Атмосферный воздух. Основные понятия, определения и характеристики
Атмосфера — внешняя газовая оболочка Земли, механическая смесь различных газов, водяных паров и твердых (аэрозольных) частиц.
Атмосферный воздух необходим для дыхания живых организмов (существ), используется в технологических процессах горения и плавки как сырье для получения кислорода, азота, инертных газов, оксида углерода. Атмосфера является средой для размещения газообразных отходов производства. Под воздействием атмосферных осадков, солнечной радиации и в результате переноса воздушных масс атмосферный воздух избавляется от посторонних примесей. Этот процесс называется самоочищением атмосферы.
Состав, строение, свойства и функции атмосферы.
Атмосфера выполняет следующие функции:
- содержит кислород, необходимый для дыхания живых организмов;
- является источником углекислого газа для фотосинтеза растений;
- защищает живые организмы от космических излучений;
- сохраняет тепло Земли и регулирует климат;
- трансформирует газообразные продукты обмена веществ;
- переносит водяные пары по планете;
- является средой обитания летающих форм организмов;
- служит источником химического сырья и энергии;
- принимает и трансформирует газообразные и пылевидные отходы.
Состав атмосферы находится в состоянии динамического равновесия, поддерживаемого такими климатическими факторами, как перемещение воздушных масс (ветер и конвекция) и атмосферные осадки, жизнедеятельность животного и растительного миров, особенно лесов и мирового океана, а также в результате космических процессов, геохимических явлений и хозяйственной деятельности человека.
Примерный химический состав атмосферного воздуха (в объемных процентах в пересчете на сухой воздух) приведен на рисунке 4.1.
Общая масса атмосферы составляет 5,14-1015 т. Около 50% массы атмосферы приходится на нижний слой толщиной около 5 км. Масса слоя толщиной 30 км составляет 99% всей массы атмосферы. По вертикали атмосфера имеет слоистое строение. Выделение отдельных зон (таблица 4.1) основано на изменении температуры с высотой.
Таблица 4.1. Характеристика основных зон, выделяемых в атмосфере
|
Зона атмосферы |
Верхняя и нижняя границы зоны от уровня моря, км |
Температура, °С |
|
|
нижняя граница зоны |
верхняя граница зоны |
||
|
тропосфера |
0 - 11 |
+ 15 |
- 56 |
|
стратосфера |
11 - 50 |
- 56 |
- 2 |
|
мезосфера |
50 - 85 |
- 2 |
- 92 |
|
термосфера |
85 - 500 |
- 92 |
+ 1200 |
Верхняя граница атмосферы четко не выделяется. Она переходит постепенно в космическое пространство.
Осредненная температура атмосферы на средних широтах уменьшается линейно с высотой до отметки 11 км. При этом средняя температура на уровне моря принимается равной 288 К, а на высоте 11 км — 216,7 К (рисунок 4.2).
Исходя из этого стандартный, или нормальный температурный градиент равен: —(dT/dH)станд=(288 — 216,7)/10,8⋅103 = 0,0066 К/м.
Среднее атмосферное давление на уровне моря составляет 101,3 кПа.
При условиях, соответствующих среднему давлению на уровне моря и многолетней среднегодовой температуре атмосферного воздуха на уровне моря, равной 15° С, распределение давления с высотой определяется по международной барометрической формуле: P(H) = 101,3(1 — 6,5H/288)5.255
где Р — давление, кПа; Н — высота над уровнем моря, км.
Рисунок. 4.1. Химический состав атмосферного воздуха (в объемных процентах):
азот (N) — 78,1%; кислород (О) — 20,85%; аргон (Аг) — 0,93%; диоксид углерода (СO2) - 0,033%; на долю остальных компонентов — неон (Ne), гелий (Не), криптон (Кг), ксенон (Хе), озон (03), водород (Н2) и др. приходится не более чем 0,087%; содержание водяных паров колеблется в пределах 0,01-4%.
Рисунок. 4.2. Распределение давления и температуры атмосферного воздуха по высоте (при некоторых средних условиях)
Различия в нагревании воздуха приводят к горизонтальным градиентам давления, которые, в свою очередь, являются причиной конвекций горизонтальных перемещений воздушных масс.
- на перемещение воздушных масс воздействуют также сила Кориолиса, возникающая вследствие вращения Земли;
- центробежное ускорение, возникающее в районах, прилегающих к областям высокого и низкого давления;
- силы трения, замедляющие движение воздуха вблизи земной поверхности.
В северном полушарии движение воздушных потоков вокруг центров высокого давления осуществляется по часовой стрелке с отклонением наружу и вниз от кругового движения. Этот поток получил название нисходящего и является одним из возможных препятствий для рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере.
При движении воздушных потоков вокруг центров низкого давления вектор скорости направлен внутрь и вверх от кругового движения против часовой стрелки.
В этом случае загрязняющие вещества из нижних слоев атмосферы переносятся вверх и рассеиваются в больших объемах воздуха. При движении воздуха в северном полушарии против часовой стрелки вокруг центра низкого давления формируется циклон, при движении в направлении часовой стрелки вокруг центра высокого давления — антициклон.
