Состав и структура атмосферы Земли

Кислород

Состав атмосферы начал  радикально меняться с появлением на Земле живых организмов, в результате фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого  газа. Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений — аммиака, углеводородов, закисной формы железа, содержавшейся в  океанах и др. По окончании данного  этапа содержание кислорода в  атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку это вызвало серьёзные  и резкие изменения многих процессов, протекающих в атмосфере, литосфере  и биосфере, это событие получило название Кислородная катастрофа.

В течение фанерозоя состав атмосферы и содержание кислорода  претерпевали изменения. Они коррелировали  прежде всего со скоростью отложения  органических осадочных пород. Так, в периоды угленакопления содержание кислорода в атмосфере, видимо, заметно  превышало современный уровень.

Углекислый газ

Содержание в атмосфере  СО2 зависит от вулканической деятельности и химических процессов в земных оболочках, но более всего — от интенсивности биосинтеза и разложения органики в биосфере Земли. Практически  вся текущая биомасса планеты (около 2,4·1012 тонн) образуется за счет углекислоты, азота и водяного пара, содержащихся в атмосферном воздухе. Захороненная в океане, в болотах и в лесах органика превращается в уголь, нефть и природный газ.

По состоянию на 2011 год, представлен в количестве 392 ppm или 0,0392 %. Роль углекислого газа (CO2, двуокись или диоксид углерода) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании процесса фотосинтеза, который осуществляется растениями. Являясь парниковым газом, двуокись углерода в воздухе оказывает влияние на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучамое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании климата планеты.

В связи с активным использованием человечеством ископаемых энергоносителей  в качестве топлива, происходит быстрое  увеличение концентрации этого газа в атмосфере. Впервые антропогенное  влияние на концентрацию двуокиси углерода отмечается с середины XIX века. Начиная  с этого времени, темп её роста  увеличивался и в конце 2000-х происходил со скоростью 2,20±0,01 ppm/год или 1,7 % за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO2 в атмосфере  является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 20 млн лет.

Рис. 4. Изменения концентрации CO2 в ppm на протяжении последних 400 тыс. лет. Современное изменение концентрации указано отдельно.

Роль в парниковом эффекте

Рис. 5.Спектр земной атмосферы с полосами поглощения CO2.

 

Отличительной особенностью парниковых свойств двуокиси углерода по сравнению с другими газами является её долговременное воздействие  на климат, которое после прекращения  вызвавшей её эмиссии остается в  значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид  азота, существуют в свободном состоянии  в атмосфере на протяжении более короткого времени.

Несмотря на относительно небольшую концентрацию в воздухе, CO2 является важной компонентой земной атмосферы, поскольку он поглощает  и переизлучает инфракрасное излучение  на различных длинах волн, включая  длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим  — асимметричное растяжение молекулы) и 14,99 мкм (изгибные колебания). Данный процесс исключает или снижает  излучение Земли в космос на этих длинах волн, что приводит к парниковому эффекту. Текущее изменение концентрации атмосферного CO2 сказывается в полосах поглощения, где его современное влияние на спектр переизлучения Земли приводит только к частичному поглощению.

Кроме парниковых свойств  двуокиси углерода, также имеет значение тот факт, что она является более  тяжелым газом по сравнению с  воздухом. Так как средняя относительная  молярная масса воздуха составляет 28,98 г/моль, а молярная масса CO2 — 44,01 г/моль, то увеличение доли углекислого  газа приводит к увеличению плотности  воздуха и, соответственно, к изменению  профиля его давления в зависимости  от высоты. В силу физической природы  парникового эффекта, такое изменение  свойств атмосферы приводит к  увеличению средней температуры  на поверхности.

Основным источником парникового  эффекта в атмосфере Земли  является газообразная вода или влажность воздуха. При отсутствии парниковых газов в атмосфере и значении солнечной постоянной, равной 1368 Вт⁄м2, средняя температура на поверхности должна составлять -15°C. В действительности, средняя температура поверхности Земли составляет +15°C, то есть парниковый эффект приводит к её увеличению на 30°C, из которых 20,6°C объясняется наличием водяного пара в воздухе, наличие в нем углекислого газа считается ответственным за повышение температуры на 7,2°C. Так как при увеличении доли этого газа в атмосфере его бо́льшая молярная масса приводит к росту плотности и давления, то при одной и той же температуре рост концентрации CO2 приводит к увеличению влагоёмкости воздуха и к усилению парникового эффекта, обусловленного бо́льшим количеством воды в атмосфере. Увеличение доли воды в воздухе для достижения одного и того же уровня относительной влажности — в силу малой молярной массы воды (18 гр⁄мол) — снижает плотность воздуха, что компенсирует увеличение плотности, вызванное наличием повышенного уровня углекислого газа в атмосфере.Комбинация перечисленных факторов в целом приводит к тому, что увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты.

Естественные источники.Большинство источников эмиссии CO2 являются естественными. Перегнивание органического материала, такого как мертвые деревья и трава, приводит к ежегодному выделению 220 млрд тонн двуокиси углерода, земные океаны выделяют 330 млрд. В ходе индонезийских лесных и торфяных пожаров (англ.)русск. 1997 года было выделено 13–40 % от среднегодовой эмиссии CO2, получаемой в результате сжигания ископаемых топлив. Несмотря на то, что первоначально углекислый газ был представлен в атмосфере молодой Земли в результате вулканической активности, современные вулканы выделяют в среднем 130–230 млн тонн CO2 каждый год, что составляет величину менее 1 % от антропогенной эмиссии.В обычном состоянии эти естественные источники находятся в равновесии с физическими и биологическими процессами, удаляющими двуокись углерода из атмосферы — часть CO2 растворяется в морской воде и часть удаляется из воздуха в процессе фотосинтеза. Так как обычно в ходе данного процесса поглощается 5,5·1011 т диоксида углерода, а его общая масса в земной атмосфере составляет 3,03 ·1012 т, то в среднем весь атмосферный CO2 участвует в углеродном цикле раз в шесть лет. Из-за наличия антропогенных выбросов, поглощение CO2 биосферой превосходило его выделение на ≈17 млрд тонн в середине 2000-х годов, скорость его поглощения имеет устойчивую тенденцию к увеличению вместе с ростом атмосферной концентрации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Антропогенная эмиссия

Рис. 6. Эмиссия углерода в атмосферу в результате пром. активности в 1800 – 2004 гг.

С наступлением промышленной революции в середине XIX века происходило  поступательное увеличение антропогенных  выбросов двуокиси углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса  углеродного цикла и росту  концентрации CO2. В настоящее время  около 57 % производимого человечеством  углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами. Соотношение увеличения количества CO2 в атмосфере ко всему выделенному CO2 составляет постоянную величину порядка 45 % и претерпевает короткопериодические колебания и колебания с периодом в пять лет.Сжигание ископаемых топлив, таких как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного CO2, вырубка лесов является второй по значимости причиной. В 2008 году в результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выделено 8,67 млрд тонн углерода (31,8 млрд тонн CO2), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла 6,14 млрд тонн. Сводка лесов под землепользование привела к увеличению содержания атмосферной двуокиси углерода эквивалентную сжиганию 1,2 млрд тонн угля в 2008 году (1,64 млрд тонн в 1990). Суммарное увеличение за 18 лет составляет 3 % от ежегодного естественного цикла CO2, что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO2. Как результат, двуокись углерода постепенно аккумулировалась в атмосфере и в 2009 году её концентрация на 39 % превосходила доиндустриальное значение.Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO2 не превосходит 8 % от его естественного годового цикла, наблюдается увеличение концентрации, обусловленное не только уровнем антропогенных выбросов, но и постоянным ростом уровня выбросов со временем.

1.9. Киотский протокол

Киотский протокол — международное  соглашение, принятое в Киото (Япония) в декабре 1997 года в дополнение к  Рамочной конвенции ООН об изменении  климата (РКИК). Оно обязывает развитые страны и страны с переходной экономикой сократить или стабилизировать  выбросы парниковых газов.

Детали соглашения

Период подписания протокола  открылся 16 марта 1998 года и завершился 15 марта 1999 года.

Количественные обязательства

Киотский протокол стал первым глобальным соглашением об охране окружающей среды, основанным на рыночном механизме  регулирования — механизме международной  торговли квотами на выбросы парниковых газов. Первый период осуществления  протокола начался 1 января 2008 года и продлится пять лет до 31 декабря 2012 года, после чего, как ожидается, на смену ему придёт новое соглашение.

Страны Приложения B Протокола  определили для себя количественные обязательства по ограничению либо сокращению выбросов на период с 1 января 2008 года по 31 декабря 2012 года. Цель ограничений  — снизить в этот период совокупный средний уровень выбросов 6 типов  газов (CO2, CH4, гидрофторуглеводороды, перфторуглеводороды, N2O, SF6) на 5,2 % по сравнению с уровнем 1990 года.

Основные обязательства  взяли на себя индустриальные страны:

Евросоюз должен сократить  выбросы на 8 %

США - на 7%

Япония и Канада — на 6 %

Страны Восточной Европы и Прибалтики — в среднем на 8 %

Россия и Украина —  сохранить среднегодовые выбросы  в 2008—2012 годах на уровне 1990 года

Развивающиеся страны, включая  Китай и Индию, обязательств на себя не брали.

Механизмы гибкости

Протокол также предусматривает  так называемые механизмы гибкости:

торговлю квотами, при  которой государства или отдельные  хозяйствующие субъекты на его территории могут продавать или покупать квоты на выбросы парниковых газов  на национальном, региональном или  международном рынках;

проекты совместного осуществления  — проекты по сокращению выбросов парниковых газов, выполняемые на территории одной из стран Приложения I РКИК полностью или частично за счёт инвестиций другой страны Приложения I РКИК;

механизмы чистого развития — проекты по сокращению выбросов парниковых газов, выполняемые на территории одной из стран РКИК (обычно развивающейся), не входящей в Приложение I, полностью  или частично за счёт инвестиций страны Приложения I РКИК.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. СОСТОЯНИЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКОЙ ОБЛАСТИ.

Общее состояние атмосферы  Восточно-Казахстанской области  находится под влиянием выбросов от стационарных источников 1953 предприятий, а так же от передвижных источников.

 Основное вредное воздействие  на атмосферу области оказывают  предприятия г. Усть-Каменогорска, г. Риддера, г. Семипалатинска.

 В сравнении с 2003 г. валовые выбросы от стационарных  источников в 2004 г. снизились,  что обусловлено выполнением  промышленными предприятиями области воздухоохранных мероприятий(Рис.7) .

Рис.7

Наибольший вклад в  загрязнение атмосферы Восточно-Казахстанской  области вносят предприятия цветной  металлургии - ОАО «Казцинк», предприятия  теплоэнергетики- корпорации Алтай  Пауэр, предприятия по производству строительных материалов -ЗАО Семейцемент, Бухтарминская цементная компания и др.

45% от валовых выбросов  в атмосферу области приходится  на предприятия АО "Казцинк".

 Эффективность улавливания  загрязняющих веществ на предприятиях  Восточно-Казахстанской области  в среднем составляет около  82%. Из общего количества выбрасываемых  веществ 14% составляют твердые,  остальные жидкие и газообразные.

 Для снижения выбросов  загрязняющих веществ от стационарных  источников предприятия - природопользователи  выполняют воздухоохранные мероприятия  согласно условий выданных разрешений  и проектов ПДВ.

 С целью ужесточения  требований по соблюдению нормативов  качества атмосферного воздуха  необходимо разработать проекты  обустройства санитарно-защитных  зон как для отдельных предприятий,  так и для групп предприятий. 

Усть-Каменогорск является крупным промышленным и научным  центром, на предприятиях которого производят свинец, цинк, титан, магний, серную кислоту, благородные и редкие металлы, горнорудное  оборудование и другую продукцию. В  экономическом потенциале области  на долю Усть-Каменогорска приходится 55 % всей промышленной продукции.

На территории г. Усть-Каменогорска размещено более 398 промышленных объектов, оказывающих влияние на окружающую среду областного центра.

В г. Усть-Каменогорске зарегистрировано 3217 организованных и 2484 неорганизованных стационарных источников.

 В общем, объеме  валовых выбросов от стационарных  источников наметилась тенденция  к снижению.

Рис.8 Валовые выбросы загрязняющих веществ по г. Усть-Каменогорску

Одним из основных загрязнителей  атмосферного воздуха г. Усть-Каменогорска является УК МП АО «Казцинк», на долю которого приходится 73,4% всех вредных выбросов от стационарных источников, вклад  предприятий электроэнергетической  промышленности (ТОО «АЭС УК Согринская ТЭЦ», ОАО «УК ТС», ОАО АЭС УК ТЭЦ) составляет 20,5%. На остальные предприятия  города, включая ОАО « УМЗ», ОАО  «УК ТМК»- 6,1% .