушных потоков. По уменьшению кинетической энергии атмосферные вихри можно расположить в следующий ряд: циклоны, тайфуны, шквалы, смерчи (торнадо). Атмосферные вихри зарождаются вокруг мощных восходящих потоков теплого влажного воздуха и с большой скоростью вращаются по часовой стрелке в южном полушарии и против часовой - в северном. Циклоны и тайфуны зарождаются над океаном, шквалы и смерчи - чаще над континентами. Основными разрушительными факторами являются сильные ветры, интенсивные осадки в виде ливней, снегопада, града, а также нагонные наводнения.

Ветер со скоростью 3 м/с шевелит листья деревьев, 10 м/сек - качает толстые ветви, поднимает и переносит пыль и мелкий песок, 20 м/с - ломает ветви деревьев, переносит песок и гравий до 4 мм в поперечнике, 30 м/с (буря) - срывает крыши домов, вырывает деревья, ломает столбы, передвигает и переносит мелкий щебень и гальку, 40 м/с (ураган) - разрушает дома, ломает столбы линий электропередач, вырывает с корнем крупные деревья. Ветер со скоростью 30-35 м/с на море - шторм.

Циклон - гигантский атмосферный вихрь воронкообразной формы. Тропические циклоны имеют среднюю ширину в несколько сот километров, скорость ветра внутри циклона часто достигает ураганной силы и может превышать 250 км/ч, продолжительность циклона от нескольких дней до нескольких недель, скорость перемещения - от 50 до 200 км/ч. Циклоны средних широт имеют большой диаметр; поперечные размеры их составляют от тысячи до нескольких тысяч км; скорость ветра часто бывает штормовой, редко достигает ураганной силы, но обычно не превышает 40-70 км/ч; движутся они в основном с запада, отличаются меньшей повторяемостью. Северные циклоны сопровождаются катастрофическими снегопадом и градом.

Наиболее катастрофические последствия оказывают мощные тропические циклоны, количество которых достигает в некоторых странах нескольких десятков за 10 лет.

Особенно катастрофичны ураганы на океанских побережьях и островах, где ветер, кроме непосредственного воздействия на сушу, вызывает огромные волны, усиливающие разрушения и приводящие к наводнениям по долинам крупных рек (нагонные волны). Примером являются ежегодные наводнения в бассейне Амура. В Майами существует Национальный центр ураганов, эксперты которого вычислили, что летом 2000 г. в районе Мексиканского залива и в Карибском море зародится 11 тропических бурь. Семь из них окажутся ураганами со скоростью ветра около 120 километров час.

Большое негативное экологическое воздействие оказывают смерчи - атмосферные вихри со скоростью до 100 м/с, имеющие вид суженного в середине столба воздуха (вертикального или наклонного) с диаметром до нескольких десятков или сотен метров. Некоторые исследователи называют смерчи на суше метеорологическим тромбом, а смерч в океане - торнадо. При своем образовании смерч имеет вид воронки ("хобота"), спускающейся с облаков и (или) поднимающейся с поверхности земли.

Смерч проходит путь до нескольких десятков километров, втягивая в себя снизу пыль, воду, различные предметы, В 1944 г. в Воронежской области смерч вырвал из земли клад серебряных монет, в 1914 г, в одной из деревень Франции выпал дождь из лягушек, захваченных смерчем в болоте, находящемся на расстоянии нескольких десятков км.

Мощные смерчи, часто сопровождающиеся грозой, дождём, обладают большой разрушительной силой.

В Америке смерчи называют торнадо. Повторяемость торнадо в последние 10-20 лет увеличилась в 8-10 раз. Число смерчей на море значительно меньше, чем на суше. Рост числа торнадо в Северной Америке слабее, чем в Европе.

Основная причина увеличения количества торнадо - обезлесение- местности и, соответственно, образование больших открытых пространств, а также неравномерный нагрев поверхности земли, вызывающий климатические аномалии. Возможной второстепенной причиной учащения смерчей служит возникновение первичных завихрений при встречном движении скоростного транспорта. Наблюдается прямая математическая корреляция между этими явлениями - с увеличением числа транспортных средств возрастает количество смерчей.

На территории России за период с 1992 по 1995 г. произошло около 280 стихийных бедствий атмосферного характера.

Крупное стихийное бедствие произошло в г. Новороссийске в ноябре-декабре 1993 г. В течение 23 дней город испытывал воздействие ураганного ветра (20-40 м/с), сопровождавшегося снегом, метелями и гололедом. Потерпели крушение 10 судов, из которых 7 затонуло, 3 было выброшено на берег; погибло 5 человек. В ноябре 1995 г. произошел наиболее сильный за последние годы тайфун, охвативший Южный Сахалин, Камчатку и часть Приморского края. Летним шквалам и смерчам наиболее подвержены юго-запад Дальнего Востока, левобережье р. Волги, отдельные районы Урала, Северный Кавказ, побережье Черного моря. Так, огромный материальный ущерб принес сильный шквал (20-25 м/с) 13 августа 1994 г. на правобережье и северной половине левобережья Саратовской области, сопровождавшийся градом с размерами градин более 1 см. Смерч в Ивановской области 21 июня 1995 г. повредил 13 домов и разрушил ферму. По Петербургу 4 июня 2000 г. пронесся шквал и повалил дерево, которое придавило насмерть человека. Двадцать человек стали жертвами урагана, бушевавшего 16 декабря 2000 г. в американском штате Алабама. Последствия стихии оказались настолько катастрофическими, что власти вынуждены были объявить чрезвычайное положение. Пострадал небольшой г. Тускалуса, где торнадо превратил в развалины более 125 домов. Семь жителей города погибли, десятки ранены, двое пропали без вести. Во всем штате были повреждены линии электропередач и телекоммуникаций.

3.3. Антропогенные изменения атмосферы. Источники, загрязнители, загрязнения воздуха и их последствия

Природные и антропогенные факторы предопределяют существенные изменения в нормальном функционировании атмосферы, причем как в самых нижних, так и в высотных ее частях. В последние годы резко возросла роль антропогенных (техногенных) факторов.

Имеется множество различных источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение атмосферы и приводящих к серьезным нарушениям экологического равновесия. По своим масштабам наибольшее воздействие на биосферу оказывают два источника: транспорт и индустрия. В среднем на долю транспорта (например, в США) приходится 60 % общего количества атмосферных загрязнений, промышленности - 17 %, энергетики - 14 %, отопления и уничтожения отходов - 9 %.

Транспорт, в зависимости от используемого топлива, выбрасывает в воздух оксиды азота, серы, свинец и его соединения, оксид и диоксид углерода, сажу, бензопирен (вещество из группы поли циклических ароматических углеводородов, являющееся сильным канцерогеном, вызывающим рак кожи). Реальную причину гибели деревьев, растущих вдоль крупных автомагистралей столицы, установили специалисты в 2000 году. Выяснилось, что придорожные зеленые насаждения умирают не только и не столько от выхлопных газов, сколько под воздействием технической соли. Результаты исследования причин массового засыхания деревьев, посаженных у дорог, оказались сенсационными. Свое убийственное влияние техническая соль, которой зимой обильно посыпают столичные автотрассы, оказывает не на корневую систему дерева, а на его будущую листву. Соленые брызги, летящие из-под колес машин, и испарения, поднимающиеся на высоту до четырех метров, оседают на ветках близко от растущих деревьев. Через некотрое время их ветви покрываются настоящими соляными кристаллами. Таким образом, зреющие почки попадают в своеобразный футляр, который не дает им раскрыться в назначенное время. Дерево, лишенное возможности обзавестись зеленой кроной, вскоре попросту засыхает.