Экология. Рациональное природопользование и безопасность жизнедеятельности. Часть 3
На рис. 3.3 приведен характерный спектр комб*1
ционного рассеяния на различных молекулах.
164 .
Спектральное
разрешение
—Н И—
1 нм
СО2 Н2СО3
N,
1
1
SO2 I I O2 I NO COM
111 И Н 1
1 i 1 1 1 1 1
350 360
Спектральное
разрешение
—Н И—
0,8 нм
СО2 Н2СО3
¦ | О2 | N0
Hut
1 1
N2
1
СО
\\ |
H2SC2H4 4 Н2О Н2О
1 1 \'
370
H2S С2
1
М (жидк.) (пар)
КЯ
i i i i i i i
380 Х,нм
СН4
Н4 Н2О HjO
350
360
370
380
X, нм
Рис. 3.3. Спектральное распределение компонентов комбинационного
рассеяния на различных молекулах:
а —дымовой шлейф от горящей нефти; б— выхлопные газы автомобиля
Сущность резонансного поглощения заключается в том, что га-
°вЫе компоненты атмосферы селективно поглощают ЭМИ пере-
^Раиваемого лазера, в этом случае излучение совпадает с обла-
**> собственного поглощения электронов (УФ- или видимый
аПазон) или молекул и атомов (ИК-диапазон) конкретного за-
язнителя. Поглощенная энергия спустя некоторое время спон-
^%о переизлучается, причем частота переизлученного сигнала
^Чается от частоты поглощенного излучения.
!)а Сущность резонансного рассеяния совпадает с явлением комби-
^ рассеяния, с той лишь разницей, что интенсивность
¦¦¦¦\' ,.: • ¦¦¦¦-.. .-.¦:¦ ¦ 165
резонансного рассеяния на несколько порядков превышает h
тенсивность комбинационного рассеяния, что обусловлено ц.Д
родой рассеивателя. Метод резонансного рассеяния находит пп
менение при оценке загрязняющих атмосферу паров Мета
лов: ртути, кадмия, цинка, натрия, мышьяка.
Выбор длины волны зондирующего лазера играет болыт,
роль для всех рассмотренных выше методов исследования атц^
сферы. Обычно в лидарах используются лазеры с перестраиваешь,
ми частотами генерации, позволяющие перекрыть диапазон дли\'
волн 360—1000 нм (например, лазеры с блоком удвоения частоть
на красителях).
§ 3.3. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ И КОНТРОЛЬ
ЗА СОСТОЯНИЕМ АТМОСФЕРЫ
Основным условием существования жизни на Земле являетя
чистый воздух атмоферы, необходимый для дыхания живых орга-
низмов. Человек в течение суток потребляет примерно 15 кг возду-
ха, 1,5 кг пищи, 2,5 л воды. Если без воды и пищи можно прожить
дни и даже недели, то без воздуха — считанные минуты. Загрязне-
ние воздуха наносит серьезный ущерб здоровью человека, приро-
де, промышленности, сельскому и коммунальному хозяйству.
В составе атмосферного воздуха 78 % азота, 21 % кислорода,
0,03 % диоксида углерода, присутствуют озон, метан, аргон, неон,
гелий. Из всех газов наибольшая роль принадлежит кислороду, яв-
ляющемуся обязательным элементом круговорота веществ в био-
сфере. Кислород, являющийся продуктом фотосинтеза зеленых
растений, за 2,5 млрд лет накопился в атмосфере в количестве
1,5 ¦ 1015 т. Одно дерево производит за сутки 180 л кислорода. Че-
ловек потребляет в покое 360 л кислорода, при физической нагрУ3\'
ке — 700—900 л в сутки.
Ранее в литературе высказывались опасения, что
уменьшение количества кислорода вследствие увеличения
сжигания ископаемого топлива. Но расчеты (Бренер, 1970)
зали, что использование всех доступных человеку залежей
нефти и природного газа уменьшит содержание кислорода в воД
хе не более чем на 0,15 % (с 20,95 до 20,8 %). Другой проблем01^
связанной с кислородом, является вырубка лесов, приводят^,
возникновению кислородных паразитов — стран, которые У& л
за счет чужого кислорода. Например, США за счет своих расте^
имеет только 40 % кислорода, Швейцария — 25 %. Реальное\'1\'
стало массовое уничтожение лесных массивов в России.
166 ¦¦ \' , .:¦?.¦. : ¦•¦¦¦;¦..:¦:¦\' ¦
Состав основной части тропосферы и его изменение сущест-
во зависят от антропогенного воздействия. Так, за последние
^q Лет в результате деятельности человека в атмосферу поступило
\' Оло 360 млрд т диоксида углерода; его общее содержание увели-
\" дОсь на 13 %. При сохранении имеющихся тенденций в ближай-
V6 ^ лет количество Диоксида углерода возрастет еще на 30 %.
Резко увеличилось в атмосфере содержание метана, оксидов азота
й серы; стала заметной концентрация фреонов (фторхлоруглеро-
оВ), впервые синтезированных в 30-е годы XX в. и получивших
широкое применение лишь с конца 50-х годов. Уже сейчас фреоны
другие высокомолекулярные соединения оказывают влияние на
состояние озонового слоя (см. § 1.3). Общеизвестна роль СО2 в
возможности создания на Земле «парникового эффекта», обуслов-
ленного тем, что атмосфера хорошо пропускает солнечную радиа-
цию к земной поверхности, но длинноволновое излучение Земли
сильно поглощается тропосферой, что приводит к повышению
температуры приземного слоя воздуха.
Рассмотрим эту проблему подробнее. Известно, что Земля по-
лучает энергию от Солнца. В результате термоядерной реакции в
недрах Солнца с его поверхности излучается электромагнитная
энергия. Мощность излучения с единицы поверхности пропор-
циональна четвертой степени температуры поверхности, так что
Солнце излучает в единицу времени энергию в количестве
= 3,83-1026 Вт, C.2)
где /^ — радиус Солнца; Тс — температура его поверхности; а —
коэффициент пропорциональности (постоянная Стефана —
Больцмана). Очень малая часть солнечной энергии попадает на
; она равна отношению площади сечения земного шара
Площади сферы 4шх|, где а3 — радиус земной орбиты (Земля
слой атмосферы). Тогда мощность солнечного излучения,
Уступающего на Землю,
Р = п^3/4па\\ = 1,75 • 1017 Вт. C.3)
Часть солнечной энергии сразу отражается в космос. Доля от-
JЦенной энергии А называется альбедо (от лат. albus — белый).
3Мерения, проведенные со спутников Земли, дают А = 0,28. Ос-
Ь часть энергии поглощается Землей, и это является причи-
Того, что на Земле тепло по сравнению с Космосом. Но сол-
^я энергия поступает на Землю постоянно, и если бы не было
!, °Да этой энергии обратно в Космос, то температура на Земле
^Кн была бы постоянно и неограниченно возрастать. В дейст-
, •.;•..¦• 167
вительности это не так, от Земли происходит отвод энергии в вц
электромагнитного излучения; закон излучения такой же, как
для Солнца, — мощность излучения с единицы поверхности пп **
порциональна четвертой степени температуры Г3 поверхност
Земли. Мы можем записать энергетический баланс Земли — равен
ство между энергией, поступающей от Солнца и поглоГ
Землей, и энергией, излучаемой от Земли в Космос:
(l-ALnR2coT* -S- = 4nR23
Отсюда найдем среднюю температуру поверхности Земли
7-3 = 257 К = -16 °С. C.5)
Эта температура заметно ниже, чем наблюдаемая в действи-
тельности. Дело в том, что носителем энергии излучения являются
электромагнитные волны различной длины. Совокупность всех
волн образует спекр излучения. Волны разной длины несут разное
количество энергии. Распределение энергии по спектру сложно,
но для наших целей достаточно указать, что максимум энергии из-
лучения приходится на интервал длин волн, зависящих от темпе-
ратуры излучателя: для Солнца максимум расположен в видимой
области спектра @,3—0,7 мкм), для Земли он сдвинут далеко в ин-
фракрасную область. (Излучение Земли недоступно для наблюде-
ния невооруженным глазом.) Атмосфера Земли обладает следую-
щим свойством: она прозрачна для видимого света и не пропускает
значительную часть энергии, приходящуюся на инфракрасную об-
ласть спектра. Вследствие этого часть потока радиационной энер-
гии, излучаемой поверхностью Земли, задерживается в атмосфера
превращаясь в теплоту. Температура повышается до новой равно-
весной температуры, более высокой, чем полученная выше. №aK>
превышение средней температуры Земли над расчетным значени-
ем объясняется закономерностями процесса распространения ЛУ
чистой энергии и свойством атмосферного воздуха поглоШа
длинноволновое излучение. Аналогичный эффект наблюдаете
парнике, поэтому повышение температуры часто называют «паи
никовым эффектом».
Возможность возникновения «парникового эффекта» сГ
не только с загрязнением атмосферы СО2. Аналогичными сво
вами обладают метан, закись азота, фреоны, концентрация К°
рых в атмосфере быстро возрастает. Несмотря на то что KOl\\
трация этих газов намного ниже концентрации СО2, эфФе
168
Cfb поглощения ими тепловой радиации в расчете на одну моле-
значительно выше, чем у СО2 (СН4 — в 30, NO2 — в 10,
— в 104 раз). Если темпы роста концентрации этих «пар-
к газов сохранятся, то к 2020 г. они вызовут эффект, экви-
алентный удвоению содержания СО2 в атмосфере.
ционного рассеяния на различных молекулах.
164 .
Спектральное
разрешение
—Н И—
1 нм
СО2 Н2СО3
N,
1
1
SO2 I I O2 I NO COM
111 И Н 1
1 i 1 1 1 1 1
350 360
Спектральное
разрешение
—Н И—
0,8 нм
СО2 Н2СО3
¦ | О2 | N0
Hut
1 1
N2
1
СО
\\ |
H2SC2H4 4 Н2О Н2О
1 1 \'
370
H2S С2
1
М (жидк.) (пар)
КЯ
i i i i i i i
380 Х,нм
СН4
Н4 Н2О HjO
350
360
370
380
X, нм
Рис. 3.3. Спектральное распределение компонентов комбинационного
рассеяния на различных молекулах:
а —дымовой шлейф от горящей нефти; б— выхлопные газы автомобиля
Сущность резонансного поглощения заключается в том, что га-
°вЫе компоненты атмосферы селективно поглощают ЭМИ пере-
^Раиваемого лазера, в этом случае излучение совпадает с обла-
**> собственного поглощения электронов (УФ- или видимый
аПазон) или молекул и атомов (ИК-диапазон) конкретного за-
язнителя. Поглощенная энергия спустя некоторое время спон-
^%о переизлучается, причем частота переизлученного сигнала
^Чается от частоты поглощенного излучения.
!)а Сущность резонансного рассеяния совпадает с явлением комби-
^ рассеяния, с той лишь разницей, что интенсивность
¦¦¦¦\' ,.: • ¦¦¦¦-.. .-.¦:¦ ¦ 165
резонансного рассеяния на несколько порядков превышает h
тенсивность комбинационного рассеяния, что обусловлено ц.Д
родой рассеивателя. Метод резонансного рассеяния находит пп
менение при оценке загрязняющих атмосферу паров Мета
лов: ртути, кадмия, цинка, натрия, мышьяка.
Выбор длины волны зондирующего лазера играет болыт,
роль для всех рассмотренных выше методов исследования атц^
сферы. Обычно в лидарах используются лазеры с перестраиваешь,
ми частотами генерации, позволяющие перекрыть диапазон дли\'
волн 360—1000 нм (например, лазеры с блоком удвоения частоть
на красителях).
§ 3.3. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ И КОНТРОЛЬ
ЗА СОСТОЯНИЕМ АТМОСФЕРЫ
Основным условием существования жизни на Земле являетя
чистый воздух атмоферы, необходимый для дыхания живых орга-
низмов. Человек в течение суток потребляет примерно 15 кг возду-
ха, 1,5 кг пищи, 2,5 л воды. Если без воды и пищи можно прожить
дни и даже недели, то без воздуха — считанные минуты. Загрязне-
ние воздуха наносит серьезный ущерб здоровью человека, приро-
де, промышленности, сельскому и коммунальному хозяйству.
В составе атмосферного воздуха 78 % азота, 21 % кислорода,
0,03 % диоксида углерода, присутствуют озон, метан, аргон, неон,
гелий. Из всех газов наибольшая роль принадлежит кислороду, яв-
ляющемуся обязательным элементом круговорота веществ в био-
сфере. Кислород, являющийся продуктом фотосинтеза зеленых
растений, за 2,5 млрд лет накопился в атмосфере в количестве
1,5 ¦ 1015 т. Одно дерево производит за сутки 180 л кислорода. Че-
ловек потребляет в покое 360 л кислорода, при физической нагрУ3\'
ке — 700—900 л в сутки.
Ранее в литературе высказывались опасения, что
уменьшение количества кислорода вследствие увеличения
сжигания ископаемого топлива. Но расчеты (Бренер, 1970)
зали, что использование всех доступных человеку залежей
нефти и природного газа уменьшит содержание кислорода в воД
хе не более чем на 0,15 % (с 20,95 до 20,8 %). Другой проблем01^
связанной с кислородом, является вырубка лесов, приводят^,
возникновению кислородных паразитов — стран, которые У& л
за счет чужого кислорода. Например, США за счет своих расте^
имеет только 40 % кислорода, Швейцария — 25 %. Реальное\'1\'
стало массовое уничтожение лесных массивов в России.
166 ¦¦ \' , .:¦?.¦. : ¦•¦¦¦;¦..:¦:¦\' ¦
Состав основной части тропосферы и его изменение сущест-
во зависят от антропогенного воздействия. Так, за последние
^q Лет в результате деятельности человека в атмосферу поступило
\' Оло 360 млрд т диоксида углерода; его общее содержание увели-
\" дОсь на 13 %. При сохранении имеющихся тенденций в ближай-
V6 ^ лет количество Диоксида углерода возрастет еще на 30 %.
Резко увеличилось в атмосфере содержание метана, оксидов азота
й серы; стала заметной концентрация фреонов (фторхлоруглеро-
оВ), впервые синтезированных в 30-е годы XX в. и получивших
широкое применение лишь с конца 50-х годов. Уже сейчас фреоны
другие высокомолекулярные соединения оказывают влияние на
состояние озонового слоя (см. § 1.3). Общеизвестна роль СО2 в
возможности создания на Земле «парникового эффекта», обуслов-
ленного тем, что атмосфера хорошо пропускает солнечную радиа-
цию к земной поверхности, но длинноволновое излучение Земли
сильно поглощается тропосферой, что приводит к повышению
температуры приземного слоя воздуха.
Рассмотрим эту проблему подробнее. Известно, что Земля по-
лучает энергию от Солнца. В результате термоядерной реакции в
недрах Солнца с его поверхности излучается электромагнитная
энергия. Мощность излучения с единицы поверхности пропор-
циональна четвертой степени температуры поверхности, так что
Солнце излучает в единицу времени энергию в количестве
= 3,83-1026 Вт, C.2)
где /^ — радиус Солнца; Тс — температура его поверхности; а —
коэффициент пропорциональности (постоянная Стефана —
Больцмана). Очень малая часть солнечной энергии попадает на
; она равна отношению площади сечения земного шара
Площади сферы 4шх|, где а3 — радиус земной орбиты (Земля
слой атмосферы). Тогда мощность солнечного излучения,
Уступающего на Землю,
Р = п^3/4па\\ = 1,75 • 1017 Вт. C.3)
Часть солнечной энергии сразу отражается в космос. Доля от-
JЦенной энергии А называется альбедо (от лат. albus — белый).
3Мерения, проведенные со спутников Земли, дают А = 0,28. Ос-
Ь часть энергии поглощается Землей, и это является причи-
Того, что на Земле тепло по сравнению с Космосом. Но сол-
^я энергия поступает на Землю постоянно, и если бы не было
!, °Да этой энергии обратно в Космос, то температура на Земле
^Кн была бы постоянно и неограниченно возрастать. В дейст-
, •.;•..¦• 167
вительности это не так, от Земли происходит отвод энергии в вц
электромагнитного излучения; закон излучения такой же, как
для Солнца, — мощность излучения с единицы поверхности пп **
порциональна четвертой степени температуры Г3 поверхност
Земли. Мы можем записать энергетический баланс Земли — равен
ство между энергией, поступающей от Солнца и поглоГ
Землей, и энергией, излучаемой от Земли в Космос:
(l-ALnR2coT* -S- = 4nR23
Отсюда найдем среднюю температуру поверхности Земли
7-3 = 257 К = -16 °С. C.5)
Эта температура заметно ниже, чем наблюдаемая в действи-
тельности. Дело в том, что носителем энергии излучения являются
электромагнитные волны различной длины. Совокупность всех
волн образует спекр излучения. Волны разной длины несут разное
количество энергии. Распределение энергии по спектру сложно,
но для наших целей достаточно указать, что максимум энергии из-
лучения приходится на интервал длин волн, зависящих от темпе-
ратуры излучателя: для Солнца максимум расположен в видимой
области спектра @,3—0,7 мкм), для Земли он сдвинут далеко в ин-
фракрасную область. (Излучение Земли недоступно для наблюде-
ния невооруженным глазом.) Атмосфера Земли обладает следую-
щим свойством: она прозрачна для видимого света и не пропускает
значительную часть энергии, приходящуюся на инфракрасную об-
ласть спектра. Вследствие этого часть потока радиационной энер-
гии, излучаемой поверхностью Земли, задерживается в атмосфера
превращаясь в теплоту. Температура повышается до новой равно-
весной температуры, более высокой, чем полученная выше. №aK>
превышение средней температуры Земли над расчетным значени-
ем объясняется закономерностями процесса распространения ЛУ
чистой энергии и свойством атмосферного воздуха поглоШа
длинноволновое излучение. Аналогичный эффект наблюдаете
парнике, поэтому повышение температуры часто называют «паи
никовым эффектом».
Возможность возникновения «парникового эффекта» сГ
не только с загрязнением атмосферы СО2. Аналогичными сво
вами обладают метан, закись азота, фреоны, концентрация К°
рых в атмосфере быстро возрастает. Несмотря на то что KOl\\
трация этих газов намного ниже концентрации СО2, эфФе
168
Cfb поглощения ими тепловой радиации в расчете на одну моле-
значительно выше, чем у СО2 (СН4 — в 30, NO2 — в 10,
— в 104 раз). Если темпы роста концентрации этих «пар-
к газов сохранятся, то к 2020 г. они вызовут эффект, экви-
алентный удвоению содержания СО2 в атмосфере.