Экологические проблемы атмосферы и озоносферы, их влияние на биосферу Земли

Содержание

 

 

 

Введение

 

Актуальность проблемы. Атмосфера  представляет собой газовую оболочку, окружающую планету. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава Земли, а также определяются историей ее формирования, начиная с момента зарождения. В этом смысле атмосфера Земли образована смесью газов, называемой воздухом. Ее основные составляющие - азот и кислород в соотношении приблизительно 4:1.

На человека оказывает воздействие  главным образом состояние нижних 15-25 км атмосферы, поскольку именно в этом слое сосредоточена основная масса воздуха. Наука, изучающая  атмосферу, называется метеорологией, хотя предметом этой науки являются также погода и ее влияние на человека.

Самый нижний, приземный  слой атмосферы особенно важен для  человека, который обитает в месте  контакта твердой, жидкой и газообразной оболочек Земли. Озоновый слой — часть стратосферы на высоте от 12 до 50 км, в котором под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца кислород (О₂) ионизируется, приобретая третий атом кислорода, и получается озон (О₃). Относительно высокая концентрация озона (около 8 мл/м³) поглощает опасные ультрафиолетовые лучи и защищает всё живущее на суше от губительного излучения.

Хозяйственная деятельность человечества в течение последнего столетия привела к серьезному загрязнению  нашей планеты разнообразными отходами производства. Воздушный бассейн, воды и почва в районах крупных промышленных центров часто содержат токсичные вещества, концентрация которых превышает предельно допустимую.

Объект исследования – атмосфера и ее роль в биосфере Земли.

Цель исследования –  изучить роль атмосферы и функции  озоносферы в биосфере Земли.

Задачи исследования:

1. Осуществить анализ специальной литературы по вопросу роли атмосферы и функции озоносферы в биосфере Земли;

2. Рассмотреть экологические проблемы атмосферы и озоносферы, их влияние на биосферу Земли;

3. Определить пути решения проблемы загрязнении атмосферы.

Структура исследования. Курсовая работа состоит из введения двух глав, заключения, списка литературы.

 

Глава 1. Анализ специальной  литературы по вопросу роли атмосферы  и функции озоносферы в биосфере Земли

1.1. Общая характеристика атмосферы Земли

 

В настоящее время  Земля обладает атмосферой массой несколько  менее миллионной доли массы планеты. Вблизи поверхности она содержит 78,08% азота, 20,05% кислорода, 0,94% инертных газов, 0,03% углекислого газа и в  незначительных количествах другие газы. Давление и плотность в атмосфере убывают с высотой. Половина воздуха содержится в нижних 5-6 км, а почти вся вторая половина сосредоточена до высоты 11,3 км. На высоте 9,5 километров плотность воздуха в миллион раз ниже, чем у поверхности.

 На этом уровне  и химический состав атмосферы  уже иной. Растёт доля лёгких  газов, и преобладающими становятся  водород и гелий. Часть молекул  разлагается на ионы, образуя  ионосферу. Выше 1000 км находятся  радиационные пояса. Их тоже  можно рассматривать как часть атмосферы, заполненную очень энергичными ядрами атомов водорода и электронами, захваченными магнитным полем планеты¹.

Состояние верхних слоев  атмосферы, расположенных на высотах  от 60 до 300 и даже 1000 км от поверхности  Земли, также изменяется. Здесь развиваются сильные ветры, штормы и проявляются такие удивительные электрические явления, как полярные сияния. Многие из перечисленных феноменов связаны с потоками солнечной радиации, космического излучения, а также магнитным полем Земли. Высокие слои атмосферы - это также и химическая лаборатория, поскольку там в условиях, близких к вакууму, некоторые атмосферные газы под влиянием мощного потока солнечной энергии вступают в химические реакции. Наука, изучающая эти взаимосвязанные явления и процессы, называется физикой высоких слоев атмосферы.

Пока ракеты-зонды  и искусственные спутники не исследовали  внешние слои атмосферы на расстояниях, в несколько раз превосходящих  радиус Земли, считалось, что по мере удаления от земной поверхности атмосфера становится более разреженной и плавно переходит в межпланетное пространство.

 Сейчас установлено,  что потоки энергии из глубоких  слоев Солнца проникают в космическое  пространство далеко за орбиту  Земли, вплоть до внешних пределов  Солнечной системы. Этот так  называемый "солнечный ветер" обтекает магнитное поле Земли, формируя удлиненную "полость", внутри которой и сосредоточена земная атмосфера. Магнитное поле Земли заметно сужено с обращенной к Солнцу дневной стороны и образует длинный язык, вероятно выходящий за пределы орбиты Луны, - с противоположной, ночной стороны.

 Граница магнитного  поля Земли называется магнитопаузой.  С дневной стороны эта граница  проходит на расстоянии около  семи земных радиусов от поверхности,  но в периоды повышенной солнечной  активности оказывается еще ближе к поверхности Земли. Магнитопауза является одновременно границей земной атмосферы, внешняя оболочка которой называется также магнитосферой, так как в ней сосредоточены заряженные частицы (ионы), движение которых обусловлено магнитным полем Земли.

Общий вес газов атмосферы  составляет приблизительно 4,5·10¹⁵ т. Таким образом, "вес" атмосферы, приходящийся на единицу площади, или атмосферное давление, составляет на уровне моря примерно 11 т/м².

Из сказанного выше следует, что Землю от межпланетного пространства отделяет мощный защитный слой. Космическое пространство пронизано мощным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца и еще более жестким космическим излучением, и эти виды радиации губительны для всего живого. На внешней границе атмосферы интенсивность излучения смертоносна, но значительная его часть задерживается атмосферой далеко от поверхности Земли. Поглощением этого излучения объясняются многие свойства высоких слоев атмосферы и особенно происходящие там электрические явления.

Самый нижний, приземный  слой атмосферы особенно важен для  человека, который обитает в месте  контакта твердой, жидкой и газообразной оболочек Земли. Верхняя оболочка "твердой" Земли называется литосферой.

 Около 72% поверхности  Земли покрыто водами океанов, составляющими большую часть гидросферы. Гидросфера Земли Вода покрывает более 70% поверхности земного шара, а средняя глубина Мирового океана около 4 км. Масса гидросферы примерно 1,46∙10²¹ кг. Это в 275 раз больше массы атмосферы, но лишь 1/4000 от массы всей Земли. Гидросферу на 94% составляют воды Мирового океана, в которых растворены соли (в среднем 3,5%), а также ряд газов. Верхний слой океана содержит 140 трлн. тонн углекислого газа, а растворённого кислорода - 8 трлн. тонн².

Атмосфера граничит как с литосферой, так и с гидросферой. Человек живет на дне воздушного океана и вблизи или выше уровня океана водного. Взаимодействие этих океанов является одним из важных факторов, определяющих состояние атмосферы.

 Нижние слои атмосферы  состоят из смеси газов: азот (78,08%), кислород (20,95%), аргон (0,93%), углекислый газ (0,03%), неон (0,0018%), гелий (0,0005%), криптон (0,0001%), водород (0,00005), ксенон (0,000009%).

Кроме приведенных в  таблице, в виде небольших примесей в воздухе присутствуют и другие газы: озон, метан, такие вещества, как оксид углерода, оксиды азота и серы, аммиак.

В высоких слоях атмосферы  состав воздуха меняется под воздействием жесткого излучения Солнца, приводящего  к распаду молекул кислорода  на атомы. Атомарный кислород является основным компонентом этих слоев атмосферы. Наконец, в наиболее удаленных от поверхности Земли слоях атмосферы главными компонентами становятся самые легкие газы - водород и гелий.

 Поскольку основная  масса вещества сосредоточена  в нижних 30 км, то изменения состава воздуха на высотах более 100 км не оказывают заметного влияния на общий состав атмосферы.

 Солнце является  главным источником энергии, поступающей  на Землю. Находясь на расстоянии  около 150 млн. км от Солнца, Земля  получает примерно одну двухмиллиардную часть излучаемой им энергии, главным образом в видимой части спектра, которую человек называет "светом". Большая часть этой энергии поглощается атмосферой и литосферой. Земля также излучает энергию, в основном в виде длинноволновой инфракрасной радиации. Таким образом, устанавливается равновесие между получаемой от Солнца энергией, нагреванием Земли и атмосферы и обратным потоком тепловой энергии, излучаемой в пространство.

 Механизм этого  равновесия крайне сложен. Пыль  и молекулы газов рассеивают свет, частично отражая его в мировое пространство. Еще большую часть приходящей радиации отражают облака. Часть энергии поглощается непосредственно молекулами газов, но в основном - горными породами, растительностью и поверхностными водами. Водяной пар и углекислый газ, присутствующие в атмосфере, пропускают видимое излучение, но поглощают инфракрасное. Тепловая энергия накапливается главным образом в нижних слоях атмосферы. Подобный эффект возникает в теплице, когда стекло пропускает свет внутрь и почва нагревается. Поскольку стекло относительно непрозрачно для инфракрасной радиации, в парнике аккумулируется тепло. Нагрев нижних слоев атмосферы за счет присутствия водяного пара и углекислого газа часто называют парниковым эффектом.

 Существенную роль  в сохранении тепла в нижних слоях атмосферы играет облачность. Если облака рассеиваются или возрастает прозрачность воздушных масс, температура неизбежно понижается по мере того, как поверхность Земли беспрепятственно излучает тепловую энергию в окружающее пространство. Вода, находящаяся на поверхности Земли, поглощает солнечную энергию и испаряется, превращаясь в газ - водяной пар, который выносит огромное количество энергии в нижние слои атмосферы. При конденсации водяного пара и образовании при этом облаков или тумана эта энергия освобождается в виде тепла. Около половины солнечной энергии, достигающей земной поверхности, расходуется на испарение воды и поступает в нижние слои атмосферы³.

Таким образом, вследствие парникового эффекта и испарения  воды атмосфера прогревается снизу. Этим отчасти объясняется высокая активность ее циркуляции по сравнению с циркуляцией Мирового океана, который прогревается только сверху и потому значительно стабильнее атмосферы.

Помимо общего нагревания атмосферы солнечным "светом", значительное прогревание некоторых ее слоев происходит за счет ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца.

 По сравнению с  жидкостями и твердыми телами, в газообразных веществах сила  притяжения между молекулами  минимальна. По мере увеличения  расстояния между молекулами газы способны расширяться беспредельно, если им ничто не препятствует. Нижней границей атмосферы является поверхность Земли. Строго говоря, этот барьер непроницаем, так как газообмен происходит между воздухом и водой и даже между воздухом и горными породами, но в данном случае этими факторами можно пренебречь.

 Поскольку атмосфера  является сферической оболочкой,  у нее нет боковых границ, а  имеются только нижняя граница  и верхняя (внешняя) граница,  открытая со стороны межпланетного  пространства. Через внешнюю границу происходит утечка некоторых нейтральных газов, а также поступление вещества из окружающего космического пространства. Большая часть заряженных частиц, за исключением космических лучей, обладающих высокой энергией, либо захватывается магнитосферой, либо отталкивается ею.

На атмосферу действует  также сила земного притяжения, которая  удерживает воздушную оболочку у  поверхности Земли. Атмосферные  газы сжимаются под действием  собственного веса. Это сжатие максимально  у нижней границы атмосферы, поэтому и плотность воздуха здесь наибольшая. На любой высоте над земной поверхностью давление воздуха равно весу вышележащего столба атмосферы, приходящемуся на единицу площади. Поэтому с высотой давление монотонно уменьшается, а поскольку оно находится в прямой связи с плотностью, то и плотность воздуха уменьшается с высотой.

Если бы атмосфера  представляла собой "идеальный газ" с не зависящим от высоты постоянным составом, неизменной температурой и  на нее действовала бы постоянная сила тяжести, то давление уменьшалось бы в 10 раз на каждые 20 км высоты. Реальная атмосфера незначительно отличается от идеального газа примерно до высоты 100 км, но затем давление с высотой убывает медленнее, так как изменяется состав воздуха. Небольшие изменения в описанную модель вносит и уменьшение силы тяжести по мере удаления от центра Земли, составляющее вблизи земной поверхности около 3% на каждые 100 км высоты.

В отличие от атмосферного давления, температура с высотой  не понижается непрерывно. Она убывает приблизительно до высоты 10 км, а затем вновь начинает расти. Это происходит при поглощении ультрафиолетовой солнечной радиации кислородом. При этом образуется газ озон, молекулы которого состоят из трех атомов кислорода. Он тоже поглощает ультрафиолетовое излучение, и поэтому этот слой атмосферы, называемый озоносферой, нагревается.

 Выше температура  вновь понижается, так как там  гораздо меньше молекул газа, и соответственно сокращается  поглощение энергии. В еще более  высоких слоях температура вновь  повышается вследствие поглощения атмосферой наиболее коротковолнового ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Под воздействием этого мощного излучения происходит ионизация атмосферы, т.е. молекула газа теряет электрон и приобретает положительный электрический заряд. Такие молекулы становятся положительно заряженными ионами. Благодаря наличию свободных электронов и ионов этот слой атмосферы приобретает свойства электропроводника.

 Полагают, что температура  продолжает повышаться до высот,  где атмосфера переходит в межпланетное пространство. На расстоянии нескольких тысяч километров от поверхности Земли, вероятно, преобладают температуры от 5000 °C до 10000 °C. Хотя молекулы и атомы имеют очень большие скорости движения, а следовательно, и высокую температуру, этот разреженный газ не является "горячим" в привычном смысле. Из-за мизерного количества молекул на больших высотах их суммарная тепловая энергия весьма невелика.

 Таким образом,  атмосфера состоит из отдельных  слоев (т.е. серии концентрических  оболочек, или сфер), выделение которых зависит от того, какое свойство представляет наибольший интерес. На основании осредненного распределения температур метеорологи разработали схему строения идеальной "средней атмосферы".

1.2. Функции озоносферы в атмосфере Земли

 

Биосфера тесно связана с  космической средой. Каждую секунду  на площадь в 1 м² через границу  земной атмосферы из космоса в  направлении земной поверхности  влетает более 1000 заряженных частиц. Космическое излучение смогло бы за короткий срок разложить на ионы и электроны весь воздух атмосферы. Жизнь на Земле стала бы невозможна.