Атмосфера.
АТМОСФЕРА Землі (від грец. atmos - пар і sphaira - куля * а. atmosphere; н. Atmosphare; ф. atmosphere; і. atmosfera) - газова оболонка, що оточує Землю і бере участь у її добовому обертанні. Маса атмосфери становить близько 5,15 • 10 15 т. Атмосфера забезпечує можливість життя Землі і впливає геологічні процеси.
Походження та роль атмосфери. Сучасна атмосфера має, мабуть, вторинне походження; вона виникла із газів, виділених твердою оболонкою Землі (літосферою) після утворення планети. Протягом геологічної історії Землі атмосфера зазнала значної еволюції під впливом ряду факторів: дисипації (розсіювання) газових молекул у космічний простір, виділення газів з літосфери в результаті вулканічної діяльності, дисоціації (розщеплення) молекул під впливом сонячного ультрафіолетового випромінювання, хімічних реакцій породами, що становлять земну кору, акреції (захоплення) метеорної речовини. Розвиток атмосфери тісно пов'язане не лише з геологічними та геохімічними процесами, але також із діяльністю живих організмів, зокрема людини (антропогенний фактор). Вивчення змін складу атмосфери у минулому показало, що у ранніх періодах фанерозою кількість кисню у повітрі становила близько 1/3 його сучасного значення. Зміст кисню в атмосфері різко зріс у девоні та карбоні, коли він, можливо, перевершував сучасний рівень. Після зниження пермському і тріасовому періодах воно знову підвищилося, досягнувши максимального значення юре, після чого відбулося нове зниження, яке зберігається нашого часу. Протягом фанерозою значно змінювалася також кількість вуглекислого газу. Від кембрію до палеогену концентрація CO2 коливалася вмежах 0,1-0,4%. Зниження її до рівня (0,03%) відбулося олігоцені і (після деякого підвищення міоцені) плиоцене. Атмосферні гази істотно впливають на еволюцію літосфери. Наприклад, більшість вуглекислого газу, що надійшов в атмосферу спочатку з літосфери, була потім акумульована в карбонатних породах. Атмосферний кисень і водяна пара є найважливішими факторами, що впливають на гірські породи. Протягом усієї історії Землі атмосферні опади відіграють велику роль у процесі гіпергенезу. Не менше значення має діяльність вітру (див. Вивітрювання), що переносить дрібні фракції зруйнованих гірських порід великі відстані. Істотно впливають на руйнування гірських порід коливання температури та інші атмосферні чинники.
Атмосфера захищає поверхню Землі від руйнівних дій каміння (метеоритів), що падають, більшість яких згоряє при входженні в її щільні шари. Флора і фауна, які істотно вплинули на розвиток атмосфери, самі сильно залежать від атмосферних умов. Шар озону в атмосфері затримує більшу частину ультрафіолетового випромінювання Сонця, яке б згубно діяло на живі організми. Кисень атмосфери використовується в процесі дихання тваринами та рослинами, вуглекислота – у процесі живлення рослин.
Атмосферне повітря - важливе джерело хімічної сировини для промисловості: наприклад, атмосферний азот є сировиною для одержання аміаку, азотної культури та інших хімічних сполук; кисень використовують у різних галузях народного господарства. Все більшого значення набуває освоєння енергії вітру, особливо в районах, де відсутні інші джерела енергії.
Будова атмосфера. Для атмосфери характерна чітко виражена шаруватість (рис.),визначається особливостями вертикального розподілу температури і щільності складових її газів.
Хід температури дуже складний, щільність зменшується за експоненційним законом (80% всієї маси атмосфери зосереджено в тропосфері).
Перехідною областю між атмосферою і міжпланетним простором є зовнішня її частина — екзосфера, що складається з розрідженого водню. На висотах 1-20 тисяч км гравітаційне поле Землі не здатне утримувати газ, і молекули водню розсіюються у космічному просторі. Область дисипації водню створює феномен геокорони. Перші польоти штучних супутників виявили, що Земля оточена кількома оболонками заряджених частинок, газокінетична температура яких сягає кількох тисяч градусів. Ці оболонки одержали назву радіаційних поясів. Заряджені частинки - електрони та протони сонячного походження - захоплюються магнітним полем Землі та викликають в атмосфері різні явища, наприклад, полярні сяйва. Радіаційні пояси становлять частину магнітосфери.
Усі параметри атмосфери – температура, тиск, щільність – характеризуються значною просторово-часовою мінливістю (широтною, річною, сезонною, добовою). Виявлено також їхню залежність від спалахів на Сонці.
Радіаційний, тепловий та водний баланси атмосфери. Практично єдиним джерелом енергії для всіх фізичних процесів, що розвиваються в атмосфері є сонячне випромінювання, що пропускається "вікнами прозорості" атмосфери. Головна особливість радіаційного режиму атмосфери – так званий парниковий ефект – у тому, що неюмайже не поглинається випромінювання в оптичному діапазоні (велика частина випромінювання досягає земної поверхні та нагріває її) і не пропускається у зворотному напрямку інфрачервоне (теплове) випромінювання Землі, що значно знижує тепловіддачу планети та підвищує її температуру. Частина падаючого на атмосферу сонячного випромінювання поглинається (головним чином водяною парою, вуглекислим газом, озоном та аерозолями), інша частина розсіюється газовими молекулами (чим пояснюється блакитний колір неба), порошинками та флуктуаціями щільності. Розсіяне випромінювання підсумовується із прямим сонячним світлом і, досягнувши поверхні Землі, частково відбивається від неї, частково поглинається. Частка відбитої радіації залежить від відбивної здатності поверхні, що підстилає (альбедо). Радіація, поглинена земною поверхнею, переробляється на інфрачервоне випромінювання, спрямоване в атмосферу. У свою чергу, атмосфера є також джерелом довгохвильового випромінювання, спрямованого до поверхні Землі (так зване противипромінювання атмосфери) і у світовий простір (так зване випромінювання, що йде). Різниця між короткохвильовим випромінюванням, поглиненим земною поверхнею, та ефективним випромінюванням атмосфери називається радіаційним балансом.
Перетворення енергії випромінювання Сонця після поглинання земної поверхнею і атмосферою становить тепловий баланс Землі. Втрати тепла з атмосфери у світовий простір набагато перевершують енергію, яку приносить поглинена радіація, проте дефіцит поповнюється його припливом за рахунок механічного теплообміну (турбуленція) і теплотою конденсації водяної пари. Величина останньої в атмосфері чисельно дорівнює витратам тепла на випаровування з Землі (див. Водний баланс).
Рух повітря. Внаслідок великої рухливостіатмосферного повітря всіх висотах у атмосфері спостерігаються вітри. Напрямки руху повітря залежать від багатьох факторів, але головний з них – нерівномірність нагріву атмосфери у різних районах. Внаслідок цього атмосферу можна уподібнити гігантській тепловій машині, яка перетворює променисту енергію, що надходить від Сонця, в кінетичну енергію рухомих повітряних мас. За приблизними оцінками, ккд цього процесу 2%, що відповідає потужності 2,26 • 1015 Вт. Ця енергія витрачається на формування великомасштабних вихорів (циклонів та антициклонів) та підтримання стійкої глобальної системи вітрів (мусони та пасати). Поряд із повітряними течіями великих масштабів у нижніх шарах атмосфери спостерігаються численні місцеві циркуляції повітря (бриз, бору, гірсько-долинні вітри та ін.). У всіх повітряних течіях зазвичай відзначаються пульсації, що відповідають переміщенню повітряних вихорів середніх та малих розмірів. Помітні зміни у метеорологічних умовах досягаються такими меліоративними заходами, як зрошення, полізахисне лісорозведення, осушення заболочених районів, створення штучних морів. Ці зміни переважно обмежуються приземним шаром повітря.
Окрім спрямованих впливів на погоду та кліматична діяльність людини впливає на склад атмосфери. Забруднення атмосфери за рахунок дії об'єктів енергетичної, металургії, хімічної та гірничої промисловості відбувається в результаті викиду в повітря головним чином відпрацьованих газів (90%), а також пилу та аерозолів. Загальна маса аерозолів, що викидаються щорічно у повітря в результаті діяльності людини, близько 300 млн. т. У зв'язку з цим у багатьох країнах проводять роботи з контролю за забрудненням повітря. Швидке зростання енергетики призводить до додаткового нагріванняатмосфери, яка поки що помітна лише у великих промислових центрах, але в майбутньому може призвести до змін клімату на великих територіях. Забруднення атмосфери гірськими підприємствами залежить від геологічної природи родовища, що розробляється, технології видобутку та переробки корисних копалин. Наприклад, виділення метану із пластів вугілля під час його розробки становить близько 90 млн. м 3 на рік.
Під час ведення вибухових робіт (для відбійки гірських порід) протягом року у атмосфері виділяється близько 8 млн. м 3 газів, їх більшість інертних, які мають шкідливого на довкілля. Інтенсивність виділення газів внаслідок окисних процесів у відвалах відносно велика. Рясне пиловиділення відбувається при переробці руд, а також на гірських підприємствах, які розробляють родовища відкритим способом із застосуванням вибухових робіт, особливо в посушливих і схильних до дії вітрів районах. Мінеральні частинки забруднюють повітряний простір нетривалий час, головним чином поблизу підприємств, осідаючи на ґрунт, поверхню водойм та інших об'єктів.
Для запобігання забруднення атмосфери газами застосовують: уловлювання метану, піноповітряні та повітряно-водяні завіси, очищення вихлопних газів та електропривод (замість дизельного) у гірничого та транспортного обладнання, ізоляцію вироблених просторів (замулювання, закладення), нагнітання води або антипір ін. У процеси переробки руди впроваджують нові технології (у тому числі із замкнутими виробничими циклами), газоочисні установки, відведення диму і газу у високі шари атмосфери та ін. пилу в процесібуровибухових та вантажно-транспортних робіт (зрошення водою, розчинами, пінами, нанесення на відвали, борти та дороги емульсійних або плівкових покриттів тощо). При транспортуванні руди застосовують трубопроводи, контейнери, плівкові та емульсійні покриття, при переробці – очищення фільтрами, покриття хвостосховищ галькою, органічними смолами, рекультивацію, утилізацію хвостосховищ.