ГЛОБАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АТМОСФЕРЫ. ВОЗНИКНОВЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ АТМОСФЕРЫ.РОЛЬ АТМОСФЕРЫ В ПРИРОДНЫХ ПРОЦЕССАХ. ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ.

 ГЛОБАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АТМОСФЕРЫ. 

Атмосфера (от греч. атмос — пар и сфера — шар) — это газовая оболочка, не имеющая четко выраженной верхней границы и существующая благодаря гравитационному притяжению Земли. Атмосферу называют голубой кровлей Земли. Хотя масса ее по сравнению с Землей ничтожно мала и составляет всего одну миллионную массы планеты, значение атмосферы для жизни на Земле огромно. Ее масса составляет 5,15 • 1015 т. Состав у поверхности Земли следующий: азот — 78,1 %, кислород — 20,95 %, аргон — 0,93 % и в незначительных долях процента углекислый газ, водород, гелий, неон и другие газы. У земной поверхности содержание водяного пара меняется от 0,3 % в тропиках до 2 • 10-5 % в Антарктиде. По резкой смене температур в атмосфере выделяют несколько слоев (сфер). Границы между ними носят название пауз (тропопауза, стратопауза, мезопауза) (рис. 6.1). Каждый из слоев имеет специфические геофизические и геохимические свойства. Границы между сферами нерезкие и в зависимости от широты располагаются на разных высотах. В самом нижнем слое — тропосфере — температура по мере повышения высоты от земной поверхности падает до -55 °С у полюса и -75 °С у экватора. В ней сосредоточено 4/5 всей массы атмосферы. Она богата азотом и кислородом, насыщена парами воды и углекислым газом. Здесь протекают важные погодные процессы и образуются облака. Температура в тропосфере падает с высотой в среднем на 6 °С на каждый километр. Тропосфера простирается до высоты 12— 15 км и отделяется от стратосферы тропопаузой. В стратосфере происходит резкое повышение температуры, достигающее 0 °С на высоте 55 км, где проходит стратопауза. В стратосфере количество азота и кислорода уменьшается, а содержание водорода, гелия и других легких газов увеличивается. Между тропосферой и стратосферой располагается озоновый слой. Следующий слой атмосферы — мезосфера — располагается в интервале 55 — 95 км над поверхностью Земли. В ней продолжается падение температуры с увеличением высоты и достигает -70, -80 °С в мезопаузе. В термосфере температура повышается, достигая на высоте 400 км 1 200 °С. Ее нередко называют ионосферой, так как молекулы газов ионизированы космическим излучением, т.е. лишены верхних электронов и поэтому обладают положительным зарядом. Как и любой ионизированный газ, воздух в термосфере хорошо проводит электричество. К тому же термосфера обладает замечательным свойством — отражает радиоволны, что делает возможной дальнюю связь на Земле. Выше термосферы располагается экзосфера, представляющая собой переходную область между атмосферой и межпланетным пространством. Характерными ее особенностями являются преобладание газов в атомарном состоянии и очень малая плотность. Здесь наиболее легкие газы покидают атмосферу и рассеиваются в космическом пространстве. Стратосфера в интервале от 15 до 55 км содержит озон, состоящий из трех атомов кислорода (О3 ). Максимум его концентрации отмечается на высотах 17 — 25 км. В озоновом слое содержится до 90 % общего количества атмосферного озона. Небольшая часть озона возникает в тропосфере во время грозы и при электрических разрядах (рис. 6.2). Но довольно быстро озон в тропосфере разлагается и рассеивается. В обычных условиях озон представляет собой газ с резким специфическим запахом. Это сильный яд, превосходящий по токсичности синильную кислоту. Он обладает мутагенными и канцерогенными свойствами, действует на кровь, а в смеси с кислородом взрывоопасен. Его присутствие в значительных количествах в тропосфере представляет особую экологическую опасность. Он может возникать в результате фотохимических реакций в воздухе, загрязненном антропогенными примесями, и в первую очередь над крупными промышленными центрами. Стратосферный озон из-за его выдающейся способности поглощать ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов, стал настоящим защитным экраном нашей планеты. В стратосфере озон возникает под воздействием ультрафиолетовой солнечной радиации (длина волны от 0,01 до 0,39 мкм) с длиной волны менее 0,24 мкм, когда часть молекулярного кислорода распадается на атомы, которые затем пристраиваются к целым молекулам. На создание озонового слоя расходуется почти весь приток ультрафиолетовых лучей (рис. 6.3). Процесс взаимодействия одно-, двух- и трехатомного кислорода с учетом фотолиза был впервые рассмотрен английским физиком С. Чепменом в 1929 г. и получил название кислородного цикла, или цикла Чепмена. В атмосфере установлены определенные закономерности в распределении озона по времени суток, широте местности и высоте. Как оказалось, концентрация озона возрастает во второй половине суток, максимальных значений достигает весной, а осенью падает до минимума. 

ВОЗНИКНОВЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ АТМОСФЕРЫ.

Современная атмосфера представляет собой результат длительного эволюционного развития. Она возникла в результате совместных действий геологических факторов и жизнедеятельности организмов. В течение всей геологической истории земная атмосфера пережила несколько глубоких перестроек. На основе геологических данных и теоретических предпосылок первозданная атмосфера молодой Земли, существовавшая около 4 млрд лет назад, могла состоять из смеси инертных и благородных газов с небольшим добавлением пассивного азота (Н. А.Ясаманов, 1985; А. С.Монин, 1987; О. Г. Сорохтин, С. А.Ушаков, 1991, 1993). В настоящее время взгляд на состав и строение ранней атмосферы несколько видоизменился. Первичная атмосфера (протоатмосфера) на самой ранней протопланетной стадии, г. е. старше чем 4,2 млрд лет, могла состоять из смеси метана, аммиака и углекислого газа. В результате дегазации мантии и протекающих на земной поверхности активных процессов выветривания в атмосферу стали поступать пары воды, соединения углерода в виде С02 и СО, серы и ее соединений, а также сильных галогенных кислот — НС1, HF, HI и борной кислоты, которые дополнялись находившимися в атмосфере метаном, аммиаком, водородом, аргоном и некоторыми другими благородными газами. Эта первичная атмосфера была чрезвычайно тонкой. Поэтому температура у земной поверхности была близкой к температуре лучистого равновесия (А. С. Монин, 1977). С течением времени газовый состав первичной атмосферы под влиянием процессов выветривания горных пород, выступавших на земной поверхности, жизнедеятельности цианобактерий и синезеленых водорослей, вулканических процессов и действия солнечных лучей стал трансформироваться. Привело это к разложению метана на водород и углекислоту, аммиака — на азот и водород; во вторичной атмосфере стали накапливаться углекислый газ, который медленно опускался к земной поверхности, и азот. Благодаря жизнедеятельности синезеленых водорослей в процессе фотосинтеза стал вырабатываться кислород, который, однако, вначале в основном расходовался на окисление атмосферных газов, а затем и горных пород. При этом аммиак, окислившийся до молекулярного азота, стал интенсивно накапливаться в атмосфере. Как предполагается, значительная часть азота современной атмосферы является реликтовой. Метан и оксид углерода окислялись до углекислоты. Сера и сероводород окислялись до S02 и S03 , которые вследствие своей высокой подвижности и легкости быстро удалились из атмосферы. Таким образом, атмосфера из восстановительной, какой она была в архее и раннем протерозое, постепенно превращалась в окислительную. Углекислый газ поступал в атмосферу как вследствие окисления метана, так и в результате дегазации мантии и выветривания горных пород. В том случае, если бы весь углекислый газ, выделившийся за всю историю Земли, сохранился в атмосфере, его парциальное давление в настоящее время могло стать таким же, как на Венере (О.Сорохтин, С. А. Ушаков, 1991). Но на Земле действовал обратный процесс. Значительная часть углекислого газа из атмосферы растворялась в гидросфере, в которой он использовался гидробионтами для построения своей раковины и биогенным путем превращался в карбонаты. В дальнейшем из них были сформированы мощнейшие толщи хемогенных и органогенных карбонатов. Кислород в атмосферу поступал из трех источников. В течение длительного времени, начиная с момента возникновения Земли, он выделялся в процессе дегазации мантии и в основном расходовался на окислительные процессы. Другим источником кислорода была фотодиссоциация паров воды жестким ультрафиолетовым солнечным излучением. Появление свободного кислорода в атмосфере привело к гибели большинства прокариот, которые обитали в восстановительных условиях. Прокариотные организмы сменили места своего обитания. Они ушли с поверхности Земли в ее глубины и области, где еще сохранялись восстановительные условия. Им на смену пришли эукариоты, которые стали энергично перерабатывать углекислоту в кислород. В течение архея и значительной части протерозоя практически весь кислород, возникающий как абиогенным, так и биогенным путем, в основном расходовался на окисление железа и серы. Уже кконцу протерозоя все металлическое двухвалентное железо, находившееся на земной поверхности, или окислилось, или переместилось н земное ядро. Это привело к тому, что парциальное давление кислорода в раннепротерозойской атмосфере изменилось. В середине протерозоя концентрация кислорода в атмосфере достигала точки Юри и составляла 0,01 % современного уровня. Начиная с этого времени кислород стал накапливаться в атмосфере и, вероятно, уже в конце рифея его содержание достигло точки Пастера (0,1 % современного уровня). Возможно, в силурийском периоде возник озоновый слой и с этого времени уже никогда не исчезал. Появление свободного кислорода в земной атмосфере стимулировало эволюцию жизни и привело к возникновению новых форм с более совершенным метаболизмом. Если ранее эукариотные одноклеточные водоросли и цианеи, появившиеся в начале протерозоя, требовали содержания кислорода в воде всего 10-3 его современной концентрации, то с возникновением бесскелетных Metazoa в конце раннего венда, т.е. около 650 млн лет назад, концентрация кислорода в атмосфере должна была бы быть значительно выше. Ведь Metazoa использовали кислородное дыхание и для этого требовалось, чтобы парциальное давление кислорода достигло критического уровня — точки Пастера. В этом случае анаэробный процесс брожения сменился энергетически более перспективным и прогрессивным кислородным метаболизмом. После этого дальнейшее накопление кислорода в земной атмосфере происходило довольно быстро. Прогрессивное увеличение объема синезеленых водорослей способствовало достижению в атмосфере необходимого для жизнеобеспечения животного мира уровня кислорода. Определенная стабилизация содержания кислорода в атмосфере произошла с того момента, когда растения вышли на сушу, — примерно 450 млн лет назад. Выход растений на сушу, происшедший в силурийском периоде, привел к окончательной стабилизации уровня кислорода в атмосфере. Начиная с этого времени его концентрация стала колебаться в довольно узких пределах, никогда не выходивших за рамки существования жизни. Полностью концентрация кислорода в атмосфере стабилизировалась со времени появления цветковых растений. Это событие произошло в середине мелового периода, т.е. около 100 млн лет назад. Основная масса азота сформировалась на ранних стадиях развития Земли, главным образом за счет разложения аммиака. С появлением организмов начался процесс связывания атмосферного азота в органическое вещество и захоронения его в морских осадках. После выхода организмов на сушу азот стал захороняться и в континентальных осадках. Особенно усилились процессы переработки свободного азота с появлением наземных растений. На рубеже криптозоя и фанерозоя, т.е. около 650 млн лет назад, содержание углекислого газа в атмосфере снизилось до десятых долей процентов, а содержания, близкого к современному уровню, он достиг лишь совсем недавно, примерно 10 — 20 млн лет назад. Таким образом, газовый состав атмосферы не только предоставлял организмам жизненное пространство, но и определял особенности их жизнедеятельности, способствовал расселению и эволюции. Возникающие сбои в распределении благоприятного для организмов газового состава атмосферы как из-за космических, так и планетарных причин приводили к массовым вымираниям органического мира, которые неоднократно происходили в течение криптозоя и на определенных рубежах фанерозойской истории.

РОЛЬ АТМОСФЕРЫ В ПРИРОДНЫХ ПРОЦЕССАХ. 

Приземная атмосфера в силу своего промежуточного состояния между литосферой и космическим пространством и своего газового состава создает условия для жизнедеятельности организмов. Вместе с тем от количества, характера и периодичности атмосферных осадков, от частоты и силы ветров и особенно от температуры воздуха зависят выветривание и интенсивность разрушения горных пород, перенос и аккумуляция обломочного материала. Атмосфера выступает центральным компонентом климатической системы. Температура и влажность воздуха, облачность и осадки, ветер — все это характеризует погоду, т.е. непрерывно меняющееся состояние атмосферы. Одновременно эти же компоненты характеризуют и климат, т.е. усредненный многолетний режим погоды. Состав газов, наличие облачности и различных примесей, которые называются аэрозольными частицами (пепел, пыль, частички водяного пара), определяют особенности прохождения солнечной радиации сквозь атмосферу и препятствуют уходу теплового излучения Земли в космическое пространство. Атмосфера очень подвижна. Возникающие в ней процессы и изменения ее газового состава, толщины, облачности, прозрачности и наличие в ней тех или иных аэрозольных частиц воздействуют как на погоду, так и на климат. Действие и направленность природных процессов, а также жизнь и деятельность на Земле определяются солнечной радиацией. Она дает 99,98 % теплоты, поступающей на земную поверхность. Ежегодно это составляет 134 • 1019 ккал. Такое количество теплоты можно получить при сжигании 200 млрд т каменного угля. Запасов водорода, создающего этот поток термоядерной энергии в массе Солнца, хватит, по крайней мере, еще на 10 млрд лет, т.е. на период в два раза больший, чем существуют само Солнце и наша планета. Около 1/3 общего количества солнечной энергии, поступающей на верхнюю границу атмосферы, отражается обратно в мировое пространство, 13 % поглощается озоновым слоем (в том числе почти всяультрафиолетовая радиация), 7 % — остальной атмосферой и лишь 44 % достигает земной поверхности (рис. 6.4) Суммарная солнечная радиация, достигающая Земли за сутки, равна энергии, которую человечество получило в результате сжигания всех видов топлива за последнее тысячелетие. Количество и характер распределения солнечной радиации на земной поверхности находятся в тесной зависимости от облачности и прозрачности атмосферы. На величину рассеянной радиации влияют высота Солнца над горизонтом, прозрачность атмосферы, содержание в ней водяных паров, пыли, общее количество углекислоты и т.д. Максимальное количество рассеянной радиации попадает в полярные районы. Чем ниже Солнце над горизонтом, тем меньше теплоты поступает на данный участок местности. Большое значение имеют прозрачность атмосферы и облачность. В пасмурный летний день обычно холоднее, чем в ясный, так как дневная облачность препятствует нагреванию земной поверхности. Большую роль в распределении теплоты играет запыленность атмосферы. Находящиеся в ней тонкодисперсные твердые частицы пыли и пепла, влияющие на ее прозрачность, отрицательно сказываются на распределении солнечной радиации, большая часть которой отражается. Тонкодисперсные частицы попадают в атмосферу двумя путями: это или пепел, выбрасываемый во время вулканических извержений, или пыль пустынь, переносимая ветрами из аридных тропических и субтропических областей. Особенно много такой пыли образуется в период засух, когда потоками теплого воздуха она выносится в верхние слои атмосферы и способна находиться там продолжительное время. После извержения вулкана Кракатау в 1883 г. пыль, выброшенная на десятки километров в атмосферу, находилась в стратосфере около 3 лет. В результате извержения в 1985 г. вулкана Эль-Чичон (Мексика) пыль достигла Европы, и поэтому произошло некоторое понижение приземных температур. Атмосфера содержит переменное количество водяного пара. В абсолютном исчислении по массе или объему его количество составляет от 2 до 5 %. Водяной пар, как и углекислота, усиливает парниковый эффект. В возникающих в атмосфере облаках и туманах протекают своеобразные физико-химические процессы. Первоисточником водяного пара в атмосферу является поверхность Мирового океана, с которой ежегодно испаряется слой воды толщиной от 95 до 110 см. Часть влаги возвращается в океан после конденсации, а другая воздушными потоками направляется в сторону материков. В областях переменно-влажного климата осадки увлажняют почву, а во влажных создают запасы грунтовых вод. Таким образом, атмосфера является аккумулятором влажности и резервуаром осадков. Облака и туманы, формирующиеся в атмосфере, обеспечивают влагой почвенный покров и тем самым играют определяющую роль в развитии животного и растительного мира. Атмосферная влага распределяется по земной поверхности благодаря подвижности атмосферы. Ей присуща весьма сложная система ветров и распределения давления. В связи с тем что атмосфера находится в непрерывном движении, характер и масштабы распределения ветровых потоков и давления все время меняются. Масштабы циркуляции изменяются от микрометеорологических, размером всего в несколько сотен метров, до глобального — в несколько десятков тысяч километров. Огромные атмосферные вихри участвуют в создании систем крупномасштабных воздушных течений и определяют общую циркуляцию атмосферы. Кроме того, они являются источниками катастрофических атмосферных явлений (рис. 6.5). От атмосферного давления зависит распределение погодных и климатических условий и функционирование живого вещества. В том случае, если атмосферное давление колеблется в небольших пределах, оно не играет решающей роли в самочувствии людей и поведении животных и не отражается на физиологических функциях растений. С изменением давления, как правило, связаны фронтальные явления и изменения погоды.Фундаментальное значение имеет атмосферное давление для формирования ветра, который, являясь рельефообразующим фактором, сильнейшим образом воздействует на животный и растительный мир. Ветер способен подавить рост растений и в то же время способствует переносу семян. Велика роль ветра в формировании погодных и климатических условий. Выступает он и в качестве регулятора морских течений. Ветер как один из экзогенных факторов способствует эрозии и дефляции выветрелого материала на большие расстояния.

ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ. 

Уменьшение прозрачности атмосферы за счет появления в ней аэрозольных частиц и твердой пыли влияет на распределение солнечной радиации, увеличивая альбедо или отражательную способность. К такому же результату приводят и разнообразные химические реакции, вызывающие разложение озона и генерацию «перламутровых» облаков, состоящих из водяного пара. Глобальное изменение отражательной способности, так же как изменения газового состава атмосферы, главным образом парниковых газов, является причиной климатических изменений. Неравномерное нагревание, вызывающее различия в атмосферном давлении над разными участками земной поверхности, приводит к атмосферной циркуляции, которая является отличительной чертой тропосферы. При возникновении разности в давлении воздух устремляется из областей повышенного давления в область пониженных давлений. Эти перемещения воздушных масс вместе с влажностью и температурой определяют основные эколого-геологические особенности атмосферных процессов. В зависимости от скорости ветер производит на земной поверхности различную геологическую работу. При скорости 10 м/с он качает толстые ветви деревьев, поднимает и переносит пыль и мелкий песок; со скоростью 20 м/с ломает ветви деревьев, переносит песок и гравий; со скоростью 30 м/с срывает крыши домов, вырывает с корнем деревья, ломает столбы, передвигает гальку и переносит мелкий щебень, а ураганный ветер со скоростью 40 м/с разрушает дома, ломает и сносит столбы линий электропередач, вырывает с корнем крупные деревья. Ветры со скоростями 19 — 30 м/с образуют бурю, 30 — 35 м/с — шторм, а более 35 м/с — ураган. 

Атмосферные вихри. В результате перемещения воздушных масс возникают атмосферные вихри, которые можно подразделить по уменьшению кинетической энергии на циклоны, шквалы, смерчи (торнадо).

Циклоны образуются из-за перепада давления, которое в определенных условиях способствует возникновению кругового движения воздушных потоков. Атмосферные вихри зарождаются вокруг мощных восходящих потоков влажного теплого воздуха и с большой скоростью вращаются по часовой стрелке в Южном полушарии, против часовой — в Северном. Циклоны зарождаются над океанами и производят свои разрушительные действия над материками. Основными разрушительными факторами являются сильные ветры, интенсивные осадки в виде снегопада, ливней, града и нагонные наводнения. Циклоны подразделяют на циклоны средних широт и тропические. Циклоны средних широт имеют значительный диаметр, поперечные размеры их составляют от тысячи до нескольких тысяч километров. В Северном полушарии они движутся обычно с запада на восток и серьезные неприятности причиняют редко. Тропические циклоны имеют разные региональные названия — ураганы, тайфуны и др. Ежегодно возникает около 80 тропических циклонов. Тропические циклоны имеют среднюю ширину в несколько сот километров. Скорость ветра внутри циклона достигает ураганной силы — 300 — 360 км/ч. Продолжительность тропических циклонов составляет от нескольких дней до нескольких недель. Они перемещаются со скоростью от 50 до 200 км/ч. Ураганы классифицируют по скорости ветра и давлению в центре (табл. 6.1). Негативному воздействию тропических циклонов наиболее подвержены страны Юго-Восточной Азии, Южной и Центральной Америки, США, Камчатка, Сахалин, Курильские острова, Приморье. В густонаселенных районах Азии число жертв бывает очень значительным. Так, в 1970 г. в результате тропического циклона в Бангладеш погибло 300 тыс. человек, а в 1991 г. там же ураган вызвал образование морских волн высотой 6 м и погибло 125 тыс. человек. Большой ущерб наносят тайфуны на территории США. При этом гибнут десятки и сотни людей. Разрушения и гибель людей в результате воздействия атмосферных вихрей, в основном тропических циклонов, приводит к возникновению эпидемий, огромный вред наносится и сельскохозяйственным угодьям. 

Шквалы — это атмосферные вихри, возникающие в теплое время года на мощных атмосферных фронтах, но иногда и при особо интенсивной местной циркуляции. Их возникновение связано с развитием активной конвекции. Шквал — это вихрь с горизонтальной осью вращения. Скорость ветра в шквальной буре достигает 25 — 30 км/ч (рис. 6.7). Шквалы оказывают большое негативное экологическое воздействие часто с катастрофическими последствиями. Они часто сопровождаются мощными ливнями и грозами продолжительностью от нескольких минут до получаса. Шквалы охватывают территории шириной до 50 км и проходят расстояние в 200 — 250 км. Шквальная буря в Москве и Подмосковье в 1998 г. повредила крыши многих домов и повалила деревья. 

Смерчи, называемые в Северной Америке торнадо, представляют собой мощные воронкообразные атмосферные вихри, часто связанные с грозовыми облаками. Это вихри с вертикальной осью вращения, имеющие скорость до 100 м/с, суживающиеся в середине столбы воздуха диаметром от нескольких десятков до сотен метров. Смерч имеет вид воронки, очень похожей на хобот слона, спускающейся с облаков или поднимающейся с поверхности земли. Внутри воронки воздух поднимается, быстро вращаясь (рис. 6.8). Создается область сильно разреженного воздуха. Различные предметы, в том числе здания, взрываются изнутри из-за разности давлений. Обладая сильной разреженностью и высокой скоростью вращения, смерч проходит путь до нескольких сотен километров, втягивая в себя пыль, воду из водоемов и различные предметы. Мощные смерчи сопровождаются грозой, дождем и обладают большой разрушительной силой. Смерчи редко возникают в приполярных или экваториальных областях, где постоянно холодно или жарко. Мало смерчей в открытом океане. Смерчи происходят в Европе, Японии, Австралии, США, а в России особенно часты в Центрально-Черноземном районе, в Московской, Ярославской, Нижегородской и Ивановской областях. Смерчи поднимают и перемещают автомобили, дома, вагоны, мосты. Особенно разрушительные смерчи (торнадо) наблюдаются в США. Ежегодно отмечается от 450 до 1 500 торнадо с числом жертв в среднем около 100 человек. Смерчи относятся к быстродействующим катастрофическим атмосферным процессам (см. рис. 6.5). Они формируются всего за 20 — 30 мин, а время их существования 30 мин. Поэтому предсказать время и место возникновения смерчей практически невозможно. К другим неблагоприятным атмосферным явлениям относятся интенсивные ливни и кратковременные дожди, грозы, градобитие, молнии и снегопады. Катастрофические последствия могут иметь засухи, пыльные и соляные бури, морозы. Интенсивные ливни. Интенсивность дождя определяется количеством выпавших осадков и их продолжительностью. Наиболее интенсивные ливни характерны для тропиков Центральной Америки (до 20 -25 мм/мин). Они охватывают небольшие территории (до 200 км2), непродолжительны (от 30 мин до 2 -4 ч). Фронтальные ливневые дожди длятся от нескольких часов до 4 сут, с перерывами до двух-трех недель и охватывают территории площадью до сотен тысяч квадратных километров. При тропических циклонах интенсивность ливней нередко превышает 150 мм/сут (в некоторых случаях до 500-800 мм/сут). За 10 — 20 ч может выпасть вся годовая норма осадков. В умеренном климатическом поясе интенсивность ливней меньше. Экстремальные количества осадков сами по себе могут оказываться опасными для населения и хозяйства. Кроме того, они нередко возбуждают другие виды опасных явлений: наводнения, эрозию, сели и оползни в горах и т. п. Грозы. Катастрофическим атмосферным явлением считаются грозы. Они возникают при очень быстром поднятии теплого влажного воздуха. На границе тропического и субтропического поясов грозы происходят по 90— 100 дней в году, в умеренном поясе — по 10 — 30 дней. В России наибольшее количество гроз случается на северном Кавказе. Грозы обычно продолжаются менее часа. Особую опасность представляют интенсивные ливни, градобития, удары молнии, порывы ветра, вертикальные потоки воздуха. Опасность градобития определяется размерами градин. На Северном Кавказе масса градин однажды достигала 0,5 кг, а в Индии отмечены градины массой 7 кг. Наиболее градоопасные районы в России находятся на Северном Кавказе. И июле 1992 г. град повредил 18 самолетов в аэропорту «Минеральные Воды». К опасным атмосферным явлениям относятся молнии. Они убивают людей, скот, вызывают пожары, повреждают электросеть. От гроз и их последствий ежегодно в мире гибнет около 10 000 человек. Причем в некоторых районах Африки, во Франции и США число жертв от молний больше, чем от других стихийных явлений. Ежегодный экономический ущерб от гроз в США составляет не менее 700 млн долл. Снегопады. В зимнее время циклоны вызывают интенсивные снегопады и метели, которые парализуют работу транспорта, приводит к повреждению деревьев, ЛЭП, зданий, массовому сходу снежных лавин в горах и т. п. Быстрое таяние выпавшего снега может вызвать наводнение. При выпадении снега в обычно бесснежных районах или в теплое время года наносится значительный ущерб и сельскому хозяйству. Метели создают снегозаносы, также парализующие хозяйственную деятельность. В районах, где зимой устанавливается снежный покров, возможны стихийные бедствия, вызываемые снеговыми нагрузками, приводящими к повреждению крыш домов. Засухи. Засухи характерны для пустынных, степных и лесостепных регионов. Недостаток атмосферных осадков вызывает иссушение почвы, понижение уровня подземных вод и в водоемах до полного их высыхания. Дефицит влаги приводит к гибели растительности и посевов. Особенно сильными бывают засухи в Африке, на Ближнем И Среднем Востоке, в Центральной Азии и на юге Северной Америки. Засухи изменяют условия жизнедеятельности человека, оказывают неблагоприятное воздействие на природную среду через такие процессы, как осолонение почвы, суховеи, пыльные бури, эрозия почвы и лесные пожары. Особенно сильными пожары бывают во время засухи в таежных районах, тропических и субтропических лесах и саваннах. Засухи относятся к кратковременным процессам, которые продолжаются в течение одного сезона. В том случае, когда засухи длятся более двух сезонов, возникает угроза голода и массовой смертности. Обычно действие засухи распространяется на территорию одной или нескольких стран. Особенно часто продолжительные засухи с трагическими последствиями возникают в Сахельской области Африки. Пылевые и соляные бури. Результатом деятельности атмосферных вихрей являются пылевые и соляные бури, которые могут возникнуть на периферии антициклонов. Для образования пылевых бурь необходим ветер, скорость которого не меньше 15 м/с. При такой скорости рыхлый почвенный слой поднимается в воздух, перенося мелкие частицы на сотни и даже тысячи километров. Пылевые бури наносят огромный ущерб сельскому хозяйству, способствуют выдуванию плодородного слоя почвы, образуют наносы, засыпают песком селенья, выводят из строя приборы и любую технику. Для человека они опасны тем, что могут вызвать удушье. Действию пылевых бурь подвержено несколько областей Земли: страны Северной Африки, Аравийского полуострова, Поволжье, северные предгорья Кавказа, Средняя Азия, Украина. Пыль, поднятая бурей в центральной и западной Сахаре, может распространяться вплоть до Южной и Центральной Америки. Высыхание Аральского моря привело к возникновению песчано-соляных бурь. В Поволжье ветром переносятся частицы пыли и соли гипса, хлорида натрия, сульфата натрия и др. Морозы. Экстремально низкие температуры воздуха устанавливаются обычно при зимнем антициклоне. Характер и размер ущерба зависят не столько от самих величин отклонений температур от средних значений, сколько от приспособленности населения и хозяйства к таким событиям. Например, в Индии в январе 1989 г. более 200 человек погибли от холода при температуре воздуха около 0 °С; в США в феврале 1989 г. при морозах до -40 °С погибло 230 человек. Экстремальные вторжения холодных воздушных масс, сопровождающиеся обычно снегопадами, могут быть кратковременными (до нескольких дней), но наносят значительный ущерб сельскому хозяйству в субтропическом поясе, а в весеннее время и в южной части умеренного пояса. В мире среднегодовой ущерб от экстремально низких температур и снегопадов занимает пятое место после ущерба от ураганов, наводнений, землетрясений и засух.

Антропогенные изменения атмосферы

Важнейшей особенностью атмосферы является присутствие в ней пылеватых частиц, которые влияют на прозрачность. Естественный природный источник поступления пыли в атмосферу — вулканические извержения и дефляция пустынных регионов. Кроме того, в результате вулканической деятельности в атмосферу наряду с углекислым газом и парами воды попадает сернистый газ. Окисляясь под воздействием солнечных лучей и реагируя с водяным паром, он образует аэрозоль серной кислоты. В настоящее время имеется множество различных источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение атмосферы и приводящих к серьезным нарушениям экологического равновесия (рис. 6.9). По своим масштабам наибольшее воздействие на атмосферу оказывают два источника: транспорт и промышленность. В среднем на долю транспорта приходится около 60 % общего количества атмосферных загрязнений, промышленности — 15, тепловой энергетики — 15, технологий уничтожения бытовых и промышленных отходов — 10%. Транспорт в зависимости от используемого топлива и типов окислителей выбрасывает в атмосферу оксиды азота, серы, оксиды и диоксиды углерода, свинца и его соединений, сажу, бензопирен (вещество из группы полициклических ароматических углеводородов, которое является сильным канцерогеном, вызывающим рак кожи). Промышленность выбрасывает в атмосферу сернистый газ, оксиды и диоксиды углерода, углеводороды, аммиак, сероводород, серную кислоту, фенол, хлор, фтор и другие соединения и химические элементы. Но главенствующее положение среди выбросов (до 85 %) занимает пыль (рис. 6.10). В результате загрязнения меняется прозрачность атмосферы, в ней возникают аэрозоли, смог и кислотные дожди. Аэрозоли. Это дисперсные системы, состоящие из частиц твердого тела или капель жидкости, находящихся во взвешенном состоянии в газовой среде. Размер частиц дисперсной фазы обычно составляет 10-3— 10-7 см. В зависимости от состава дисперсной фазы аэрозоли подразделяют на две группы. К одной относят аэрозоли, состоящие из твердых частиц, диспергированных в газообразной среде, к второй — аэрозоли, являющиеся смесью газообразных и жидких фаз. Первые называют дымами, а вторые — туманами. В процессе их образования большую роль играют центры конденсации. В качестве ядер конденсации выступают вулканический пепел, космическая пыль, продукты промышленных выбросов, различные бактерии и др. Число возможных источников ядер концентрации непрерывно растет. Так, например, при уничтожении огнем сухой травы на площади 4 000 м2 образуется в среднем п • 1022 ядер аэрозолей. Аэрозоли начали образовываться с момента возникновения нашей планеты и влияли на природные условия. Однако их количество и действия, уравновешиваясь с общим круговоротом веществ в природе, не вызывали глубоких экологических изменений. Антропогенные факторы их образования сдвинули это равновесие в сторону значительных биосферных перегрузок. Особенно сильно эта особенность проявляется с тех пор, как человечество стало использовать специально создаваемые аэрозоли как в виде отравляющих веществ, так и для защиты растений. Наиболее опасными для растительного покрова являются аэрозоли сернистого газа, фторида водорода и азота. При соприкосновении с влажной поверхностью листа они образуют кислоты, губительно воздействующие на живые ткани. Кислотные туманы попадают вместе с вдыхаемым воздухом в дыхательные органы животных и человека, агрессивно воздействуют на слизистые оболочки. Одни из них разлагают живую ткань, а радиоактивные аэрозоли вызывают онкологические заболевания. Среди радиоактивных изотопов особую опасность представляет 90Sr не только своей канцерогенностью, но и как аналог кальция, замещающий его в костях организмов, вызывая их разложение. Во время ядерных взрывов в атмосфере образуются радиоактивные аэрозольные облака. Мелкие частицы размером 1-10 мкм попадают не только в верхние слои тропосферы, но и в стратосферу, в которой они способны находиться длительное время. Аэрозольные облака образуются также во время работы реакторов промышленных установок, производящих ядерное топливо, а также в результате аварий на АЭС. Смог. Представляет собой смесь аэрозолей с жидкой и твердой дисперсными фазами, которые образуют туманную завесу над промышленными районами и крупными городами. Различают три вида смога: ледяной, влажный и сухой. Ледяной смог назван аляскинским. Это сочетание газообразных загрязнителей с добавлением пылеватых частиц и кристалликов льда, возникающих при замерзании капель тумана и пара отопительных систем. Влажный смог, или смог лондонского типа, иногда называется зимним. Он представляет собой смесь газообразных загрязнителей (в основном сернистого ангидрита), пылеватых частиц и капель тумана. Метеорологической предпосылкой для появления зимнего смога является безветренная погода, при которой слой теплого воздуха располагается над приземным слоем холодного воздуха (ниже 700 м) (рис. 6.11). При этом отсутствует не только горизонтальный, но и вертикальный обмен. Загрязняющие вещества, обычно рассеивающиеся в высоких слоях, в данном случае накапливаются в приземном слое. Сухой смог возникает в летнее время, и его нередко называют смогом лос-анджелесского типа (рис. 6.12). Он представляет собой смесь озона, угарного газа, оксидов азота и паров кислот. Образуется такой смог в результате разложения загрязняющих веществ солнечной радиацией, особенно ультрафиолетовой ее частью. Метеорологической предпосылкой является атмосферная инверсия, выражающаяся в появлении слоя холодного воздуха над теплым. Обычно поднимаемые теплыми потоками воздуха газы и твердые частицы затем рассеиваются в верхних холодных слоях, но в данном случае накапливаются в инверсионном слое. В процессе фотолиза диоксиды азота, образованные при сгорании топлива в двигателях автомобилей, распадаются с образованием атомарного кислорода. Затем происходит синтез озона (М — молекула N2 или 02 , поглощающая энергию). Процессы фотодиссоциации сопровождаются желто-зеленым свечением. Кроме того, происходят реакции по типу: т.е. образуется сильная серная кислота. С изменением метеорологических условий (появление ветра или изменение влажности) холодный воздух рассеивается и смог исчезает. Наличие канцерогенных веществ в смоге приводит к нарушению дыхания, раздражению слизистых оболочек, расстройству кровообращения, возникновению астматических удуший и нередко к смерти. Особенно опасен смог для малолетних детей. 

Асидификация. Это природный процесс, вызванный антропогенной деятельностью и приводящий к повышению кислотной реакции атмосферы, гидросферы и педосферы. Еще в середине XIX в. обратили внимание на кислотные осадки, которые выпадали в окрестностях г. Манчестера (Англия). Английский ученый Р. А. Смит измерил кислотность атмосферных осадков и, обнаружив высокую концентрацию, назвал их кислотными дождями.Кислотные дожди. Представляют собой атмосферные осадки, подкисленные растворенными в них промышленными выбросами оксидов серы, азота и паров хлорной кислоты и хлора (рис. 6.13). В процессе сжигания угля, нефти и газа большая часть находящейся в ней серы как в виде оксида, так в соединениях с железом (в пирите, пирротине, халькопирите и т.д.) превращается в оксид серы, который вместе с диоксидом углерода выбрасывается в атмосферу. При соединении атмосферного азота и технических выбросов с кислородом образуются различные оксиды азота, причем объем образовавшихся оксидов азота зависит от температуры горения. Основная масса оксидов азота возникает во время эксплуатации автотранспорта и тепловозов, а меньшая часть приходится на энергетику и промышленные предприятия. Оксиды серы и азота — главные кислотообразователи. При реакции с атмосферным кислородом и находящимися в нем парами воды образуются серная и азотная кислоты. Известно, что щелочно-кислотный баланс среды определяется величиной pH. Нейтральная среда имеет величину pH, равную 7, кислая — 0, а щелочная — 14 (рис. 6.14). В современную эпоху величина pH дождевой воды составляет 5,6, хотя в недавнем прошлом она была нейтральной (pH 7). Уменьшение значения pH на единицу соответствует десятикратному повышению кислотности и, следовательно, в настоящее время практически повсеместно выпадают дожди с повышенной кислотностью. Максимальная кислотность дождей, зарегистрированная в Западной Европе, составляла 4 — 3,5 pH. При этом надо учесть, что величина pH, равная 4 — 4,5, смертельна для большинства рыб. Аэрозоли оксидов серы и азота, а также аммиак совместно или раздельно при взаимодействии с атмосферной или почвенной влагой образуют капельки серной, азотной и некоторых других кислот. Кислотные осадки имеют как природное, так и антропогенное происхождение. Основными источниками естественных кислотных осадков являются извержения вулканов, лесные пожары, дефляция почв и др., а антропогенных кислотных осадков — процессы сжигания минерального топлива, главным образом каменного и бурого угля в тепловых электростанциях и котельных, в металлургии, нефтехимической промышленности, на транспорте и др. Вследствие того что мировое сообщество продолжает использовать в качестве основного источника тепловой энергии минеральные полезные ископаемые, происходит неуклонное ухудшение состояния атмосферы. В настоящее время антропогенная эмиссия кислотных соединений вдвое превышает их суммарные естественные выбросы, а в Северном полушарии это соотношение достигает 9 : 1. В 1990 г. антропогенная эмиссия диоксида серы в атмосферу втрое превышала природные выбросы (соответственно 75 и 25 млн т в год). Эмиссия азота только вследствие сжигания горючих полезных ископаемых вдвое превысила естественные выбросы. В результате широкого использования ископаемого топлива в атмосферу кроме углекислого газа попадают вещества, образующие антропогенные кислотные осадки. Только над территориями Северной Америки и Европы, где проживает всего 14 % населения планеты, выбрасывается около 70 % общемирового объема веществ, образующих антропогенные кислотные осадки. Основные области распространения кислотных осадков — промышленные районы Северной Америки, Западной и Восточной Европы, Япония, Корея, Китай. Но этими регионами зона распространения кислотных выбросов не ограничивается. Медленно, но неуклонно начинает нарастать и доля развивающихся стран, особенно расположенных в Азии. Другим источником кислотных соединений является сельское хозяйство. В настоящее время естественная фиксация соединений азота в процессе построения растительной массы уже не в состоянии обеспечить потребности земледелия в азотном биогенном элементе - наиважнейшем химическом элементе для жизнедеятельности организмов. Приходится увеличивать использование азотных удобрений и расширять площади под посевами бобовых и рисовых культур, которые обладают способностью фиксировать азот в почвенном слое. В результате резко возросшего количества внесенных азотных удобрений и существующей эрозии почв часть азотных соединений выносится, напрямую попадая в атмосферу, или вовлекается в круговорот водными потоками. Высок среднегодовой выброс в атмосферу сульфатных частиц. Особенно большие выбросы серы дает промышленность США. На территории России фоновое загрязнение оксидами серы и азота отмечается повсеместно. Вклад России в глобальную эмиссию серы составляет 15-20 %, а оксидов азота — 10-15 %. Достаточно четко выделяются территории с повышенным уровнем кислотности осадков: запад и центр европейской части России, Урал, Кольский полуостров, Кузбасс. Внутри этих территорий имеются значительные площади, где выпадает ежегодно от 3 до 5 т серы и 1-2 т азота на каждый квадратный километр. Кислотные дожди оказывают агрессивное воздействие на растительный покров Земли, на промышленные и жилые здания и способствуют существенному ускорению выветривания обнаженных горных пород. Кислотные дожди воздействуют на бетонные сооружения, увеличивая скорость химического выветривания. Из-за кислотных осадков скорость коррозии в промышленных районах в 2 — 10 раз выше, чем в сельской местности. Повышение кислотности препятствует саморегуляции нейтрализации почв, в которых растворяются питательные вещества. В свою очередь, это приводит к резкому снижению урожайности и вызывает деградацию растительного покрова. Кислотность почв способствует освобождению находящихся в связанном состоянии тяжелых металлов. Если pH почвы становится меньше 4,3, то подвижность тяжелых металлов резко увеличивается и они постепенно усваиваются растениями, вызывая у них серьезные повреждения тканей и проникая в пищевые цепочки человека. Изменение щелочно-кислотного потенциала морских вод, особенно в мелководьях, ведет к прекращению размножения многих беспозвоночных, вызывает гибель рыб и нарушает экологическое равновесие в океанах. Оксиды азота и серы, попадая в избыточном количестве в растения и накапливаясь в их клетках, затем отрицательно влияют на здоровье человека. При оценке реального воздействия кислотных осадков на ландшафты и их компоненты необходимо сравнивать величины осадков с буферной способностью почв и почвообразующих пород. В целом и областях недостаточного увлажнения кислотные осадки нейтрализуются и особенно серьезной проблемы не представляют. Наоборот, и зонах избыточного и обильного увлажнения воздействие кислотных осадков на почвы, леса, водные объекты оказывается наиболее сильным и неблагоприятным. Лесные почвы Европы длительное время отличались высокой потенциальной способностью противостоять асидификации. Однако в результате высокой насыщенности промышленными объектами с начала промышленной революции они постепенно теряли буферную способность и оказались предрасположенными к дальнейшей асидификации. Это выразилось в значительной деградации лесного покрова. Особенно показателен такой результат в некоторых странах Центральной и Западной Европы. Кислотные осадки играют решающую роль в процессах выветривания алюмосиликатного исходного материала. Они увеличивают подвижность в ландшафте высокотоксичного для живых существ алюминия. Первое время казалось, что высокие и сверхвысокие трубы тепловых электростанций, промышленных предприятий и котельных способствуют снижению концентрации загрязняющих веществ вблизи источника выбросов. Однако высота труб не решает проблемы, особенно при большой плотности источников загрязнения, и к тому же чем выше труба, тем сильнее разнос кислотных осадков на большие расстояния. Следовательно, проблема из локальной превращается в региональную. Ввиду того что кислотные осадки переносятся на значительные расстояния, возникла необходимость в международном сотрудничестве. Еще в 1979 г. была заключена европейская Конвенция, в которой приняли участие США и Канада, по трансграничному переносу загрязнений воздуха. Впоследствии к ней добавился ряд соглашений по сокращению эмиссии оксидов серы и азота. Главным антропогенным источником кислотных осадков является тепловая энергетика, поэтому основной путь снижения эмиссии оксидов серы и азота состоит в том, чтобы изменить технологические приемы, использовать минеральное топливо более высокого качества и с низким содержанием оксидов серы и азота, видоизменить технологию сжигания, осуществить переход на качественно иной вид топлива (мазут, низкосерный газ), повсеместно установить на трубах улавливающие фильтры. В результате кислотных дождей под угрозой гибели находятся лесные массивы Западной Европы, Прибалтики, Карелии, Урала, Сибири и Канады.

Парниковый эффект и нарушение озонового слоя. 

В результате антропогенного воздействия на атмосферу кроме образования аэрозольных облаков, смога и кислотных дождей происходит усиление парникового эффекта и нарушение озонового экрана. Парниковый эффект. Под парниковым эффектом атмосферы по аналогии с увеличением температуры и влажности в замкнутом пространстве парника (теплицы или оранжереи) понимают разогрев приземного слоя воздуха, вызывающий изменение погодных условий и сопровождающийся потеплением климата. Парниковый эффект атмосферы обусловлен тепловым балансом земной поверхности и атмосферы. Как известно, тепловой режим приземных слоев атмосферы определяется солнечным нагревом земной поверхности (инсоляцией), к которому добавляется поток внутренней теплоты, поступающей из земных недр. Величины этих двух потоков существенно различны. На долю инсоляции приходится около 99,5 % от всей суммы теплоты, получаемой земной поверхностью, а остальное (0,5 %) падает на долю внутренней теплоты. Коротковолновое солнечное излучение в значительной степени поглощается озоновым слоем, а солнечная теплота — атмосферной влагой, углекислотой и аэрозолями частично рассеивается в тропосфере и отражается обратно в космическое пространство. На поверхность Земли попадает около 44 % солнечных лучей, главным образом в видимой (длина волны 0,40...0,76 мкм) и инфракрасной (длина полны >0,76 мкм) областях спектра. Именно за счет этих лучей нагревается земная поверхность. Часть длинноволнового земного излучения поглощается атмосферой, задерживая его поступление в космическое пространство, и возвращается обратно. Данный процесс и называется парниковым эффектом атмосферы. Благодаря действующему в течение практически всей истории Земли этому процессу приземная атмосфера нагревается и сохраняет теплоту, которая расходуется на создание благоприятных условий для жизнедеятельности организмов. Поглощение длинноволнового и инфракрасного излучений происходит за счет таких примесей в атмосферном воздухе, как углекислый газ, водяные пары, метан, оксиды азота и озона. Долгое время считалось, что главное воздействие оказывают только пары воды, но выяснилось, что действие оксидов азота, С02 , Оэ и паров воды достаточно велико и каждый из них эффективен в различных областях спектра. Этот природный процесс, действующий со времени появления в атмосфере углекислоты, затем паров воды и озона, обусловил развитие органического мира и способствовал выходу животных и растений на земную поверхность. Техногенез привел к резкому возрастанию концентраций всех энерго поглощающих соединений и в первую очередь углекислоты (рис. 6.15). В настоящее время содержание С02 в атмосфере составляет примерно 336 частей/млн (около 25 лет назад его количество составляло 310 — 315 частей/млн). В результате антропогенного выброса углекислоты в атмосферу вследствие сжигания минерального топлива происходит существенное повышение ее концентрации. Расчеты академика М.И. Будыко (1977, 1980, 1986) показывают, что в начале XXI в. в атмосферу должно поступить 400 — 450 частей/млн, что приведет к глобальному повышению температур на 1 — 1,5 °С. Глобальное потепление климата и изменение погодных условий происходят в жизни одного поколения и приводят к довольно значительным изменениям природной среды. В том случае, если концентрация С02 в атмосфере превысит 600 — 700 частей/млн, это вызовет катастрофические изменения климата и увеличение уровня Мирового океана в результате таяния ледниковых покровов в Гренландии и Антарктиде. Для того чтобы снизить поступление техногенной углекислоты в атмосферу, в декабре 1998 г. в г. Киото (Япония) ведущими промышленными странами было заключено соглашение о постепенном снижении потребления минерального топлива и сокращении имбросов в атмосферу углекислого газа. Техногенные выбросы оксидов азота, приводящие к усилению парникового эффекта атмосферы, также достаточно велики. Они приводят к обогащению тропосферного воздуха энерго поглощающим озоном. Природными источниками парниковых газов, поступающих в атмосферу в результате дегазации Земли, являются рифовые зоны и вулканы. Значительным источником метана, его еще называют болотным газом, служат болота и разлагающиеся органические остатки. Антропогенные газы появились в атмосфере лишь в эпоху тектогенеза, а природные газы существуют в атмосфере многие миллионы лет. Поэтому следует говорить о техногенном вкладе в развитие этого процесса, как наложенного на природную составляющую. Нарушение озонового слоя и возникновение озоновых дыр. Толщина озонового слоя такова, что при нормальном приземном давлении весь атмосферный озон образовал бы слой толщиной всего 3 мм. Озоновый слой тоньше в экваториальных районах и толще в полярных. Он отличается значительной изменчивостью во времени и по территории вследствие колебаний солнечной радиации и циркуляции атмосферы. Несмотря на малую мощность и небольшое содержание в атмосфере, озоновый слой защищает организмы Земли от вредного и очень губительного воздействия ультрафиолетовой радиации Солнца. Озон поглощает ее жесткую часть (UVC) с длинами волн 0,1 —0,28 мкм и большую часть менее энергоемкой, но также опасной UVB радиации с длинами волн 0,28 — 0,315 мкм. Менее активная часть спектра ультрафиолетовой радиации (более длинноволновая часть UVB и вся UVA с длинами волн 0,315 — 0,4 мкм) озоном не абсорбируется и проникает в тропосферу. С воздействием жесткой ультрафиолетовой радиации связаны неизлечимые формы рака кожи, болезни глаз, нарушения иммунной системы людей, неблагоприятные и даже опасные для жизнедеятельности воздействия на планктонные организмы в Мировом океане, снижение урожайности зерновых культур и другие экологические последствия. Жизнь на земной поверхности стала возможной только после того, кик в атмосфере Земли возник озоновый слой, когда сформировалась надежная защита. Произошло это около 400 млн лет назад, и только после этого на суше возник растительный покров и стали обитать наземные организмы. До этого времени жизнь развивалась в морской среде и слой воды толщиной в несколько метров предохранял живые существа от воздействия ультрафиолетового излучения. Еще в начале 70-х годов XX в. состояние озонового слоя стало вызывать беспокойство ученых. В 1974 г. американские геохимики Ф. Роуланд и М. Молина пришли к выводу о том, что возрастающее производство и применение хлорфторуглеродов неизбежно приведут к прогрессирующей деградации озонового слоя. Этo предупреждение о грядущем разрушении озонового слоя с серьезными последствиями для человечества было замечено научной общественностью и политиками. Однако переговоры о подготовке Международной конвенции по защите озонового слоя происходили весьма вяло. Конвенция была заключена в Вене в 1985 г. уже после появления первых сообщений о возникновении озоновых дыр и стала декларацией о необходимости международного сотрудничества в этой области. Озоновый слой, формирующийся в результате фотолиза молекулярного кислорода, под воздействием различных причин как природного, так и антропогенного характера действительно стал постепенно разрушаться. Впервые его частичная деградация была зафиксирована во время наблюдений с полярных станций в Антарктиде в 80- е годы. Первая озоновая дыра была обнаружена в атмосфере над Антарктидой английским исследователем Д. Фарманом в октябре - ноябре 1985 г. В ее пределах содержание озона оказалось на 40 % ниже, чем в среднем над всем континентом (рис. 6.16). Концентрацию озона часто определяют в единицах Добсона. Единица Добсона (ед. Д.) — это мера содержания озона, отвечающая условно толщине слоя озона в 0,001 см, приведенного к приземным условиям в средних широтах, где концентрация озона равна 345 ед. Д. С тех пор число и размеры так называемых озоновых дыр увеличиваются. К тому же они были обнаружены не только в Южном, но и в Северном полушариях. Обнаруженная над Антарктидой озоновая дыра стала тревожным сигналом общепланетарного неблагополучия и потребовала серьезного внимания всех стран мира. Вскоре после этого в 1988 г. был подписан Монреальский протокол к Конвенции по защите озонового слоя, предусматривающий постепенное сокращение производства и потребления хлорфторуглеродов В разложении озона принимают участие кислородный, водородный, азотный и галоидный циклы химических преобразований (Г. А. Богдановский, 1994). В соответствии с кислородным циклом (цикл Чепмена) озон распадается на молекулярный и атомарный кислород: На высотах 20-40 км в результате такого химического процесса теряется около 20 % атмосферного озона. Более существенные потери приходятся на долю водородного цикла — до 60 % озона на высотах 17-25 км. Потеря озона обусловливается его взаимодействием с радикалом (ОН-). Образование гидроксида происходит при взаимодействии водорода, метана и воды с атомарным кислородом. Подобные реакции имеют большие скорости и поэтому протекают весьма энергично, особенно на высотах 17 — 25 км. И начале 70-х годов XX в. для определения состояния озонового слоя в модельные расчеты исследователи ввели представления об азотном цикле, основанные на способности оксидов азота разрушать молекулу озона. Как показывают исследования последних лет, на состояние озонового экрана, возможно, сильно влияет азотный цикл. Однако до настоящего времени не изучена степень совместного влияния всех перечисленных четырех циклов на состояние озонового слоя. Вместе с тем установлено, что на рубеже XX —XXI вв. происходит глобальное сокращение содержания озона в стратосфере и тропосфере. Только с 60-х годов XX в. атмосфера Земли потеряла почти 15 % озона. Ранее отмечалось, что в верхних частях тропосферы и в стратосфере происходит периодическое образование озоновых дыр. Они имеют локальное распространение, но их размеры составляют несколько сотен миллионов квадратных километров. Все озоновые дыры через сравнительно короткие отрезки времени постепенно исчезают, а уровень содержания озона в них вновь восстанавливается. Было выявлено уменьшение содержания озона над определенными территориями и в Северном полушарии. Зимой 1991 — 1992 гг. падение уровня содержания озона было зафиксировано над Северной Европой. Наблюдательные пункты в районе Риги и Санкт-Петербурга установили падение уровня содержания озона на 40 — 45% ниже многолетней нормы. В 1993 г. появление озоновой дыры было выявлено и над территорией США и частично над Канадой.В 1995 г. резко усилившийся процесс разрушения озона был зарегистрирован и над территорией СНГ. Наиболее сильная потеря озона была отмечена в сентябре 1995 г. над северо-востоком России. Возникли значительные аномалии над озерами Байкал и Балхаш, нал Прикаспийской низменностью, Полярным Уралом и Памиром. Надо подчеркнуть, что с тех пор значительные потери озона наблюдались над обширными территориями Арктики и над Британскими островами, Скандинавией, Северо-Западом и Северо-Востоком России. Биологические последствия возникновения озоновых дыр. Периодически возникающие озоновые дыры весьма негативно влияют на биоту. Это вызвано отрицательной ролью ультрафиолетового излучения. В жизнедеятельности организмов немаловажная роль принадлежит коротковолновой части солнечной радиации. Выявлены следующие особенности влияния ультрафиолетового излучения на живые организмы: • облучение ДНК и клеточных мембран микроорганизмов приводит к потере способности ориентации, а это в конечном итоге способствует их гибели, что вызывает нарушение в пищевых цепях и представляет серьезную экологическую опасность для органического мира; • под воздействием UVB-излучения нарушается рост растений суши, уменьшаются их число и размеры, подавляются реакции фотосинтеза. Поэтому даже небольшое снижение концентраций озона в атмосфере приводит к резкому сокращению урожайности; • большая часть UVB-излучения поглощается водой, но данный процесс не беспределен. В фитопланктоне подавляется фотосинтез и снижается его продуктивность. В зоопланктоне особенно чувствительны к излучению молодые организмы, в которых появляются патологические изменения и происходит массовая гибель отдельных сообществ и целых популяций; • у крупных млекопитающих, в том числе и у человека, UVBизлучение в первую очередь поражает глаза, кожу и иммунную систему. У людей возникает конъюнктивит, развивается катаракта, усиливается морщинистость кожи (фотоэластоза), появляются ожоги кожи (эритема), рак кожи и меланомы. Исследования показывают, что при снижении уровня озона на 1—2% повышается уровень заболевания меланомой, а это, в свою очередь, приводит к росту смертности на 0,8— 1,5 %. В связи с крайне негативными последствиями проблема происхождения озоновых дыр и разработка методов противостояния сокращению стратосферного озона в настоящее время имеют не только научное, но и важнейшее практическое значение. Все гипотезы о происхождении озоновых дыр могут быть объединены в следующие группы: метеорологическую, биогенную, техногенную и эндогенную. Метеорологическая группа гипотез связывает образование озоновых дыр с естественными процессами формирования о зона. Сторонники этих гипотез считают, что образование и общее содержание озона в конкретном объеме атмосферы зависят от характеpa метеорологических процессов и перепадов температур, которые определяют не только направления воздушных потоков, но и скоростные параметры реакции кислородного, азотного и водородного циклов. Правильность этих гипотез подтверждают четко выраженные суточные и сезонные колебания общего содержания озона, связанные с вспышками или ослаблениями фотохимических реакций. Установлены определенные корреляции между содержанием озона и атмосферными процессами. На фронтах циклонов, во время Штормов и тайфунов резко снижается концентрация озона. Как правило, сезоны и районы активного образования циклонов совпадают с временем минимальных значений содержания озона в тропической и субтропической областях. Планетарная озоновая дыра над Северной Атлантикой совпадает с местами рождения циклонов. Маршруты циклонических вихрей в Каспии и на Дальнем Востоке совпадают с озоновыми аномалиями. Образование озоновых дыр в полярных областях связывают с существованием крайне низких температур в стратосферном слое. Ведь низкие температуры увеличивают скорости реакций, разрушающих озон. Наблюдения показали, что снижение озона в стратосфере наступает по мере падения температуры, когда в пределах полярной воронки, охватывающей север Канады, Сибирь, Скандинавию и Европейскую Арктику, начинают образовываться переохлажденные ледяные облака. Именно в них разрушаются молекулы озона. В январе 1996 г. над Европейской Арктикой установились и долгое время держались крайне низкие температуры. В это время полярные стратосферные облака возникали по краям воронки, что вызвало разрушение озонового слоя на большой площади. Утонение озонового слоя наблюдалось над Скандинавией, северной частью Восточной Европы и даже над Великобританией. Биогенная группа гипотез основывается на увеличении образования метана, который является озоноразрушающим газом при антропогенной деятельности. Так, значительное количество метана образуется при возделывании рисовых полей, увеличении поголовья скота. Нельзя забывать и о природных источниках метана, таких как болота, где он образуется в процессе гниения и преобразования органических остатков без доступа кислорода. А это особенно актуально в связи с потеплением климата и увеличением количества болот. Техногенная группа гипотез основывается на роли в разрушении озонового слоя техногенных хлор- и фторсодержащих газов — фреонов, которые используют в холодильной промышленности и в качестве распыляющих веществ в аэрозольных упаковках. Фреоны представляют собой хлорсоставляющие соединения метана, этана и пропана с обязательным содержанием фтора (CFC13 , CF2C12 , CF3Cl, CF4, C2H4F2, C2H2F4 и др.) Американские ученые М. Молина и Ф. Роуленд, открывшие хлорный цикл разложения озона, в 1974 г. высказали мнение, что активный хлор в составе фреонов может поступать в стратосферу, где н условиях низких температур в полярных широтах происходит их фотолиз. Эндогенная гипотеза сокращения озонового слоя носит название гипотезы водородно-метановой продувки. В основе этой концепции лежит представление о взаимодействии эндогенных флюидов — водорода, метана и азота со стратосферным озоном. Гипотеза была высказана в 90-х годах XX в. В. Л. Сывороткиным. С точки зрения химии процесса разрушения озонового слоя гипотеза не оригинальна. И ее основе лежат представления о водородном и азотном циклах разрушения озона. Принципиально новым в гипотезе является представление об источнике поступления флюидов в атмосферу. Потоки эндогенных газов, выбрасываемые в атмосферу, вызваны процессами, протекающими в недрах Земли, — процессами дегазации внешнего ядра, насыщенного флюидами в обстановке высокого водородно-гелиевого давления на ранних этапах существования планеты. Однако данное положение основано на предположении о гидратном составе земного ядра, которое противоречит принятой и настоящее время концепции о железном ядре. Существование газовых потоков водорода и азота с примесью гелия и углеводородов подтверждается данными, полученными при исследованиях газового состава глубоких скважин, составов газовожидких включений в минералах интрузивных пород, в базальтовых лавах, фумаролах и гидротермах. Так, например, в Калифорнийском заливе и над Восточно-Тихоокеанским поднятием между 20 и 35° ю. ш. обнаружены мощные водородные струи. Гидротермы с газами водородного состава обнаружены в Центральном грабене Исландии, над рифтами Срединно-Атлантического хребта, в Красноморском рифте, в желобе Тонга и других местах Атлантического, Индийского и Тихого океанов. Эндогенные флюидные потоки зафиксированы в кимберлитовых трубках Удачная, Юбилейная, Мир. В некоторых из них дебит газовой струи достигает 1 200 л/с. В ней на долю водорода приходится 50 — 60 %, а метана — 40 —50 %. Главными каналами, через которые газы выходят на дневную поверхность, являются рифтовые области, максимально сближающиеся над Антарктидой. Предполагается, что атмосфера над Антарктидой подвергается максимальной продувке озоноразрушающими газами. По В. Л. Сывороткину, часть озоновых дыр возникает над базальтовыми щитовыми вулканами, для которых характерно образование лавовых озер, флюидная продувка которых приводит к появлению так называемых «волос Пеле». Этот редкий феномен был обнаружен на вулкане Килауэа на Гавайях и на вулкане Эребус в Антарктиде. Кроме того, подобные явления были обнаружены в Восточной Африке (вулкан Ньирагонго), возле Красного моря (вулкан Эрта-Але), на Азорских островах (вулкан Капельиниш). Важно, что над всеми перечисленными районами периодически появляются озоновые дыры. Наблюдается снижение концентрации озона в стратосфере мосле извержения вулканов Сент-Хелен (1980), Эль-Чичон (1982) и др. (рис. 6.17). Согласно расчетным данным, общий объем эндогенных газов многократно превышает объем техногенных газов, способных разрушить стратосферный озон. Кроме того, эндогенные газы намного легче фреонов, которые тяжелее воздуха. Для того чтобы доставить фреоны в атмосферу, необходимы мощные потоки горячего воздуха. Вулканические извержения, как известно, способны выбрасывать свои продукты, в том числе газы, на десятки километров в атмосферу. Вместе с тем необходимо подчеркнуть, что процесс разрушения озонового слоя трудно объяснить действием только одного какого-то природного или техногенного процесса. Формирование и разрушение озонового слоя представляют собой многофакторный процесс, и, следовательно, попытка абсолютизации какого-то одного фактора в рамках изложенных гипотез явно обречена на неудачу. 

Этносферные функции атмосферы.

Атмосфера обеспечивает живые организмы Земли необходимым веществом, энергией и определяет направленность и скорость метаболических процессов. Газовый состав современной атмосферы является оптимальным для существования и развития жизни. Будучи областью формирования погоды и климата, атмосфера должна создавать комфортные условия для жизнедеятельности людей, животных и растительности. Отклонения в ту или другую сторону в качестве атмосферного воздуха и погодных условиях создают экстремальные условия для жизнедеятельности животного и растительного мира, в том числе и для человека. Атмосфера не только обеспечивает условия существования человечества, являясь основным фактором эволюции этносферы. Она в то же время оказывается энергетическим и сырьевым ресурсом про108 производства. В целом атмосфера — это фактор, сохраняющий здоровье человека, а некоторые области в силу физико-географических условий и качества атмосферного воздуха служат рекреационными территориями и являются областями, предназначенными для санаторнокурортного лечения и отдыха людей. Таким образом, атмосфера является фактором эстетического и эмоционального воздействия. Этносферные и техносферные функции атмосферы, определенные совсем недавно (Е. Д. Никитин, Н. А.Ясаманов, 2001), нуждаются в самостоятельном и углубленном исследовании. Так, весьма актуальным является изучение энергетических атмосферных функций как с точки зрения возникновения и действия процессов, наносящих ущерб окружающей среде, так и с точки зрения воздействия на здоровье и благосостояние людей. В данном случае речь идет об энергии циклонов и антициклонов, атмосферных вихрей, атмосферном давлении и других экстремальных атмосферных явлениях, эффективное использование которых будет способствовать успешному решению проблемы получения не загрязняющих окружающую среду альтернативных источников энергии. Ведь воздушная среда, особенно та ее часть, которая располагается над Мировым океаном, является областью выделения колоссального объема свободной энергии. Например, установлено, что тропические циклоны средней силы только за сутки выделяют энергию, эквивалентную энергии 500 тыс. атомных бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки. За 10 дней существования такого циклона высвобождается энергия, достаточная для удовлетворения всех энергетических потребностей такой страны, как США, в течение 600 лет. В последние годы было опубликовано большое количество работ ученых естественно-научного профиля, в той или иной мере касающихся разных сторон деятельности и влияния атмосферы на земные процессы, что свидетельствует об активизации междисциплинарных взаимодействий в современном естествознании. При этом проявляется интегрирующая роль определенных его направлений, среди которых надо отметить функционально-экологическое направление и геоэкологии. Данное направление стимулирует анализ и теоретическое обобщение информации по экологическим функциям и планетарной роли различных геосфер, а это, в свою очередь, является важной предпосылкой для разработки методологии и научных основ целостного изучения нашей планеты, рационального использования и охраны ее природных ресурсов. Атмосфера Земли состоит из нескольких слоев: тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы, ионосферы и экзосферы. В верхней части тропосферы и нижней части стратосферы располагается слой, обогащенный озоном, именуемый озоновым экраном. Установлены определенные (суточные, сезонные, годо109 вые и т.д.) закономерности в распределении озона. С времени своего возникновения атмосфера влияет на течение планетарных процессов. Первичный состав атмосферы был совершенно иным, чем в настоящее время, но с течением времени неуклонно росли доля и роль молекулярного азота, около 650 млн лет назад появился свободный кислород, количество которого непрерывно повышалось, но соответственно снижалась концентрация углекислого газа. Высокая подвижность атмосферы, ее газовый состав и наличие аэрозолей обусловливают ее выдающуюся роль и активное участие в разнообразных геологических и биосферных процессах. Велика роль атмосферы в перераспределении солнечной энергии и развитии катастрофических стихийных явлений и бедствий. Негативное воздействие на органический мир и природные системы оказывают атмосферные вихри — смерчи (торнадо), ураганы, тайфуны, циклоны и другие явления. Основными источниками загрязнений наряду с природными факторами выступают различные формы хозяйственной деятельности человека. Антропогенные воздействия на атмосферу выражаются не только в появлении различных аэрозолей и парниковых газов, но и в увеличении количества водяных паров, и проявляются в виде смогов и кислотных дождей. Парниковые газы меняют температурный режим земной поверхности, выбросы некоторых газов уменьшают объем озонового экрана и способствуют возникновению озоновых дыр. Велика этносферная роль атмосферы.