Министерство образования и науки Российской Федерации

САНКТ–ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

М. Ю. АНДРИАНОВА
Физико-химические основы природных и антропогенных процессов в техносфере
Сокращенная версия

Санкт-Петербург

Издательство Политехнического университета

2010

УДК 504.062 (075)

ББК 20.18я723

Т 69

Рецензенты:

Доктор химических наук, профессор Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна С.Ф. Гребенников

Доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета В. В. Яковлев

Андрианова М. Ю. Физико-химические основы природных и антропогенных процессов в техносфере: учеб. пособие / М. Ю. Андрианова. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. – 190 с.
ISBN
Изложены основные сведения о физических и химических процессах в техносфере с выделением их природной и техногенной составляющих. Даны представления о процессах трансформации веществ в геосферах Земли, рассмотрены физико-химические механизмы, лежащие в основе распространения техногенных загрязнителей в биосфере, формирования смога, кислотных дождей, разрушения озонового слоя, глобальных изменений климата.

Пособие предназначено для изучения дисциплины «Физико-химические основы природных и антропогенных процессов в техносфере» для обучающихся по направлению подготовки «Техносферная безопасность».

Работа выполнена в рамках реализации программы развития национального исследовательского университета «Модернизация и развитие политехнического университета как университета нового типа, интегрирующего мультидисциплинарные научные исследования и надотраслевые технологии мирового уровня с целью повышения конкурентоспособности национальной экономики»

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.
© Андрианова М. Ю., 2010

© Санкт- Петербургский государственный

ISBN политехнический университет, 2010
ОГЛавление

1. Оболочки Земли……………………………………………………….

1.1. Земная кора ……………………………………………………

1.2. Мантия………………………………………………………….

1.3. Ядро…………………………………………………………….

1.4. Магнитное поле и магнитосфера Земли……………………..

1.5. Атмосфера……………………………………………………...

1.6. Гидросфера……………………………………………………..

1.7. Биосфера и педосфера…………………………………………

3. Миграция элементов………………………………………………….

4. Атмосфера. Солнечная радиация и вертикальная структура……...

4.1. Изменение давления с высотой……………………………….

4.2. Изменение температуры с высотой…………………………..

4.3. Радиационный баланс Земли………………………………….

4.4. Особенности циркуляции атмосферы………………………..

5. Биогеохимические циклы элементов………………………………..

5.1. Цикл кислорода………………………………………………...

5.1.1. Геохимический субцикл цикла кислорода…………………

5.1.2. Биотический и физико-химический субциклы цикла

кислорода……………………………………………………………

5.1.3. Озон в стратосфере…………………………………………..

5.1.4. Озон в тропосфере…………………………………………...

5.1.5. Фотохимический смог……………………………………….

5.2. Гидрологический цикл и цикл водорода………………………….

5.2.1. Гидрологический цикл………………………………………

5.2.2. Цикл водорода……………………………………………….

5.2.3. Увеличение кислотности океанской воды…………………

5.3. Цикл азота…………………………………………………………..

5.3.1. Природная фиксация азота………………………………….

5.3.2. Промышленная фиксация азота…………………………...

5.3.3. Аммонификация……………………………………………

5.3.4. Нитрификация и другие процессы………………………..

5.3.5. Денитрификация и другие процессы……………………...

5.3.6. Оксиды азота……………………………………………......

5.3.7. Физический перенос азота…………………………………

5.4. Цикл серы………………………………………………………….

5.4.1. Поступление серы в атмосферу……………………………

5.4.2. Серная кислота и сульфатные аэрозоли………………......

5.4.3. Атмосферный аэрозоль…………………………………….

5.4.4. Смог лондонского типа…………………………………….

5.4.5. Кислотные дожди………………………………………......

5.4.6. Ассимиляция сульфата………………………………….....

5.4.7. Восстановление сульфата и другие процессы…………....

5.4.8. Окисление сероводорода и другие процессы………….....

5.4.9. Окислительный бактериальный фильтр…………………..

5.5. Циклы фосфора и кремния……………………………………….

5.5.1. Цикл кремния………………………………………………

5.5.2. Цикл фосфора………………………………………………

5.6. Циклы тяжелых металлов………………………………………...

5.6.1. Природные источники тяжелых металлов………………..

5.6.2. Техногенные источники тяжелых металлов……………...

5.6.3. Трансформация антропогенных выбросов тяжелых

металлов в почве…………………………………………………..

5.6.4. Токсичность металлов в гидросфере……………………...

5.7. Цикл углерода……………………………………………………..

5.7.1.Основные процессы цикла углерода………………………

5.7.2. Глобальное потепление климата и парниковые газы……

5.7.3. Токсичные соединения углерода………………………….

5.8. Циклы натрия и хлора…………………………………………….

5.8.2. Цикл натрия…………………………………………………

5.8.2. Засоление почв……………………………………………...

5.8.3. Цикл хлора……………………………………………. ….

5.8.4. Галогенорганические соединения………………………

5.8.5. Стойкие органические загрязнители и другие

приоритетные поллютанты…………………………………. …

Библиографический список…………………………………………

1. Оболочки Земли

Геосферы – концентрические (сплошные или прерывистые) оболочки, образованные веществом Земли, различающиеся между собой по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам. Выделяют следующие геосферы Земли: атмосфера, гидросфера, кора, мантия, ядро (см. табл. 1.1).

Таблица 1.1

Характеристики геосфер Земли

Геосфера	Удаленность нижней границы от уровня моря, км	Объем, в 10 18 м3	Масса, в 10 9 Гт	Доля массы геосферы от массы Земли
Атмосфера (до высоты 2000 км)	–	1320	0,005	10−6 %
Гидросфера	11,02	1,4	1,4	0,02 %
Земная кора	5…70	10,2	28,5	0,48 %
Мантия	до 2900	896,6	4013	67,2 %
Ядро	6371 (радиус Земли)	175,2	1934	32,3 %

В естественных науках выделяют и другие крупные сферы (оболочки) Земли. Так, объектом изучения физической географии являются географическая оболочка, образованная приповерхностными частями планеты. Географическая оболочка – это природный комплекс, возникающий в слое взаимодействия и взаимопроникновения верхней части земной коры (4…5 км), гидросферы и нижней части атмосферы (до 20 км), и сформировавшийся под воздействием солнечной энергии и органической жизни.

Магнитосфера – область околопланетного пространства, свойства которого определяются магнитными полем планеты и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения.

Литосфера (от греч. λίθος – камень) – твердая оболочка Земли, включающая земную кору и твердую часть верхней мантии. К верхней части литосферы относится почвенный покров Земли – педосфера (от лат. pedis – стопа). Недра Земли – это часть литосферы, доступная для добычи полезных ископаемых. Данные о составе литосферы получены для зон вблизи земной поверхности – глубина скважин, пробуренных для геологоразведки или нефтедобычи, не превышала 10 км. Предельная глубина (12 262 м, работы велись с 1970 по 1990 г.) была достигнута при бурении Кольской сверхглубокой скважины, созданной для исследования строения литосферы. В 2007 г. в Тихом океане (юго-восточнее острова Хонсю) начаты работы по бурению океанической коры на глубину около 8 км для изучения мантии.

Биосфера (от греч. b – жизнь) – это область, для которой состав, структура и энергетические процессы определяются деятельностью живых организмов. Верхней границей распространения жизни на Земле считается озоновый слой атмосферы (примерно до 25 км), задерживающий губительное коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца. Гидросфера полностью входит в состав биосферы. В литосфере живые организмы находят обычно на глубине 1…2 метра, однако считается, что нижняя граница биосферы расположена на глубине 2…8 км, где температура достигает значений, при которых происходит денатурация белков или кипение воды. Суммарная биомасса живых организмов оценивается в 1,8…4,4·10¹² тонн. В биосфере можно выделить антропосферу – области Земли и ближайшего космоса, которые являются районами обитания человечества или видоизменяются под его влиянием.

Согласно В.И. Вернадскому, "в биосфере существует великая геологическая, быть может, космическая сила, планетное действие которой обычно не принимается во внимание в представлениях о космосе... Эта сила есть разум человека, устремленная и организованная воля его как существа общественного" ¹. В.И. Вернадский разрабатывал представления о ноосфере (от греч. νόος – разум) – области взаимодействия общества и природы, в границах которой разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития. Ученый полагал, что формируя ноосферу человечество от стихийного преобразования лика планеты должно перейти к сознательной деятельности, включающей в себя ответственность за судьбу биосферы.

Техносфера – часть биосферы, коренным образом преобразованная человеком в технические и техногенные объекты с помощью прямого или косвенного воздействия технических средств в целях соответствия социально-экономическим потребностям человека. К техносфере относят производственные системы и продукты производства (машины, строительные детали, одежда, книги и т.п.), сырье и топливо (уголь, нефть, газ и др.), техногенные рельефы (терриконы, насыпи, плотины, искусственные острова и др.), биомасса культивируемых растений и животных. Можно также выделить агросферу – часть биосферы, вовлеченная в сельскохозяйственное использование (пашни, кормовые угодья и т.д.). 

1.1. Земная кора

Земная кора — это внешняя твёрдая оболочка Земли. Снизу она ограничена поверхностью Мохоровичича, на которой происходит резкий скачок скорости распространения продольных сейсмических волн (от 7 до 8 км/с). Земля обладает корой двух типов (см. рис. 1.1).

Континентальная кора имеет толщину 35…45 км под равнинами и до 75 км под горными поясами. В ее строении можно выделить три слоя: осадочный (прерывистый слой толщиной 0…20 км); верхняя кора (образованная в основном гранитами и гнейсами, толщиной 15…25 км); нижняя кора (предположительно образованная базальтами, толщиной 12…35 км).

Океаническая кора состоит главным образом из базальтов и имеет небольшой верхний осадочный слой. Она непрерывно образуется в срединно-океанических хребтах из застывающей магмы, которая поступает из мантии в зонах раздвижения литосферных плит. После того как «новая» кора сформировалась, её толщина составляет примерно 7 км и в дальнейшем увеличивается только за счет осадочного слоя. Океаническая кора постоянно распространяется в стороны от срединно-океанического хребта. Существуют зоны субдукции, в которых участок «старой» океанической коры пододвигаются под участок океанической или континентальной коры и погружается обратно в мантию. В связи с этими процессами океаническую кору можно назвать сравнительно молодой – самые древние ее участки образовались около 160 млн. лет назад, в то время как верхняя континентальная кора имеет возраст до 3…4 млрд. лет.

Рис. 1.1. Схема строения земной коры

Химический состав земной коры изучен по результатам бурения. У.Ф. Кларк обобщил результаты химического анализа тысяч образцов минералов и горных пород из скважин США и пришел к выводу, что средний элементный состав верхней коры (без осадочных пород) близок к граниту. Интересно, что более 99 массовых процентов (масс%) приходится всего на 15 химических элементов (см. табл. 1.2). Высокое содержание кислорода в горных породах связано с образованием им нелетучих соединений со многими элементами даже при высоких температурах.

Таблица 1.2

Содержание элементов земной коры

Элемент	Масс%	Элемент	Масс%	Элемент	Масс%	Элемент	Масс%
О	49,5	Ti	0,41	Ba	0,026	Li	0,0060
Si	25,8	Cl	0,19	Zr	0,021	Ce	0,0043
Al	7,57	Р	0,09	Cr	0,019	Co	0,0037
Fe	4,70	С	0,087	Ni	0,015	Sn	0,0035
Ca	3,38	Mn	0,085	Sr	0,014	Y	0,0026
Na	2,63	S	0,048	V	0,014	Nd	0,0022
К	2,41	N	0,030	Zn	0,012	Nb	0,0019
Mg	1,95	Rb	0,029	Cu	0,010	Pb	0,0018
H	0,88	F	0,028	W	0,0064	Итого	99,98%

В память об ученом среднее содержание элемента в коре предложили называть кларковым числом или кларком. Различают кларки массовые (в масс %, в г/т или в г/г) и атомные (в % от числа атомов); также можно говорить о кларках элемента в метеоритах, звездах, космосе, гидросфере, атмосфере, биосфере (однако в последнее время термин редко используется).

Элементы с кларками выше 0,1 масс% называют главными, с кларками порядка 0,01 масс % и ниже – редкими. Редкие элементы могут встречаться в концентрированном виде (например, обнаружены месторождения Li, Cs, Be, La, Mo, W, Ir, Os, Pt, U, Th, Pb, Hg и др.) или же присутствовать только как примеси в минералах более распространенных элементов – в последнем случае их называют редкими рассеянными элементами (Rb, Sc, Ga, In, Tl, Hf, Ge, Se, Те, Re, Cd, Br, I и др.).

Факт существования частей планеты, более тяжелых, чем кора, был просчитан на основе астрономических данных о размерах и массе Земли. Средняя плотность Земли равна 5,5 г/см³ , однако плотность коры составляет всего 2,5-2,8 г/см³. Следовательно, более глубокие слои должны иметь большую плотность; для мантии она оценивается в 3,5 г/см³, для ядра более 8 г/см³.

1.2. Мантия Земли

Мантия – часть Земли непосредственно под корой и выше ядра. Она распространяется до глубины 2900 км. Выделяют верхнюю и нижнюю мантию (граница между ними проходит на глубине около 670 км). Твердый слой верхней мантии относят к литосфере. Под ним на глубине 10…400 км находится слой верхней мантии с пониженной вязкостью – астеносфера, по которой «скользят» литосферные плиты. Следует отметить, что с увеличением глубины возрастает температура и давление (в нижней мантии до 4000 К и 1,4 млн. атм.), так что вещества, которые при нормальных условиях являются твердыми, в глубине мантии ведут себя как вязкая жидкость.

Таблица 1.3

Ориентировочное содержание элементов в мантии Земли

Элемент	масс %	Элемент	масс %	Элемент	масс %
О	44,8	Fe	5,8	Na	0,3
Si	21,5	Al	2,2	K	0,03
Mg	22,8	Ca	2,3	Итого	99,7 %

В жидкой части мантии происходит медленное перемещение вещества, вызванное различием температур (и, следовательно, плотностей) ее верхних и нижних слоев – мантийная конвекция. Литосферные плиты оказываются вовлеченными в горизонтальное движение вещества мантии в верхнем (приповерхностном) слое конвективных ячеек. Следствием этого является дрейф континентов, вулканические явления, землетрясения, горообразование.

1.3. Ядро Земли

Ядро – внутренняя геосфера радиусом 3470 км, расположенная на средней глубине ниже 2900 км. Выделяют твердое (или очень плотное аморфное) внутреннее ядро (радиусом около 1300 км, средней плотностью 12,85 г/см³) и жидкое внешнее ядро (толщиной 2200 км, плотностью 9,9…12,4 г/см³).

Состав ядра Земли оценен по косвенным данным (см. табл. 1.4).

Таблица 1.4

Предположительное содержание элементов в ядре Земли

Si	6 – 7,4 масс %	S	1,9 – 2,3 масс %	Cr	7790 – 9000 ppm
Fe	79 – 86 масс %	O	0 – 4,1 масс %	Co	2500 – 2530 ppm
Ni	4,9 – 5,2 масс %	Mn	300 – 5820 ppm	P	2000 – 3690 ppm

1.4.  Магнитное поле и магнитосфера Земли

Магнитное поле Земли формируется благодаря интенсивной турбулентной конвекции во внешнем (жидком) ядре, которая в проводящем веществе формирует электрические токи. В целом оно имеет характер магнитного диполя, однако под влиянием воздействий потоков частиц в космосе оно деформировано (см. рис. 1.3). Расположение полюсов большого земного магнита менялось (вплоть до инверсии магнитного поля) в течение геологической истории планеты (см. рис. 1.2). Магнитное поле Земли является естественной и необходимой составляющей для жизни многих организмов. Предполагают, что птицы, рыбы, пчелы используют магнитное поле для ориентации в пространстве и навигации.

Главное магнитное поле Земли создается токами жидкой части ядра. Оно имеет магнитную индукцию 20 000…60 000 нТл (нанотесла); расположение его силовых линий фиксируют компасы (напомним, что северный магнитный полюс расположен вблизи южного географического полюса, и наоборот). Переменное магнитное поле порождается токами в ионосфере (верхней части атмосферы) и магнитосфере. Для умеренных широт значения солнечно-суточных вариаций составляет 30 нТл, а в случае магнитных бурь 100…1000 нТл. Аномальное магнитное поле существует благодаря намагниченности участков земной коры размерами в несколько сотен км; оно используется в исследовательских целях и при поисках месторождений. Его среднее значение составляет 200 нТл, а в крупных магнитных аномалиях превышает 1000 нТл (в Курской магнитной аномалии 10³…10⁴ нТл).

Магнитосфера Земли имеет несимметричную форму из-за воздействия солнечного ветра – потока плазмы солнечной короны (состоящего главным образом из протонов и электронов, а также небольшого количества ядер гелия, ионов кислорода, кремния, серы, железа). На дневной стороне граница магнитосферы (магнитопауза) расположена на расстоянии около 10 радиусов Земли; хвост на ночной стороне простирается на 5 млн. км и имеет диаметр до 40 земных радиусов (см. рис. 1.3). При грубом рассмотрении можно считать, что граница магнитосферы непроницаема для солнечного ветра. Однако существуют области, где магнитное поле резко ослаблено – это полярные овалы (там, где силовые линии поля входят в планету и выходят из нее) и нейтральный слой в середине хвоста. В этих местах космические частицы могут проникнуть в магнитосферу Земли. В результате этого в атмосфере на высоте 90…1000 км (при интенсивных вспышках на Солнце – до 20 км) наблюдаются полярные сияния, вызванные свечением атомов и молекул азота и кислорода, ядер водорода и редко – гелия.

Радиационные пояса Земли – это внутренние области магнитосферы, в которых магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы (преимущественно электроны и протоны, хотя встречаются и тяжелые ионы вплоть до железа), обладающие энергией от десятков кэВ до сотен МэВ. Частицы не могут покинуть магнитное поле Земли из-за особенностей конфигурации его силовых линий (образующих магнитную ловушку). Под действием силы Лоренца частица совершает сложное колебательное движение по винтовой траектории вдоль силовых линий поля из северного полушария в южное и обратно с одновременным медленным долготным дрейфом вокруг Земли (см. рис. 1.4).

Рис. 1.3. Строение земной магнитосферы в плоскости, проходящей через магнитные полюса Земли и линию Земля-Солнце

Рис. 1.4. Движение заряженной частицы, захваченной в геомагнитную ловушку

Пример 1. Протон с энергией 100 МэВ совершает одно колебание вдоль силовой линии от одной зеркальной точки до другой за 0,3 сек. Полный оборот вокруг Земли требует от частицы в зависимости от ее энергии от минут до суток; положительные ионы дрейфуют в западном направлении, электроны – в восточном. Время нахождения протона в магнитной ловушке – до 100 лет.

Выделяют несколько радиационных поясов, различающихся по составу и энергии частиц. Пояса характеризуют параметром L; его численное значение равно расстоянию, выраженному в радиусах Земли, на которое отходит магнитная оболочка в экваториальной плоскости магнитного диполя Земли от центра диполя. Радиационные пояса простираются между L = 1,5…9. При удалении от поверхности планеты в магнитосфере снижается энергия частиц и доля протонов в общем их количестве. Плотность потока протонов с энергией выше 1МэВ достигает 10⁷/(см²∙сек), для электронов с энергией выше 40 кэВ достигает 10⁸/(см²∙сек).

Самый существенный механизм пополнение радиационных поясов состоит в образовании частиц при распаде нейтронов, созданных космическими лучами в атмосфере. Второй механизм – это захват частиц солнечного ветра магнитосферой со стороны хвоста или полярных овалов. После выброса на Солнце регистрируются заметные изменения состава частиц в радиационных поясах, сохраняющиеся несколько лет. Существуют и другие механизмы пополнения поясов.

Пример 2. 22 марта 1991 года на Солнце произошла мощная вспышка, сопровождавшаяся выбросом большой массы солнечного вещества. К 24 марта вещество достигло магнитосферы Земли и трансформировало ее внешнюю область. Энергичные частицы солнечного ветра ворвались в магнитосферу. Приборы на спутниках зарегистрировали резкое возрастание потоков электронов с энергией около 15 МэВ, протонов с энергией 20…110 МэВ и формирование пояса с L = 2,6, просуществовавшего около двух лет.

Пример 3. В 1958–1962 годах СССР и США проводили ядерные испытания в околокосмическом пространстве (на высоте от 40 до 750 км). Ядерные взрывы привели к образованию пояса из электронов малых энергий, просуществовавшего около 10 лет. Источником заряженных частиц был распад радиоактивных осколков деления.

Существует динамическое равновесие между процессами пополнения радиационных поясов и процессами потерь частиц. В основном частицы покидают пояса из-за потери своей энергии на иони-зацию и возбуждение атомов и ионов верхней атмосферы, из-за рассеяния частиц при взаимных столкновениях и рассеяния на магнитных неоднородностях и плазменных волнах различного происхождения. Это приводит к высыпанию частиц в атмосферу вдоль силовых линий магнитного поля. Высыпание частиц приводит к усилению ионизации атмосферы, интенсивное высыпание – к полярным сияниям.

Изучение состояния магнитосферы и радиационных поясов Земли, солнечного ветра и космических лучей важны для обеспечения безопасности как на Земле, так и в космосе.

Быстро изменяющееся магнитное поле, согласно закону электромагнитной индукции, способно создать электрические поля, проходящие сквозь поверхность Земли, и генерировать электрические токи в проводящих слоях литосферы, соленой воде и искусственных проводниках. Наводимая разность потенциалов составляет всего несколько вольт на километр (не выше 50 В/км), однако она сохраняется в течение минут. В протяженных проводниках с низким сопротивлением (линиях связи и электропередач, трубопроводах, рельсах железных дорог) сила индуцированных таким образом токов может достигать десятков и сотен ампер. Это может нарушить катодную защиту трубопровода от коррозии (что ускорит его разрушение и в итоге приведет к техногенной аварии), привести к отказам в системах электроснабжения, помехам в передаче информации по кабелю связи и др.

Пример 4. 13 марта 1989 г. резкие колебания магнитного поля Земли были вызваны вспышкой на Солнце. В линиях электропередач канадской провинции Квебек возникли индуцированные геомагнитные токи. В результате в течение минуты на подстанциях «пробило» несколько конденсаторов и сработали защитные устройства. Это привело к отключению электроэнергии у 6 миллионов людей на 9 часов; ущерб оценен в 6 млрд. долл.

Магнитосфера защищает Землю от частиц солнечного ветра и космических лучей. Однако воздействие радиационных поясов Земли необходимо учитывать при длительных полетах в околоземном пространстве. Потоки протонов малых энергий могут вывести из строя солнечные батареи спутников и вызвать помутнение оптических покрытий. Под действием частиц возможны повреждения приборов внутри корабля или спутника. Длительное пребывание космонавтов во внутреннем радиационном поясе может привести к лучевому поражению даже внутри корабля под воздействием протонов высоких энергий. Для того, чтобы избежать вредного воздействия частиц, орбиты космических станций располагают на высоте 200…400 км, что несколько ниже внутреннего радиационного пояса Земли.

Благодаря несовпадению оси магнитного диполя и оси вращения планеты (центр диполя сдвинут от центра Земли на 300…400 км к западной части Тихого океана, ось диполя наклонена на 11,5˚ относительно оси вращения Земли) существуют глобальные аномалии магнитного поля Земли, влияющие на форму радиационных поясов. Положительные аномалии (Якутская) характеризуются повышенным значением магнитного поля, отрицательные (Бразильская, Кейптаунская, Берингова) – пониженным. Наибольшее влияние на потоки частиц оказывает Бразильская аномалия, где зеркальная точка сильно опущена и траектории дрейфа частиц «провисают» до 200…300 км. Во время космических полетов в околоземном пространстве основную дозу облучения космонавты получают именно над Бразильской аномалией. При планировании полетов космонавтов учитывается солнечная активность, влияющая на геомагнитное поле, состояние атмосферы и положение радиационных поясов Земли. В 1997 г. произошла поломка американского спутника связи TELSAT, находившегося на геостационарной орбите на высоте около 36 тыс. км в границах внешнего радиационного пояса Земли. В результате магнитной бури произошло неравномерное распределение заряда на поверхности спутника (вследствие влияния облака электронов с повышенной энергией), вызвавшее электрический разряд.

1.5. Атмосфера

Атмосфера – это газовая оболочка планеты, вращающаяся вместе с нею. В соответствии с характером изменения температуры в атмосфере Земли выделяют зоны и паузы (узкие переходные граничные слои). Положение пауз строго не фиксируется и зависит главным образом от внешних факторов – солнечной активности и уровня поступающей солнечной радиации (см. табл. 1.5).

Таблица 1.5

Основные зоны атмосферы Земли (из [2])

Зона	Нижняя и верхняя границы, км над уровнем моря	Температурный градиент, К/км	Температура на границах, ˚С
			нижней	верхней
Тропосфера	0 – (8…18)	–6,45	15	–56
Стратосфера	(8…18) – (50…55)	+1,38	–56	–2
Мезосфера	(50…55) – (80…85)	–2,56	–2	–90
Термосфера	(80…85) – 1000	+3,13 (до 300 км)	–92	1200

Таблица 1.6

Состав сухого воздуха на уровне моря (из [2])

Газ	Объемный %	Газ	Объем- ный %	Газ	Объем- ный %	Газ	Объем- ный %
N2	78,084	He	5,24∙10−4	O3	<2∙10−6 (зима)	CO	(5-8)∙10−6
O2	20,948	CH4	1,72∙10−4			NH3	< 1∙10−4
Ar	0,934	Kr	1,14∙10−4		<120∙10−6 (лето)	NO	< 1∙10−4
CO2	3,65∙10−2	H2	5∙10−5			N2O	3,04∙10−5
Ne	1,818∙10−3	SO2	< 7∙10−6	NO2	< 2∙10−6	Xe	8,7∙10−6

Тропосфера имеет наибольшую высоту на экваторе, наименьшую на полюсах, ее граница (тропопауза) неровная, с разрывами и складками; в ней сосредоточено 75% всего воздуха. В тропосфере развиваются процессы, определяющие погоду (атмосферные фронты, циклоны, антициклоны и др.), здесь формируются облака и сосредоточена большая часть водяного пара (его содержание в тропосфере варьирует от 10^–5 до 3 об%, среднее 0,2 об%). В тропосфере развита конвекция и турбулентное движение воздуха, время вертикального перемешивания в слое толщиной 11 км составляет около 2,5 месяцев.

Соотношение главных газовых компонентов (азот, кислород, инертные газы, водород) довольно постоянно до высоты 100 км (см. табл. 1.6), а содержание малых примесей варьирует во времени и в разных частях атмосферы. Помимо газов и водяного пара в атмосфере находятся мелкие частички твердых веществ и капли жидкости.

В стратосфере благодаря облучению кислорода ультрафиолетовым излучением Солнца происходит образование озона. Разрушение озона сопровождается выделением теплоты; это приводит к нагреванию стратосферы. Общее количество чистого озона при нормальном давлении (1 атм) образовало бы на поверхности Земли слой толщиной 2…4 мм, однако весь озон распределен в воздухе в концентрации 2…8 млрд ^–1 (2…8 молекул озона на миллиард молекул воздуха) на высоте 15…60 км (максимум концентрации около 30 км). Часть стратосферного озона опускается в тропосферу, в которой, однако, существуют и собственные механизмы его образования.

В мезосфере происходит охлаждение воздуха (на высоте более 60 км). Считается, что в мезосфере начинают светиться и сгорают метеоры. Вблизи мезопаузы находится граница, отделяющая гомосферу – область атмосферы, где идет турбулентное перемешивание, выравнивающее концентрации веществ, от гетеросферы – области, где преобладает диффузия, изменяющая распределение молекул с высотой. Со стратосферой и мезосферой связаны редкие атмосферные явления, которые иногда можно наблюдать после захода или перед восходом Солнца. Это тонкие облака из кристаллов льда, находящиеся на большой высоте: перламутровые облака (стратосферные) и серебристые облака (мезосферные).

Где заканчивается атмосфера и начинается космос? При подъеме снижается объемная концентрация молекул воздуха и их давление. Длительное пребывание человека возможно на высоте до 2 км над уровнем моря, когда физиологические реакции организма еще способны компенсировать пониженное давление и недостаток кислорода. На высоте 3…4 км уже существенно ухудшается самочувствия и снижается работоспособность. При дальнейшем подъеме альпинистов требуется применение медикаментов и кислородных аппаратов. Мероприятия по акклиматизации (постепенный подъем, спуск на ночевку и др.) позволяют увеличить время пребывания альпиниста без кислородного баллона, но находиться без него на высоте 6…8 км в течение нескольких часов очень тяжело. Высота 7 км считается критическим порогом гипоксии. Дыхание чистым кислородом позволяет увеличить этот порог до 13 км. Для пребывания на бόльшей высоте одного дыхания кислородом недостаточно, необходимо повысить его давление, применяя специальные костюмы или кабины с высоким давлением. При разгерметизации кабины самолета на высоте 8 км летчик теряет сознание из-за кислородной недостаточности в течение 3 минут, и при отсутствии подачи кислорода в течение 10 минут наступает смерть мозга. При разгерметизации кабины на высоте 20 км смерть наступает почти мгновенно. Самолеты летают на высоте до 20 км, метеозонды (с шаром, наполненным водородом и гелием) поднимаются до 40 км, информацию о мезосфере получают с помощью ракетных зондов.

В слое до 5,5 км над уровнем моря находится 50% массы атмосферы, в слое до 40 км – 99% массы. Для космонавтов принято отсчитывать космическое пространство от высоты 100 км над уровнем моря (линия Кармана), где атмосфера настолько разрежена, что управляемый аэродинамический полет самолета становится невозможным (скорость для создания подъемной силы становится равной первой космической скорости). Уровень 100 км также считается нижней границей существования радиационных поясов Земли, поскольку потери энергии частиц на ионизацию молекул воздуха столь велики, что не позволяют частице вернуться в магнитную ловушку. Орбита международной космической станции находится на высоте 300…400 км.

Термосфера распространяется до высоты около 1000 км. В термосфере происходит ионизация молекул под действием солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучения, а также космических лучей, что сопровождается выделением тепла и приводит к разогреву атмосферы. Часть атмосферы, где наряду с молекулами газов присутствует плазма (в основном ионы атомов и молекул азота и кислорода, электроны) называют ионосферой. Она занимает область примерно от 50 до 1000 км. Концентрация заряженных частиц составляет 10²… 10⁶ см ^{– 3} (она растет с увеличением высоты до 300 км, затем несколько снижается). В результате различий в скорости диффузии в верхней области термосферы увеличивается концентрация более легких ионов водорода, гелия. Выше начинается плазмосфера, образованная преимущественно протонами и электронами. Это внутренняя часть магнитосферы в пределах диполеподобного геомагнитного поля; она простирается до L ~ 3. Частицы плазмосферы (концентрация около 10⁴ см ^{– 3}) участвуют в суточном вращении Земли.

Выделяют также экзосферу – переходную зону между атмосферой и межпланетным пространством. Ее нижнюю границу исследователи располагают на высоте 500…1000 км, верхнюю на 10…20 тыс. км. Экзосфера настолько разрежена, что для молекулы велика вероятность покинуть околоземное пространство без столкновения с другой молекулой. Скорость потерь атомов водорода из экзосферы Земли оценивается в 1000 г/сек. Наблюдаемая из космоса часть экзосферы (до 10 тыс. км), рассеивающая ультрафиолетовое излучение Солнца (на атомах водорода), называется короной Земли (геокороной).