Глобальные проблемы атмосферы: Загрязнение атмосферного воздуха вредными веществами

Глобальные проблемы загрязнения атмосферы

Как мы знаем, глобальные экологические проблемы создают угрозу всему человечеству. К их числу относятся и проблемы, связанные с загрязнением атмосферы.

Одна из них, как полагают многие ученые, вызывает изменение климата на планете — заметное его потепление в последнее время. Ученые связывают это с увеличением  количества углекислого газа в атмосфере. Вспомним, что водяные пары атмосферы, углекислый газ,  метан и некоторые другие газы воздуха обладают способностью задерживать тепловое (инфракрасное) излучение Земли. Это приводит к повышению температуры поверхности Земли. По аналогии с процессами, протекающими в теплицах и парниках, эту способность атмосферы называют парниковым эффектом.

Не будем забывать, что важнейшей характеристикой земного климата служит средняя глобальная температура земной поверхности. В процессе эволюции жизнь развилась в определенных климатических условиях. Любой организм может жить лишь в достаточно узкой области таких факторов среды, как температура, влажность, давление и прочее. Следовательно, при их изменении можно ожидать серьезных нарушений в жизни природных систем за счет изменения среды их обитания.

За последнее столетие температура в приземном слое увеличилась на 0,8 ⁰ С, причем прирост в 0,6 ⁰ С градуса произошел примерно в последние 30 лет (см. рисунок).

Среднеземная температурая аномалия

Много это или мало? Повышение температуры менее чем на один градус кажется малозначительным, особенно если учитывать, что в ледниковые периоды температура падала на десятки градусов. Но ледниковые периоды наступали и отступали в масштабе тысячелетий,  а здесь мы имеем дело с десятками лет. Как полагают эксперты, повышение температуры на 2-3 градуса приведет к глобальным климатическим изменениям, последствия которых будут не менее драматичными, чем от наступления ледникового периода.

Между тем многие современные климатические прогнозы предполагают дальнейшее повышение температуры, по разным прогнозам, к концу ХХI века следует ожидать прирост от 1 до 6 градусов.

Сильнее всего за последние полвека потепление отразилось на климате Северной Европы, Сибири, Аляски и в меньшей степени Антарктиды. Уже сейчас это начинает сказываться: уменьшается площадь, покрытая льдом, в Северном Ледовитом океане, происходит таяние ледников Гренландии и Антарктиды. Прогнозируется, что к концу ХХI века арктический морской лед летом будет  полностью исчезать См.: http://www.greenpeace.org/russia/ru/campaigns/protect-the-arctic/threat-to-the-Arctic/   . Однако наибольшие опасения вызывает таяние огромного ледникового щита Гренландии.

Многие ученые связывают повышение концентрации углекислого газа в атмосфере с деятельностью человека, в основном с выбросами в атмосферу продуктов сжигания ископаемого топлива, а также со сведением лесов (вспомним, что растения в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ).

Если Вы хотите более подробно ознакомиться с этой глобальной проблемой, послушайте выступление ученого. В. П. Мелешко — геофизик, доктор физико-математических наук, директор Главной геофизической обсерватории имени А. И. Воейкова — подробно рассказывает о сути и возможных последствиях изменения климата. Видео 14.

На сайте Гринписа можно ознакомиться с  мнением еще одного эксперта об изменении климата. Видео 15.

Нельзя не отметить, что, если факт потепления современного климата сомнений не вызывает, то долговременный прогноз глобального потепления оспаривается рядом ученых.  Дискуссии по этому вопросу отражены, в частности, в комментариях Гринписа к фильму «История одного обмана», показанному на первом канале и посвященному глобальному потеплению. Видео 16.

В любом случае вопросы изменения климата напрямую связаны с существованием человечества. Поэтому понятны и интерес, и озабоченность, которые вызывает в обществе эта проблема.

В 1997 г. в Киото представителями 160 стран был составлен документ (Киотский протокол), призывающий развитые страны сократить выброс в атмосферу углекислого газа, метана и некоторых других парниковых газов. При всей неоднозначности ряд формулировок Киотского протокола это важный шаг на пути выработки взвешенной экологической политики в мировом масштабе. Даже если окажется, что техногенный выброс углекислого газа значимо не влияет на глобальные изменения климата, то ужесточение требований к очистке газообразных выбросов предприятий, несомненно, будет способствовать оздоровлению локальной экологической ситуации.

Какие Вы видите возможные пути замедления или остановки угрозы глобального потепления и предотвращения связанных с этим изменений климата?

В предыдущей теме среди важнейших для жизни на Земле функций атмосферы мы отметили ее способность поглощать солнечную радиацию и тем самым  защищать живые организмы от губительного для них жесткого излучения Солнца. «Ответственен» за это находящийся на высоте 20-40 км над поверхностью Земли в атмосфере слой с повышенной концентрацией озона, так называемый «озоновый слой».

В 1985 году в научной печати появились сенсационные сообщения: в озоновом слое над Антарктидой, над одним из холодных снежных покровов планеты, обнаружено существенное истончение. Опасный для всего живого ультрафиолет Солнца свободно проникает через так называемую «озоновую дыру». Сейчас достаточно интенсивное ультрафиолетовое излучение попадает не только на безжизненные снега Антарктиды, но и на умеренные области планеты, к которым относится большая часть Европы и бывшего СССР. Концентрация озона в стратосфере снизилась на 6-8%. И этого оказывается достаточно для заметного повышения интенсивности ультрафиолетового излучения. Видео 17.

Что же служит причиной утоньшения озонового слоя? Ученые считают, что оно, прежде всего, связано с выбросом в атмосферу образующихся в результате хозяйственной деятельности озоноразрушающих веществ, таких как фреоны (используются в холодильной технике, а также в аэрозольных баллончиках), и ряда других веществ. Анимация, которую Вы сейчас увидите,  показывает, что могло бы случиться с озоновым слоем к 2065 году, если бы не были запрещены наиболее агрессивные озоноразрушающие химические вещества в соответствии с Монреальским протоколом, 1987 г. Видео 18.

Международное сообщество предпринимает усилия для сохранения и восстановления озонового слоя.

Вы можете более подробно ознакомиться с исследованиями ученых  озонового слоя, узнать про действия всемирных организаций по его сохранению.Видео 19.

А что можем сделать мы, отдельные люди, для решения этой важной для всего живого проблемы? Каковы наши возможности в уменьшении выброса опасных веществ в атмосферу при сжигании синтетических материалов, энергосбережении, и т.д.?

Еще одной глобальной проблемой, связанной с загрязнением атмосферы, являются так называемые кислотные дожди.

Глобальные экологические проблемы — Protect of ecology96

Ежедневно среднестатистический человек вдыхает порядка 20 000 литров воздуха, содержащего, помимо жизненно важного кислорода, целый перечень вредных взвешенных частиц и газов. Загрязнители атмосферы условно делятся на 2 типа: естественные и антропогенные. Последние превалируют.

Глобальную экологическую проблему загрязнения атмосферы, по словам учёных и представителей власти, можно решить следующими путями:

-ограничение роста численности населения;сокращение объёмов использования энергии;

-повышение энергоэффективности;

-уменьшение отходов;переход на экологически чистые возобновляемые источники энергии;

-очистка воздуха на особо загрязнённых территориях. 

Глобальная экологическая проблема №2: Истощение озонового слоя. 

Озоновый слой – тонкая полоска стратосферы, защищающая всё живое на Земле от губительных ультрафиолетовых лучей Солнца.

Мировая экологическая проблема №3: Глобальное потепление.

Подобно стеклянным стенам парника, углекислый газ, метан, окись азота и водяной пар позволяют солнцу нагревать нашу планету и одновременно препятствуют выходу в космос отражающегося от поверхности земли инфракрасного излучения. Все эти газы ответственны за поддержание температуры, приемлемой для жизни на земле. Однако повышение концентрации углекислого газа, метана, оксида азота и водяного пара в атмосфере – это очередная мировая экологическая проблема, именуемая глобальным потеплением (или парниковым эффектом).

Решение экологической проблемы:

Замедлить процесс глобального потепления, по словам экологов, помогут следующие меры:повышение цен на ископаемые виды топлива,замена ископаемого топлива экологически чистым (солнечная энергия, энергия ветра и морских течений),развитие энергосберегающих и безотходных технологий,налогообложение выбросов в окружающую среду,минимизация потерь метана во время его добычи, транспортировки по трубопроводам, распределения в городах и сёлах и применения на станциях теплоснабжения и электростанциях,внедрение технологий поглощения и связывания углекислого газа,посадка деревьев,уменьшение размеров семей,экологическое просвещение,применение фитомелиорации в сельском хозяйстве.

Глобальная экологическая проблема №4: Кислотные дожди.

Кислотные дожди, содержащие продукты сжигания топлива, также представляют опасность для окружающей среды, здоровья человека и даже для целостности памятников архитектуры.

Решение экологической проблемы:

Во имя спасения природы и архитектуры от кислотных дождей, необходимо минимизировать выбросы окислов серы и азота в атмосферу.

Глобальная экологическая проблема №5: Загрязнение почвы.

Ежегодно люди загрязняют окружающую среду 85 млрд. тоннами отходов. Среди них твёрдые и жидкие отходы промышленных предприятий и транспорта, с/х отходы (в том числе ядохимикаты), бытовой мусор и атмосферные выпадения вредных веществ.

Главную роль в загрязнении почвы играют такие компоненты техногенных отходов как тяжёлые металлы (свинец, ртуть, кадмий, мышьяк, таллий, висмут, олово, ванадий, сурьма), пестициды и нефтепродукты. Из почвы они проникают в растения и воду, даже родниковую. По цепочке токсичные металлы попадают в организм человека и не всегда быстро и полностью из него выводятся. Часть из них имеет свойство накапливаться в течение долгих лет, провоцируя развитие тяжёлых заболеваний.

Глобальная экологическая проблема №6: Загрязнение воды.

Загрязнение мирового океана, подземных и поверхностных вод суши – глобальная экологическая проблема, ответственность за которую целиком и полностью лежит на человеке.

атмосферный воздух – тема научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам читайте бесплатно текст научно-исследовательской работы в электронной библиотеке КиберЛенинка

УДК 502/504

ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ: АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ

Казанцева Лидия Кузьминична,

кандидат исторических наук, старший научный сотрудник Тагаева Татьяна Олеговна,

кандидат экономических наук, доцент, старший научный сотрудник Институт экономики и организации промышленного производства СО РАН г. Новосибирск, Россия [email protected]

В статье анализируется наиболее острые проблемы загрязнения атмосферного воздуха. Изложены основные направления дискуссии о причинах глобального изменения климата.

Ключевые слова: атмосферный воздух; глобальное потепление климата; парниковый эффект; загрязняющие вещества техногенного происхождения.

THE GLOBAL ENVIRONMENTAL PROBLEMS: ATMOSPHERIC AIR

Kazantceva Lidia, senior researcher, Ph.D of History (candidate of History)

Tagaeva Tatyana, senior researcher, Ph.D of Economics (candidate of Economics), associate professor Institute of Economics and Industrial Engineering SB RAS Novosibirsk, Russia klk@ieie.

nsc.ru

The article contains analysis topical problems concerning atmospheric air pollution. There is description of world discussion about reasons of global climate changing.

Keywords: atmospheric air, the global climate warming, «greenhouse» effect, polluting anthropogenic hazardous substances.

Атмосферный воздух является самой важной жизнеобеспечивающей природной средой и представляет собой смесь газов и аэрозолей приземного слоя атмосферы, сложившуюся в ходе эволюции Земли, деятельности человека и находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений. Результаты экологических исследований в России и за рубежом свидетельствуют о том, что загрязнение приземной атмосферы — самый мощный, постоянно действующий фактор воздействия на человека и окружающую среду.

В последние годы получены данные о существенной роли озонового слоя атмосферы для сохранения биосферы. Именно он поглощает губительное для жи-

вых организмов ультрафиолетовое излучение Солнца и формирует на высотах около 40 км тепловой барьер, предохраняющий охлаждение земной поверхности.

Атмосфера оказывает интенсивное воздействие не только на человека и биологический мир, но и на гидросферу, почвенно-растительный покров, геологическую среду, здания, сооружения и другие техногенные объекты. Поэтому охрана атмосферного воздуха и озонового слоя является наиболее приоритетной проблемой экологии и ей уделяется пристальное внимание во всех развитых странах.

С конца 19 в. в связи с быстрым ростом добычи основного энергоресурса -ископаемого топлива — отмечается резкий рост эмиссии углекислого газа. Если за все время существования цивилизации в результате хозяйственной деятельности человека в атмосферу, по некоторым оценкам, поступило около 360 млрд. тонн углекислого газа, то основная его часть приходится именно на последнее столетие, причем темпы этого процесса неуклонно растут. Так, с 1950 по 1996 гг. ежегодная эмиссия углерода только индустриального происхождения выросла в 4,6 раза. В последнее время (начиная с 2000 г) среднегодовой темп эмиссии составляет около 2,5% (рассчитано по [1], стр. 233), и, по оценкам, мировые выбросы углерода в 2003 г. составили 7,7 млрд. тонн (масса СО2 пересчитывается в углерод с помощью коэффициента 3,664).

Выбросы углерода играют важную роль в так называемом парниковом эффекте, который был обнаружен Жаном Батистом Жозефом Фурье еще в 1824 г. и впервые был количественно исследован Сванте Аррениусом в 1896 г. Это процесс, при котором поглощение и испускание инфракрасного излучения атмосферными газами вызывает нагрев атмосферы и поверхности планеты. На Земле основными парниковыми газами являются: водяной пар (ответственен примерно за 36-70% парникового эффекта, без учёта облаков), диоксид углерода (углекислый газ -С02) — 9-26%, метан (СН4) — 4-9% и озон — 3-7%. Атмосферные концентрации С02 и СН4 увеличились на 31% и 149%, соответственно, по сравнению с серединой XVIII века.

Менее известно, что парниковый эффект — столь же необходимое условие для поддержания жизни на Земле, как и сама атмосфера, и что парниковые газы «перехватывают» часть отражаемого Землей длинноволнового солнечного излучения, согревая нижние слои атмосферы. В результате добавка к приземной температуре, которую дают парниковые газы, является существенной. То есть опасность представляет не сам парниковый эффект как таковой, а превышение некоторого его фонового уровня, сохранявшегося почти неизменным на протяжении миллионов лет, что приводит к глобальному потеплению.

Глобальное потепление — процесс постепенного увеличения среднегодовой температуры атмосферы Земли и Мирового океана. Научное мнение, выраженное Межгосударственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) Организации Объединённых Наций, и непосредственно поддержанное национальными академиями наук развитых стран, заключается в том, что средняя температура на Земле поднялась на 0,7°С по сравнению со временем начала промышленной революции (со второй половины ХУШ века), и что основной причиной потепления является деятельность человека, в первую очередь, из-за выбросов газов, вызывающих парниковый эффект.

Оценки, полученные по климатическим моделям, на которые ссылается МГЭИК, говорят, что в XXI в. средняя температура поверхности Земли может

повыситься на величину от 1,1 до 6,4°С, в результате чего может начаться своего рода цепная реакция, обусловленная таянием арктических льдов с высвобождением содержащихся в вечной мерзлоте СО2 и метана, а также накоплением в атмосфере обладающего парниковым эффектом водяного пара. Глобальные последствия такого развития событий очевидны. Это радикальные сдвиги в распределении мировых климатических зон. Это подъем уровня Мирового океана с затоплением прибрежных низменных территорий, где проживает почти треть населения Земли. Это трансформация природной среды, от которой зависит существование человека. В отдельных регионах температура может немного понизиться по причине охлаждения теплых подводных течений из-за таяния ледников.

По мнению ученых Сибирского отделения РАН, климатические изменения, а также реакция окружающей среды и экосистем в различных районах мира индивидуальны и разновременны [2], [3].

Как ожидает МГЭИК, потепление и подъём уровня Мирового океана будут продолжаться на протяжении тысячелетий даже в случае стабилизации уровня парниковых газов в атмосфере из-за эффекта большой теплоёмкости океанов. Недавние исследования установили существование негативного влияния парниковых газов на урожай сельскохозяйственных культур [4]. Согласно данным экспериментов повышение концентрации углекислого газа приводило к повышенному развитию сорняков и распространению вредителей. В докладе руководителя экономической службы правительства Великобритании Николаса Стерна приведены результаты расчетов по экономическим моделям, согласно которым оценка затрат и ущерба от неконтролируемого изменения климата составляет сейчас 5% глобального ВВП ежегодно, но эта цифра может увеличиться до 20% при учете более широкого спектра видов ущерба и рисков [5].

Среди ученых-экологов существует также и другие точки зрения по выше обозначенной проблеме. Некоторые исследователи считают, что глобальное потепление — это миф. Один из ведущих экспертов в области климатологии американский журналист Джон Колман считает «так называемое глобальное потепление величайшим жульничеством в истории» [6]. По его словам, «некоторые подлые и трусливые ученые ради защиты окружающей среды и разных политических целей нагло манипулируют долгосрочными наблюдениями за погодой, чтобы создать у людей иллюзию глобального потепления. Никакого стремительного изменения климата не будет, т. к. воздействие человечества на климат Земли ничтожно. Через одно-два десятилетия несостоятельность теории глобального потепления будет очевидна для всех».

Известный американский физик Фримен Дайсон утверждает, что меры, предлагаемые для борьбы с глобальным потеплением давно уже не относятся к сфере науки, а являются политиканством и спекулятивным бизнесом. По мнению датского эколога и экономиста Бьорна Ломборга, «тема потепления перегрета», глобальное потепление имеет не столь угрожающий характер, как это рисуют некоторые специалисты и вторящие им журналисты [7].

Известный российский журналист (по образованию теплофизик) Анатолий Вассерман полагает, что вред от потепления и парникового эффекта преувеличен, а торговля квотами на выбросы промышленных парниковых газов и меры по их ограничению используется для финансовых махинаций и управления экономикой слаборазвитых стран.

Ряд критиков указывает на то, что в прошлом (например, в эоценовой эпохе) температура была значительно выше сегодняшней, и хотя тогда вымерло множество видов, в дальнейшем жизнь процветала. По их мнению, потепление наблюдается слишком непродолжительное время, поэтому нельзя достаточно уверенно сказать, происходит ли оно вообще. Временно наблюдаемое потепление не носит глобального характера, а является результатом выхода из холодного Малого ледникового периода.

В ноябре 2009 г. в результате действий группы неизвестных хакеров был взломан почтовый сервер Университета Восточной Англии и общественности стало известно о переписке ученых. В числе документов, ставших достоянием общественности, оказалось датированное 1999 г. письмо профессора Фила Джонсона, возглавляющего в Университете Центр по изучению климата, в котором он сообщает о «трюке», позволяющем скрыть снижение температуры. Критики заявили, что из переписки можно сделать вывод, что последние годы температура на Земле не повышается. Руководство Университета распространило заявление, в котором подборка писем для публикации называется тенденциозной и «отрицающей признанный мировым сообществом факт негативного воздействия деятельности человека на климат».

Другая группа ученых признает факт глобального потепления, но отвергает возможность влияния человека на этот процесс. Исследователи предлагают учитывать, что земная атмосфера испытывает периодически повторяющиеся воздействия планетарного и космического происхождения. Чередование различных по своей природе и по продолжительности периодов изменения интенсивности солнечной радиации, достигающей нашей планеты, в сочетании с тепловой инерцией океанов, движением материков, вулканической активностью, а возможно, и влиянием обратных реакций всей земной биосферы, как целого, — и определяет среднюю температуру земной поверхности и распределение климатических зон в различные геологические эпохи. Этот сложный комплекс множества знакопеременных геофизических и космических факторов, воздействия на земной климат, может, по мнению некоторых ученых, обуславливать и наблюдаемое в наше время потепление. Человек в настоящее время не в силах влиять на процессы таких масштабов. Профессор А.П. Капица, член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой географического факультета МГУ, считает вклад человечества в климатические изменения несущественным на фоне космических и геофизических факторов [8].

По данным прямых климатических наблюдений средние температуры на Земле повысились, однако, как считают исследователи, отрицающие антропогенный характер климатических изменений, это наблюдаемое потепление находится в пределах естественной изменчивости климата и не нуждается в отдельном объяснении. Против такой точки зрения возражает МГЭИК, в третьем отчете которой утверждается, что солнечная и вулканическая активность может объяснить лишь половину температурных изменений до 1950 года, но их общий эффект после этого был примерно равен нулю. В частности, влияние парникового эффекта с 1750 г., по оценке МГЭИК, в 8 раз выше влияния изменения солнечной активности.

Можно выделить еще одну группу ученых-экологов, кто не отрицает факт потепления и допускает его антропогенный характер, но не соглашается с тем, что наиболее опасными из воздействий на климат являются промышленные выбросы парниковых газов. С их точки зрения, основная масса парниковых выбросов вы-

звана изменениями ландшафта, в первую очередь, вырубкой лесов, являющихся основными регуляторами газообменных процессов на планете и играющих ключевую роль в фиксации атмосферного углерода в процессе фотосинтеза. Известный британский учёный-натуралист и телеведущий Дэвид Беллами полагает, что активное влияние на изменение климата оказывает уменьшение площади тропических лесов в Южной Америке. К аналогичному выводу пришёл российский физик-теоретик В.Г. Горшков, основываясь на разрабатываемой им с 1979 г. теории биотической регуляции, согласно которой необратимые изменения климата скорее будут вызваны не промышленными парниковыми газами, а нарушением механизма глобального влагопереноса, который обеспечивается растительностью планеты, при условии некоторого запорогового сокращения площади естественных лесов.

Только до эпохи промышленной революции на Земле по разным оценкам было уничтожено от 30 до 50% лесов, еще 9% лесов, в первую очередь тропических, было сведено в последние 200-300 лет, и, к сожалению, нельзя сказать, чтобы процесс этот сколько-нибудь замедлился в наши дни. Площадь естественных лесов продолжает сокращаться примерно на 1% в год, а большая часть существующих в развитых странах лесов претерпела резкое изменение своей структуры. Собственно то, что сейчас называют лесом, обычно представляет собой либо возделываемые лесные плантации, либо, так называемые, вторичные леса, находящиеся на той или иной стадии естественного восстановления после корчевания, порубки или пожара. Первичный же, то есть естественный лес, занимает в этих странах только четвертую часть всей покрытой лесами территории. Так, в Европе, исключая Россию, первичные леса уцелели лишь на севере Швеции, где их площадь составляет всего 450 тыс. га.

Не меньшая роль в образовании парникового эффекта принадлежит землепользованию, так как при освоении пахотных земель из плодородного слоя выделяется значительное количество углекислого газа. Таким образом, лесные и почвенные экосистемы представляют собой важнейший компонент механизма формирования и стабилизации окружающей среды. Накапливая и испаряя воду, они обеспечивают основную часть континентального влагооборота, поддерживают устойчивость речного стока, снижают скорость движения приземных масс воздуха, сглаживая тем самым метеорологические экстремумы, работают как фильтры при загрязнении атмосферы.

Авторы разделяют позицию Межгосударственной группы экспертов по изменению климата. Результаты последних исследований подкрепляют теорию о том, что в глобальном потеплении виновата человеческая деятельность, связанная как с промышленными выбросами загрязняющих атмосферу веществ, так и с истреблением лесов. Исследование с участием ученых из Шотландии, Канады и Австралии показало, что вероятность естественных, а не антропогенных причин изменения климата на планете составляет не более 5% .

Бесспорным доказательством изменения климата на планете является учащение природных катаклизмов, таких как наводнения, засухи, ураганы и др., в результате изменений в количестве и распределении атмосферных осадков. Согласно результатам исследований, проведенных World Watch Institute, увеличивается не только число катастроф, но и их масштаб, что ведет к росту экономических потерь и количеству жертв (табл. 1).

Таблица 1

Динамика крупных стихийных бедствий в мире (число бедствий) [9]

Вид ущерба 1963-1972 гг. 1973-1982 гг. 1983-1992 гг.

Более 100 пострадавших 187 233 367

Пострадало более 1%

населения страны, потерпевшей бедствие 93 155 255

Потеряно более 1%

валового продукта страны, потерпевшей бедствие 31 86 124

Если в 1990 г. было зафиксирован 261 случай стихийных бедствий с крупными размерами ущерба, то в 2003 г. — уже 337. В настоящее время ежегодный прирост ущербов от природных катастроф составляет около 6%, а темпы прироста мирового валового продукта составляли около 2,2% в год до недавних событий глобального экономического кризиса. Расчеты показывают, что если принять во внимание такие темпы, то уже к 2050 г. более 50% прироста валового продукта будет уходить на покрытие ущербов от природных катастроф [10, с. 98].

С точки зрения международной экологической организации Гринпис, борьба за снижение выбросов «парниковых газов» в любом случае принесет немалую пользу. Она предполагает переход на инновационный путь развития экономики, путем внедрения энергоэффективных технологий, развития возобновляемой энергетики и т. д. Эти требования были бы актуальны даже в том случае, если бы проблемы изменения климата не существовало, так как технологическая революция всегда выгодна для экономического развития.

Назовем основные вещества техногенного происхождения, загрязняющие атмосферу:

1. Оксид углерода выделяется при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух это вещество попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодный объем газа, поступающего в атмосферу, составляет не менее 1250 млн. тонн. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.

2. Сернистый ангидрид образуется в процессе сгорания топлива, содержащего серу, или в результате переработки сернистых руд (ежегодно их перерабатывается до 170 млн. тонн). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество выбрасываемого в атмосферу сернистого ангидрида составляет 65 процентов от общемирового выброса.

3. Серный ангидрид образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 11 км от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими

пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной кислоты. Пирометал-лургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида.

4. Сероводород и сероуглерод поступают в атмосферу раздельно или вместе в другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.

5. Основными источниками выброса оксилов азота являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксилов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн. тонн в год.

6. Источниками загрязнения соединениями фтора являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений — фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.

7. Соединения хлора поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией. Например, в металлургической промышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на 11 тонн передельного чугуна выделяется кроме 12,7 кг. сернистого газа и 14,5 кг. пылевых частиц, определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.

8. К атмосферным загрязнителям относятся углеводороды — насыщенные и ненасыщенные, включающие от 11 до 13 атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. В результате этих реакций образуются перекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы.

Типичными загрязнителями атмосферы являются также аэрозоли — мельчайшие взвешенные частицы диаметром от 0,1 до сотен микрон, средний размер аэрозольных частиц составляет 11-51 мкм. В статистическом сборнике «Europe’s Environment: statistical compendium for the Dobris assesment» (1995 г.) опубликована карта среднегодовой концентрации атмосферных аэрозолей над территорией Европы за 1992 год. На ней хорошо видно, как тонкая аэрозольная взвесь промышленного происхождения плотностью более 20 мкг/м3 сплошным облаком покрывает огромные территории Центральной и Восточной Европы, юго-востока Англии, стран Бенилюкса и северо-восточной Франции.

В состав аэрозолей входят как твердые (пыль, зола, сажа), так и жидкие компоненты, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. К жидким относятся окислы серы и азота, аммиак, летучие органические углеводороды. Кроме

того, на них абсорбируются многие металлы (в частности, свинец) и высокомолекулярные токсичные соединения. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки.

В заключение назовем некоторые из глобальных проявлений загрязнения атмосферы:

— изменение климата как результат повышения мировой среднегодовой температуры или так называемого «парникового эффекта»;

— расширение «озоновых дыр» — появление их не только над Антарктидой, но и над другими регионами мира;

— увеличение масштабов «кислотных дождей», особенно в промышленно развитых регионах;

— увеличение случаев стихийных бедствий с крупными размерами ущерба.

Таким образом, из обобщенных материалов мировой социально-экологической статистики можно сделать вывод: деградационные изменения биосферы в различных районах и регионах планеты создают потенциальную, а в ряде случаев — реальную опасность для всего живого на Земле, в том числе — для человека.

Литература

1. Охрана окружающей среды в России. 2006: Стат. сб. Росстат. — М., 2006. — 239 с.

2. Кузьмин М.И. Прогноз погоды на 8 млн лет назад //Наука из первых рук. — 2005. — № 3. — С. 54-65.

3. Добрецов Н.Л. Глобальные изменения природной среды 2000. — Новосибирск: Издательство СО РАН, 2001. — 373 с.

4. Крапивин В.Ф., Потапов И.И. Проблемы глобализации и социально-экономического развития в контексте изменений климата //Экономика природопользования. — М.: ВИНИТИ, 2008. — № 1. — С. 3-11.

5. Обзор доклада Н. Стерна «Экономика изменения климата» /Кокорин А.О., Кураев С.Н. WWF, GOF. — M.: WWF России, 2007. — 50 с.

6. Сайт www.annews.ra/news/detail.php?ro=137725

7. Ломборг Б. Охладите глобальное потепление. — Санкт-Петербург: Изд-во ООО «Питер Пресс», 2008. — 202 с.

8. Интернет-пресс-конференция А.П.Капицы на сайте http://www.lenta.ru/conf/kapitsa/

9. Майбуров И. А., Манохин И.В., Мишина Е.Б. О некоторых аспектах реализации механизмов Киотского протокола в регионах РФ // Экологические проблемы промышленных регионов. — Екатеринбург: АМБ, 2006. — 329 с.

10. Василенко В.А. Устойчивое развитие регионов: подходы и принципы /Под ред. А.С. Новоселова. — Новосибирск: ИЭОПП СО РАН, 2008. — 208 с.

Экологические проблемы атмосферы

Загрязнение атмосферы

На протяжении тысячелетий люди загрязняли атмосферу. В настоящее время это загрязнение связано с расширением очагов промышленности, с развитием научно-технического прогресса, когда ресурсов требуется все больше. В $60$-е годы $XX$ века принято было считать, что загрязняют атмосферу в основном только большие города и индустриальные центры. Но, оказалось, что загрязнение атмосферы является глобальным явлением, потому что вредные выбросы распространяются на огромные расстояния. Человек и сегодня продолжает порабощать природу, до неузнаваемости меняя лик Земли, а это значит, что и проблемы загрязнения атмосферы, разрушение озонового слоя, кислотные дожди, парниковый эффект, стоят еще острее.

По статистике ежедневно каждый человек вдыхает $20$ тыс. литров воздуха, в котором кроме необходимого для дыхания кислорода содержится огромное количество вредных взвешенных частиц и газов. Все загрязнители атмосферного воздуха условно можно разделить на два основных типа: естественные и антропогенные. В настоящее время преобладающими являются именно антропогенные загрязнители.

Антропогенное загрязнение связано с хозяйственной деятельностью человека и это, прежде всего: сжигание горючих ископаемых, при котором выбросы составляют$ 5$ млрд. т. углекислого газа ежегодно. С момента использования топлива, $1860$-$1960$ гг., т.е. за $100$ лет содержание углекислого газа в атмосфере увеличилось на $18\%$. Работа тепловых электростанций создает условия для образования кислотных дождей, при выделении сернистого газа и мазута. Современные турбореактивные самолеты выпускают в воздух оксиды азота и газообразные фторуглеводороды из аэрозолей, влияющих на озоновый слой. Разнообразные газы, выделяемые в процессе работы предприятий черной и цветной металлургии. Сжигание мусора, добыча полезных ископаемых открытым способом, огромное количество автомобилей на улицах городов. Потенциальную опасность представляет химическое и биохимическое производство и возможность аварийных выбросов чрезвычайно токсичных веществ, микробов и вирусов, способных вызвать целые эпидемии среди людей и животных.

Основными вредными примесями в атмосфере являются:

• Оксид углерода. Попадает при сжигании твердых отходов;
• Сернистый ангидрид. Выделяется при сгорании топлива, содержащего серу;
• Серный ангидрид. Результат окисления сернистого ангидрида;
• Сероводород и сероуглерод. Поступают с соединениями серы от предприятий искусственного волокна, производства сахара, нефтеперерабатывающих комбинатов;
• Оксиды азота. Источники предприятия химической промышленности;
• Соединения фтора. Предприятия цветной металлургии, азотной кислоты, фосфорных удобрений;
• Соединения хлора. Источником являются предприятия химической промышленности.

Только в одной России объем выбросов загрязняющих от стационарных источников составляет ежегодно $22$-$25$ млн. тонн.

К природным загрязнителям атмосферы относятся:

• Извержения вулканов;
• Пыльные бури;
• Лесные пожары;
• Продукты растительного, животного и микробиологического происхождения;
• Частицы морской соли;
• Пыль космического происхождения.

Истощение озонового слоя

В атмосфере на высоте $20$-$50$ км от поверхности Земли, находится слой с особой формой кислорода. Этот слой получил название озонового слоя. Молекула атмосферного кислорода в результате ультрафиолетового излучения Солнца присоединила третий атом кислорода, и получился озон. Слой это очень тонкий, небольшое его количество вместе с потоками воздуха может проникать в нижние слои атмосферы. В результате фотохимических реакций в больших городах при сухой и жаркой погоде может образоваться приземный озон. Он очень опасен, потому что способен разрушить легкие человека, страдают от него также деревья и придорожные кусты. Озон высокий, поглощая ультрафиолетовые лучи, защищает человека. Ученые обнаружили этот слой только в $70$-е годы прошлого столетия и одновременно с этим сделали открытие, что фреоны, широко использующиеся в холодильных установках, кондиционерах, аэрозолях, озон разрушают. Английские ученые в $1985$ г. обнаружили озоновую «дыру» над Антарктидой. Размер этой «дыры» равнялся площади США. Исследования показали, что в атмосфере над материком была высокая концентрация соединения, который образуется при разрушении молекулы озона хлором. Данный факт явился доказательством того, что фреоны создают проблемы озоновых «дыр».

Замечание 1

Представители $44$ государств в $1985$ г. приняли Конвенцию об охране озонового слоя планеты, а в следующем году подписали Монреальский протокол, ограничивающий производство и потребление веществ, разрушающих озон.

Озоновые «дыры» как бы затягиваются, они не постоянны, но заполнение происходит молекулами соседнего участка, а это приводит к тому, что содержание озона уменьшается. Уменьшение озона даже на $1\%$, считают специалисты, увеличивает заболеваемость раком кожи на $3$-$6\%$. Истощение озонового слоя может непредсказуемо изменить климат планеты, это связано с тем, что температура воздуха, с уменьшением количества озона, будет снижаться, изменится направление господствующих ветров, а вслед за этим и погода.

Замечание 2

Всемирная метеорологическая организация, анализируя данные общего содержания озона еще в $1995$ г. подтвердила тенденцию уменьшения атмосферного озона.

К настоящему времени, его годовое содержание понизилось на $4$-$5\%$. Уменьшение озона характерно не только для Антарктиды, оно стало заметно проявляться и в районах Арктики.

В $1994$ г. была зафиксирована озоновая аномалия в Северном полушарии. Она «накрыла» огромную площадь от побережья Северного Ледовитого океана до Крыма. Озоновый слой терял свой объем на $10$-$15\%$, и даже до $30\%$ в отдельные месяцы. Катастрофическое падение озона на $40\%$ произошло в $1995$ г. над районами Восточной Сибири. Над планетой образовалась ещё одна озоновая «дыра». Ученые не могут сказать, будет ли она расти и какую территорию захватит. Страны, подписавшие Венскую Конвенцию, не только разрабатывают, но и пытаются осуществить мероприятия по охране озонового слоя.

Суть этих мероприятий сводится к следующему:

• Прекратить производство фреонов и тетрахлорида углерода, разрушающих озон;
• Запретить производство метилбромидов и гидрофреонов;
• Восстановить озоновый слой над Антарктидой с помощью установок для его производства;

Кислотные дожди

Определение 1

Кислотные дожди – это любые атмосферные осадки, содержащие какое-то количество кислот.

Кислота снижает уровень $pH$, чем ниже этот уровень, тем больше ионов водорода содержится в растворе, а это значит, что среда является более кислой. Среднее значение pH для дождевой воды равняется $5,6$, когда эта величина меньше – говорят о кислотных дождях. Виновниками этого являются оксиды серы, азота, хлористый водород, летучие органические соединения (ЛОС). Сам термин в употребление ввел британский химик во второй половине $XIX$ века. Он занимался загрязнением Манчестера и заметил, что изменение состава дождевой воды вызывают пары и дым, попадающие в атмосферу от работающих предприятий. Проведенные исследования показали, что такой дождь обесцвечивает ткани, способствует коррозии металла, разрушает стройматериалы, уничтожает растительность. О вредном воздействии кислотных дождей заговорили спустя почти $100$ лет. Впервые её подняли на конференции ООН по окружающей среде в $1972$ г. По происхождению кислотные дожди бывают естественные и антропогенные.

Причины естественных кислотных дождей:

• Деятельность микроорганизмов;
• Вулканическая деятельность;
• Распад азотсодержащих природных соединений;
• Грозовые разряды;
• Горение древесины и биомассы.

Причины антропогенных кислотных дождей:

• Загрязнение атмосферы;
• Теплоэлектростанции и металлургические предприятия;
• Запуск твердотопливных ракет;
• Предприятия, по производству серной кислоты;
• Выхлопные газы автомобильного транспорта;
• Химические предприятия.

Последствия кислотных дождей:

• Окисление водных ресурсов, особенно рек и озер;
• Вредное воздействие на растительность;
• Разрушение памятников культуры, архитектуры, трубопроводов, машин;
• Отрицательное воздействие на здоровье человека.

Замечание 3

Проблема кислотных дождей носит глобальный характер, и решать её необходимо всем странам, объединив свои усилия. Реальный выход связан с сокращением выбросов предприятий в атмосферу и гидросферу и установка дорогостоящих фильтров, которые не могут быть дороже жизни и здоровья человека. В перспективе страны мира должны стремиться к созданию экологически безопасных производств. Будущее планеты – это будущее сегодняшних детей, внуков и правнуков. Только личная заинтересованность заставит человека сделать реальные шаги в решении этой проблемы.

Урок 18. глобальные экологические проблемы — Биология — 11 класс

Парниковый эффект

С начала XIX века средняя мировая температура повысилась примерно на 0,6 градуса по Цельсию, что неминуемо сказалось на всей планете. Так, например, в течение ХХ века:

– средний уровень Мирового океана повысился на 10–20 см, в масштабах целых континентов ожидается повышение уровня моря примерно на 30 см в ближайшие 40 лет;

– общий объём ледников в Швейцарии сократился на 2/3;

– толщина арктических льдов в конце лета и в начале осени сокращалась примерно на 40 %, и гора Кения (Африка) потеряла 92 % ледяной массы, а гора Килиманджаро (Африка) 82 %.

В ближайшие 40 лет температура Земли повысится, по прогнозам, на 1–2 градуса.

Загрязнения вод

О масштабах загрязнения говорят следующие факты: ежегодно прибрежные воды пополняются 320 млн тонн железа, 6,5 млн тонн фосфора, 2,3 млн тонн свинца. Только в водоёмы Чёрного и Азовского морей в 1995 г. было сброшено 7,7 млрд кубометров загрязненных производственных и коммунальных сточных вод.

Радиоактивное загрязнение биосферы

Первоначально основным способом избавления от радиоактивного мусора было захоронение радиоактивных отходов (РАО) в морях и океанах. Это были, как правило, низкоактивные отходы, которые упаковывали в 200-литровые металлические барабаны, заливали бетоном и сбрасывали в море. Первое такое захоронение РАО произвели США в 80 км от побережья Калифорнии. До 1983 г. 12 стран практиковали сброс РАО в открытое море. В воды Тихого океана за период с 1949 г. по 1970 г. было сброшено 560 261 контейнер с РАО.

Загрязнение атмосферы

Ежегодно в мире сжигается около 9 миллиардов тонн условного топлива, что приводит к выбросу в окружающую среду более 20 млрд тонн углекислого газа и более 700 млн тонн других соединений. Если человечество будет жить, ничего не меняя, к середине XXI века концентрация СО2 удвоится. В результате парникового эффекта уровень Мирового океана увеличится от 35 до 60 см за счёт таяния льдов и за счёт расширения воды при повышении температуры.

За последние 40 лет было использовано столько минерального сырья, сколько за всю предыдущую историю человечества. За последние 100 лет из земных недр было извлечено 137 млрд тонн угля, 47 млрд. тонн нефти, 20 трлн куб. метров газа. За этот период человечество увеличило свои энергетические ресурсы в 1000 раз. С 1950–1955 г. потребление всех энергоресурсов в мире увеличилось в 3 раза, нефтепродуктов – в 6 раз, электроэнергии – в 8 раз. Если человечество сделает ставку только на экономический рост, то уже к 2032 году рост потребления органического топлива приведёт к тому, что объём выброса углекислого газа в атмосферу достигнет 16 млрд тонн в год, если же приоритетом станет обеспечение устойчивого развития, то активные шаги по внедрению энергосберегающих технологий позволят к 2032 году снизить этот показатель вдвое – до 8 млрд тонн.

Загрязнение атмосферы | Глобальные проблемы человечества

Под загрязнением понимается процесс привнесения в воздух или образование в нем физических агентов, химических веществ или организмов, неблагоприятно воздействующих на среду жизни или наносящих урон материальным ценностям. В определенном смысле загрязнением можно считать и изъятие из воздуха отдельных газовых ингредиентов (в частности, кислорода) крупными технологическими объектами. И дело не только в том, что попадающие в атмосферу газы, пыль, сера, свинец и другие вещества опасны для человеческого организма — они неблагоприятно влияют на круговороты многих компонентов на земле. Загрязняющие и ядовитые вещества переносятся на большие расстояния, попадают с осадками в почву, поверхностные и подземные воды, в океаны, отравляют окружающую среду, отрицательно сказываются на получении растительной массы.
Загрязнение атмосферы сказывается и на климате планеты. На этот счет существуют три точки зрения. 1. Наблюдающееся в текущем столетии глобальное потепление климата обусловлено возрастанием концентрации СОг в атмосфере, а к середине будущего столетия произойдет катастрофическое потепление климата, сопровождающееся сильным возрастанием высоты уровня Мирового океана. 2. Загрязнение атмосферы снижает уровень солнечной радиации, повышает количество ядер конденсации в облаках, в результате поверхность Земли охлаждается, что в свою очередь может вызвать новое оледенение в северных и южных широтах (сторонников этой точки зрения немного). 3. Согласно сторонникам третьей точки зрения, оба эти процесса уравновесятся и климат Земли существенно не изменится.
Главные источники загрязнения атмосферы — предприятия топливноэнергетического комплекса, обрабатывающей промышленности и транспорт. Более 80% всех выбросов в атмосферу составляют выбросы оксидов углерода, двуокиси серы, азота, углеводородов, твердых веществ. Из газообразных загрязняющих веществ в наибольших количествах выбрасываются окислы углерода, углекислый газ, угарный газ, образующиеся преимущественно при сгорании топлива. В больших количествах в атмосферу выбрасываются и оксиды серы: сернистый газ, сернистый ангидрид, сероуглерод, сероводород и др. Самым многочисленным классом веществ, загрязняющих воздух крупных городов, являются углеводороды. К числу постоянных ингредиентов газового загрязнения атмосферы относятся также свободный хлор, его соединения и др.

Помимо газообразных загрязняющих веществ в атмосферу поступают десятки миллионов тонн твердых частиц. Это пыль, копоть, сажа, которые в виде мелких частиц свободно проникают в дыхательные пути и оседают в бронхах и легких. Однако и это еще не все — «по пути» они обогащаются сульфатами, свинцом, мышьяком, селеном, кадмием, цинком и другими элементами и веществами, многие из которых канцерогенны. С этой точки зрения особенно опасна для здоровья человека асбестовая пыль. К первому классу опасности также принадлежат кадмий, мышьяк, ртуть и ванадий. (Любопытны результаты сравнительного анализа, выполненного американскими учеными. Содержание свинца в костях скелета аборигена Перу, жившего 1600 лет назад, в 1000 раз меньше, чем в костях современных граждан США.)
С загрязнением атмосферы ассоциируется и такое специфическое явление, как кислотные дожди.

Земная атмосфера сравнительно хорошо пропускает коротковолновую солнечную радиацию, которая почти полностью поглощается земной поверхностью. Нагреваясь за счет поглощения солнечной радиации, земная поверхность становится источником земного, в основном длинноволнового, излучения, часть которого уходит в космическое пространство.
Ученыеисследователи продолжают спорить о составе так называемых парниковых газов ( 58). Наибольший интерес в этой связи вызывает влияние увеличивающейся концентрации углекислого газа (СОг) на парниковый эффект атмосферы. Высказывается мнение, что известная схема: «рост концентрации углекислого газа усиливает парниковый эффект, что ведет к потеплению глобального климата» — предельно упрощена и очень далека от действительности, так как наиболее важным «парниковым газом» является вовсе не углекислый газ (и не закись азота, не метан или хлорфторуглеводороды), а водяной пар. При этом оговорки, что концентрация водяного пара в атмосфере определяется лишь параметрами самой климатической системы, сегодня уже не выдерживают критики, так как антропогенное воздействие на глобальный круговорот воды убедительно доказано.
В качестве научных гипотез укажем на следующие последствия грядущего парникового эффекта. Во-первых, согласно наиболее распространенным оценкам, к концу XXI в. содержание атмосферного СОг удвоится, что неизбежно приведет к повышению средней глобальной приземной температуры на 3—5 °С. При этом потепление ожидается более сильным в высоких широтах и соответственно станет более засушливым лето в умеренных широтах Северного полушария.
Во-вторых, предполагается, что подобный рост средней глобальной приземной температуры приведет к повышению уровня Мирового океана на 20—165 см за счет термического расширения воды. (Что касается ледникового щита Антарктиды, то его разрушение не является неизбежным, так как для таяния необходимы более высокие температуры. В любом случае, процесс таяния антарктических льдов займет весьма продолжительное время.)
Втретьих, концентрация атмосферного СОг может оказать весьма благоприятное воздействие на урожаи сельскохозяйственных культур. Результаты проведенных экспериментов позволяют предполагать, что в условиях прогрессирующего роста содержания СОг в воздухе природная и культурная растительность достигнут оптимального состояния: возрастет листовая поверхность растений, повысится удельный вес сухого вещества листьев, увеличатся средний размер плодов и число семян, ускорится созревание зерновых, а их урожайность повысится.
Вчетвертых, в высоких широтах естественные леса, особенно бореальные, могут оказаться весьма чувствительными к изменениям температуры. Потепление может привести к резкому сокращению площадей бореальных лесов, а также к перемещению их границ на север. Леса тропиков и субтропиков окажутся, вероятно, более чувствительными к изменению режима осадков, а не температуры. Однако прогнозы предстоящих изменений осадков очень неопределенны.
В целом, парниковый эффект атмосферы — это уравнение со многими неизвестными. Большая часть ученых полагает, что потепление реально проявится. Более того, многие утверждают, что глобальное потепление (примерно на 1° в XX в.) уже произошло (по крайней мере, его первая фаза), но оно было как бы замаскировано естественными климатическими изменениями. Однако есть ученые, считающие, что, как это ни парадоксально, ускоряющееся накопление СОг может привести не к потеплению, а к похолоданию. Подобное мнение основывается на том, что прогноз «перегрева» Земли при удвоении концентрации СОг в воздухе сделан исходя из ошибочной оценки парникового эффекта этого газа. Считается, что сторонники «перегрева» не учитывают колоссальной роли вод Океана в поглощении антропогенного СОг и недооценивают значения наземной биоты, и следовательно, почв как мощных ассимиляторов «избыточной» атмосферной углекислоты.

Загрязнение атмосферы — Человек и прогресс

Под загрязнением атмосферы понимается загрязнение атмосферного воздуха вредными химическими веществами или биологическими материалами. Это – одна из самых серьёзных глобальных проблем.

Согласно данным исследования, проведённого Блэксмитовским институтом (англ.: Blacksmith Institute) в 2008 году, наиболее острыми глобальными проблемами загрязнения являются загрязнение атмосферы городов и загрязнение воздуха внутри помещений.

Последствия загрязнения атмосферы для здоровья людей

Загрязнение атмосферного воздуха может иметь долгосрочные и краткосрочные последствия для здоровья. Выяснилось, что больше всего от загрязнения воздуха страдают пожилые люди и маленькие дети.

К краткосрочным последствиям для здоровья относятся раздражение глаз, носа и горла, головные боли, аллергические реакции и инфекции верхних дыхательных путей.

Долгосрочными последствиями для здоровья являются, в частности, рак лёгких, поражение головного мозга, печени, почек, болезни сердца и заболевания дыхательных путей.

Последствия загрязнения атмосферы для окружающей среды

Загрязнение воздуха наносит вред сельскохозяйственным культурам, животным, лесам и водоёмам. Кроме того, оно способствует разрушению озонового слоя, который защищает Землю от ультрафиолетового излучения Солнца. Другими негативными последствиями загрязнения атмосферного воздуха являются кислотные дожди, наносящие вред деревьям, почве, рекам и диким животным, смог, зарастание водоёмов водорослями и глобальные изменения климата.

Антропогенные причины загрязнения воздуха

Деятельность человека выделяется как основная причина загрязнения атмосферного воздуха, особенно в городах. Для поддержания жизнедеятельности растущего населения необходимы производство энергии, транспорт и промышленность, в результате чего в атмосферу выбрасываются вредные химические вещества.

К числу антропогенных причин загрязнения атмосферы относятся дым, выделяемый транспортными средствами, домашними газовыми плитами и системами отопления, авиацией, а также дым, образующийся во время пожаров и при сжигании мусора.

Для уменьшения масштаба проблемы загрязнения атмосферы необходимо, чтобы люди были более осведомлены о возможных последствиях своей деятельности.

Естественные причины загрязнения воздуха

Однако загрязнение атмосферы может быть вызвано не только антропогенными факторами, но и естественными событиями. Так, при биологическом разложении и извержениях вулканов выделяются природные двуокиси серы и оксиды азота, ухудшающие качество атмосферного воздуха. Основная часть другого загрязнителя, околоземного озона, формируется во время химических реакций, протекающих под действием солнечного света, однако около 10-15 % его количества поступает из стратосферы. Другими естественными причинами загрязнения атмосферы являются природные источники частиц сажи и пыли, такие как извержения вулканов и пыльные бури, летучие органические соединения, пыльца растений и лесные пожары.

Загрязнение воздуха внутри помещений

Под качеством воздуха в помещении подразумевается состояние атмосферного воздуха снаружи и внутри зданий и сооружений. Этот параметр оказывает непосредственное влияние на чувство комфорта и здоровье людей, находящихся внутри любого помещения, будь то квартира, офис или какое-либо здание.

К наиболее распространенным загрязнителям воздуха внутри помещений относятся, в частности, радон, плесень, угарный газ, летучие органические соединения, волокна асбеста, двуокись углерода, озон и газообразные продукты горения биомассы.

Основными способами улучшения качества воздуха внутри помещений являются, например, должная вентиляция, фильтрация воздуха, а также контроль, выявление и устранение источников загрязнения.

Способы борьбы с загрязнением атмосферы

Существует несколько способов, позволяющих уменьшить загрязнение атмосферного воздуха.

В общем и целом, важно экономить энергию, так как источники энергии, такие как природный газ или мазут, используемые для производства электроэнергии, а также дизельное топливо, бензин и древесина, способствуют загрязнению воздуха.

Для того, чтобы добраться куда-либо по работе, не обязательно ехать на автомобиле или мотоцикле, иногда целесообразнее воспользоваться велосипедом или сходить пешком.

Кроме того, следует сократить количество поездок на личном автомобиле и пользоваться общественным транспортом.

Помимо этого, целесообразно избегать использования бензиновых газонокосилок и других садовых инструментов с бензиновым двигателем, а также отказаться от сжигания мусора, опавшей листвы и других материалов.

Ещё один верный способ – проводить регулярное техническое обслуживание автомобиля и регулировку двигателя, не забывая о замене воздушного фильтра и моторного масла.

Если каждый человек в отдельности будет вносить свой небольшой вклад в дело уменьшения загрязнения атмосферы, то от этого выиграют все.

< Предыдущая		Следующая >

Проблемы глобальной химии атмосферы

Аннотация

На химический состав атмосферы оказывает существенное влияние широкий спектр химических процессов, которые в первую очередь вызваны воздействием ультрафиолетового излучения с длинами волн короче 320 нм (УФ-В) на озон и водяной пар. Это приводит к образованию гидроксильных (ОН) радикалов, которые, несмотря на очень низкие концентрации в тропосфере, удаляют большинство газов, выбрасываемых в атмосферу в результате естественных и антропогенных процессов.Следовательно, хотя только около 10% всего атмосферного озона находится в тропосфере, благодаря образованию ОН, он определяет эффективность окисления атмосферы и, следовательно, имеет первостепенное значение для поддержания ее химического состава. Ожидается, что из-за разнообразной деятельности человека, особенно за счет увеличения выбросов CH ₄ , CO и NO _x , концентрации тропосферного озона и гидроксила в загрязненной среде будут увеличиваться, а в чистой тропосфере — уменьшаться.В целом это может привести к общему снижению эффективности окисления атмосферы, способствуя постепенному накоплению нескольких долгоживущих газовых примесей, которые в первую очередь удаляются в результате реакции с ОН. В стратосфере, особенно из-за каталитических реакций хлорсодержащих газов промышленного происхождения, происходит истощение озона, что особенно заметно в первые весенние месяцы над Антарктидой. Поскольку озон является единственным компонентом атмосферы, который может значительно поглощать солнечное излучение в диапазоне длин волн 240–320 нм, эта потеря озона усиливает проникновение биологически вредного УФ-B излучения на поверхность земли с соответствующими негативными последствиями для биосферы.Некоторые из вышеупомянутых химически активных следовых газов с тенденциями к росту в атмосфере также являются эффективными парниковыми газами. Вместе они могут оказывать согревающее воздействие на климат Земли примерно такое же, как у углекислого газа.

© (1993) АВТОРСКОЕ ПРАВО Общество инженеров по фотооптическому приборостроению (SPIE). Скачивание тезисов разрешено только для личного использования.

Последствия глобального потепления | Живая наука

Ожидается, что глобальное потепление будет иметь далеко идущие, долговременные и, во многих случаях, разрушительные последствия для планеты Земля.

Глобальное потепление, постепенное нагревание поверхности Земли, океанов и атмосферы, вызвано деятельностью человека, в первую очередь сжиганием ископаемого топлива, которое выбрасывает в атмосферу углекислый газ (CO2), метан и другие парниковые газы.

Несмотря на политические разногласия по поводу изменения климата, большой отчет был выпущен в сентябре. 27 ноября 2013 года Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) заявила, что ученые более чем когда-либо уверены в связи между деятельностью человека и глобальным потеплением. Более 197 международных научных организаций согласны с тем, что глобальное потепление реально и было вызвано деятельностью человека.

Глобальное потепление уже оказывает ощутимое влияние на планету.

«Мы можем наблюдать это в реальном времени во многих местах. Лед тает как в полярных ледяных шапках, так и в горных ледниках.Озера по всему миру, включая озеро Верхнее, быстро нагреваются — в некоторых случаях быстрее, чем окружающая среда. Животные меняют характер миграции, а растения меняют сроки активности, например, деревья, распускающие листья раньше весной и сбрасывающие их позже осенью, сказал Йозеф Верне, профессор геологии и экологических наук в Университете Питтсбурга. Живая наука

Вот подробный обзор изменений, вызванных глобальным потеплением.

Повышение средних и экстремальных температур

Одним из самых непосредственных и очевидных последствий глобального потепления является повышение температур во всем мире. По данным Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA), средняя глобальная температура повысилась примерно на 1,4 градуса по Фаренгейту (0,8 градуса по Цельсию) за последние 100 лет.

Согласно данным NOAA и NASA, с момента начала ведения учета в 1895 году самым жарким годом в мире стал 2016 год.В том году температура поверхности Земли была на 1,78 градуса по Фаренгейту (0,99 градуса по Цельсию) выше, чем в среднем за весь ХХ век. До 2016 года 2015 год был самым теплым годом за всю историю наблюдений. А до 2015 года? Ага, 2014. По данным НАСА, 16 из 17 самых теплых лет за всю историю наблюдений приходились на период с 2001 года.

По данным NOAA, для Соединенных Штатов и Аляски 2016 год стал вторым самым теплым годом за всю историю наблюдений и 20-м годом подряд, когда среднегодовая температура поверхности превысила 122-летний средний показатель с начала ведения учета.

Экстремальные погодные явления

Экстремальные погодные условия — еще один эффект глобального потепления. Несмотря на то, что лето было одним из самых жарких за всю историю наблюдений, большая часть Соединенных Штатов также переживает более холодные, чем обычно, зимы.

Изменения климата могут привести к тому, что полярный реактивный поток — граница между холодным воздухом Северного полюса и теплым экваториальным воздухом — мигрирует на юг, принося с собой холодный арктический воздух. Вот почему в некоторых штатах может быть внезапное похолодание или зима холоднее, чем обычно, даже во время долгосрочной тенденции глобального потепления, объяснил Верне.

«Климат — это, по определению, долгосрочное среднее значение погоды за многие годы. Один холодный (или теплый) год или сезон не имеет ничего общего с общим климатом. Это когда этих холодных (или теплых) лет становится больше. и более регулярно мы начинаем воспринимать это как изменение климата, а не просто аномальный погодный год », — сказал он.

Глобальное потепление может также привести к экстремальным погодным условиям, помимо экстремальных холода или жары. Например, изменятся ураганные образования. Хотя это все еще является предметом активных научных исследований, современные компьютерные модели атмосферы показывают, что ураганы, скорее всего, станут менее частыми в глобальном масштабе, хотя ураганы, которые образуются, могут быть более интенсивными.

«И даже если они станут менее частыми во всем мире, ураганы все равно могут стать более частыми в некоторых конкретных областях», — сказал атмосферный ученый Адам Собел, автор книги «Штормовой нагон: ураган« Сэнди »,« Наш изменяющийся климат »и« Экстремальные погодные условия прошлого »и». Будущее »(HarperWave, 2014). «Кроме того, ученые уверены, что ураганы станут более интенсивными из-за изменения климата». Это потому, что ураганы получают свою энергию от разницы температур между теплым тропическим океаном и холодными верхними слоями атмосферы. Глобальное потепление увеличивает эту разницу температур.

«Поскольку наибольший ущерб, безусловно, наносят самые сильные ураганы, такие как тайфун Хайян на Филиппинах в 2013 году, — это означает, что ураганы могут стать в целом более разрушительными», — сказал Собел, профессор кафедры Земли и Земли Колумбийского университета. Науки об окружающей среде, прикладная физика и прикладная математика. (Ураганы называются тайфунами в западной части северной части Тихого океана, а в южной части Тихого и Индийского океанов — циклонами.)

Молния — еще одна погодная особенность, на которую влияет глобальное потепление. Согласно исследованию 2014 года, к 2100 году ожидается 50-процентное увеличение количества ударов молний в Соединенных Штатах, если глобальные температуры продолжат расти. Исследователи обнаружили 12-процентное увеличение грозовой активности на каждые 1,8 градуса по Фаренгейту (1 градус Цельсия) потепления в атмосфере.

NOAA установило Индекс экстремальных климатических явлений США (CEI) в 1996 году для отслеживания экстремальных погодных явлений.По данным CEI, количество экстремальных погодных явлений, которые являются одними из самых необычных в истории, за последние четыре десятилетия растет.

Ученые прогнозируют, что экстремальные погодные явления, такие как волны тепла, засухи, метели и ливни, будут по-прежнему происходить чаще и с большей интенсивностью из-за глобального потепления, согласно данным Climate Central. Климатические модели предсказывают, что глобальное потепление вызовет значительные изменения в климатических моделях во всем мире.Эти изменения, вероятно, будут включать значительные сдвиги в характере ветра, годовых осадках и сезонных колебаниях температуры.

Кроме того, по данным Агентства по охране окружающей среды США (EPA), поскольку высокие уровни парниковых газов могут оставаться в атмосфере в течение многих лет, ожидается, что эти изменения будут длиться несколько десятилетий или дольше. EPA заявило, что, например, на северо-востоке Соединенных Штатов изменение климата, вероятно, приведет к увеличению годового количества осадков, в то время как на северо-западе Тихого океана ожидается уменьшение количества летних осадков.

Таяние льда

На сегодняшний день одним из основных проявлений изменения климата является таяние льда. Согласно исследованию 2016 года, опубликованному в журнале Current Climate Change Reports, в Северной Америке, Европе и Азии в период с 1960 по 2015 год наблюдалась тенденция к уменьшению снежного покрова. По данным Национального центра данных по снегу и льду, в настоящее время в Северном полушарии на 10 процентов меньше вечной мерзлоты или вечной мерзлоты, чем в начале 1900-х годов. Таяние вечной мерзлоты может вызвать оползни и другие внезапные обрушения земли.Он также может высвобождать давно захороненные микробы, как в случае 2016 года, когда тайник с тушами оленей оттаял и вызвал вспышку сибирской язвы.

Одним из наиболее драматичных последствий глобального потепления является сокращение арктического морского льда. Морской лед достиг рекордно низкой площади как осенью, так и зимой 2015 и 2016 годов, а это означает, что в то время, когда лед должен быть на пике, он отставал. Таяние означает, что толщина морского льда уменьшается в течение нескольких лет. Это означает, что меньше тепла отражается обратно в атмосферу блестящей поверхностью льда и больше поглощается сравнительно темным океаном, создавая петлю обратной связи, которая вызывает еще большее таяние, согласно операции NASA IceBridge.

Отступление ледников также является очевидным следствием глобального потепления. По данным Геологической службы США, только 25 ледников размером более 25 акров сейчас находятся в Национальном парке Монтаны Глейшер, где когда-то было обнаружено около 150 ледников. Аналогичная тенденция наблюдается в ледниковых районах по всему миру. Согласно исследованию 2016 года, опубликованному в журнале Nature Geoscience, существует 99 процентов вероятности того, что это быстрое отступление связано с изменением климата, вызванным деятельностью человека. Эти исследователи обнаружили, что некоторые ледники отступили в 15 раз больше, чем они могли бы отступить без глобального потепления.

Ученый проекта IceBridge Майкл Студингер называет эту фотографию хрестоматийным примером отступающего ледника, уменьшающегося в размерах. Темные дугообразные сваи — это конечные и боковые морены, неровные каменные сваи, оставленные после отступления ледника. Небольшое замерзшее озеро находится на левой оконечности ледника. Снято на Земле Томсена, северо-восток Гренландии. (Изображение предоставлено NASA / Michael Studinger)

Уровни моря и закисление океана

В целом по мере таяния льда уровень моря повышается.В 2014 году Всемирная метеорологическая организация сообщила, что повышение уровня моря ускоряется на 0,12 дюйма (3 миллиметра) в год в среднем во всем мире. Это примерно вдвое превышает среднегодовой рост на 0,07 дюйма (1,6 мм) в 20 веке.

Ожидается, что таяние полярных льдов в арктических и антарктических регионах в сочетании с таянием ледниковых щитов и ледников в Гренландии, Северной Америке, Южной Америке, Европе и Азии значительно повысит уровень моря. И в основном виноваты люди: в отчете IPCC, опубликованном 7 сентября.27 августа 2013 года ученые-климатологи заявили, что, по крайней мере, на 95 процентов уверены, что люди виноваты в потеплении океанов, быстром таянии льда и повышении уровня моря — изменениях, которые наблюдаются с 1950-х годов.

Мировой уровень моря поднялся примерно на 8 дюймов с 1870 года, согласно EPA, и ожидается, что в ближайшие годы темпы повышения увеличатся. Если нынешние тенденции сохранятся, многие прибрежные районы, где проживает примерно половина населения Земли, будут затоплены.

Исследователи прогнозируют, что к 2100 году средний уровень моря будет 2.EPA сообщает, что на 3 фута (0,7 метра) выше в Нью-Йорке, на 2,9 фута (0,88 м) выше на Хэмптон-роудс, штат Вирджиния, и на 3,5 фута (1,06 м) выше в Галвестоне, штат Техас. Согласно отчету МГЭИК, если выбросы парниковых газов останутся неконтролируемыми, глобальный уровень моря может подняться на целых 3 фута (0,9 метра) к 2100 году. Эта оценка представляет собой увеличение с 0,9 до 2,7 футов (0,3-0,8 метра), что было предсказано в отчете МГЭИК 2007 года о будущем повышении уровня моря.

Уровень моря — не единственное, что меняется в океанах из-за глобального потепления.По мере увеличения уровня CO2 океаны поглощают часть этого газа, что увеличивает кислотность морской воды. Верне объясняет это так: «Когда вы растворяете CO2 в воде, вы получаете углекислоту. Это то же самое, что происходит в банках с газировкой. Когда вы открываете крышку банки Dr Pepper, pH равен 2 — вполне достаточно. кислый «.

По данным EPA, с начала промышленной революции в начале 1700-х годов кислотность океанов увеличилась примерно на 25 процентов. «Это проблема океанов в значительной степени потому, что многие морские организмы делают раковины из карбоната кальция (например, кораллы, устрицы), и их раковины растворяются в растворе кислоты», — сказал Верне.«По мере того, как мы добавляем в океан все больше и больше СО2, он становится все более кислым, растворяя все больше и больше раковин морских существ. Само собой разумеется, что это вредно для их здоровья».

Если текущие тенденции закисления океана сохранятся, ожидается, что коралловые рифы будут становиться все более редкими в районах, где они сейчас распространены, включая большинство вод США, сообщает EPA. В 2016 и 2017 годах на некоторых участках Большого Барьерного рифа в Австралии произошло обесцвечивание — явление, при котором кораллы выбрасывают свои симбиотические водоросли.Обесцвечивание — признак стресса из-за слишком теплой воды, несбалансированного pH или загрязнения; коралл может восстановиться после обесцвечивания, но повторяющиеся эпизоды делают выздоровление менее вероятным.

Арктический морской лед в конце сезона таяния, 1981-2009 гг. (Изображение предоставлено NSIDC)

Растения и животные

Ожидается, что последствия глобального потепления для экосистем Земли будут глубокими и широко распространенными. Согласно отчету Национальной академии наук, многие виды растений и животных уже перемещаются на север или на более высокие высоты в результате повышения температуры.

«Они не просто движутся на север, они движутся от экватора к полюсам. Они довольно просто следуют диапазону комфортных температур, который перемещается к полюсам по мере того, как повышается средняя глобальная температура», — сказал Верне. В конечном итоге, сказал он, это становится проблемой, когда скорость изменения климата (насколько быстро меняется регион, выраженное в пространственном выражении) выше, чем скорость, с которой могут мигрировать многие организмы. Из-за этого многие животные могут оказаться не в состоянии конкурировать в новом климатическом режиме и могут исчезнуть.

Кроме того, по данным EPA, перелетные птицы и насекомые теперь прибывают в свои летние места кормления и гнездования на несколько дней или недель раньше, чем в 20-м веке.

Более высокие температуры также расширят диапазон многих болезнетворных патогенов, которые когда-то были ограничены тропическими и субтропическими зонами, убивая виды растений и животных, которые ранее были защищены от болезней.

Эти и другие эффекты глобального потепления, если их не остановить, вероятно, будут способствовать исчезновению до половины растений Земли и одной трети животных из их нынешнего ареала к 2080 году, согласно отчету 2013 года в журнале. Изменение климата природы.

Социальные последствия

Какими бы драматичными ни были последствия изменения климата для мира природы, прогнозируемые изменения в человеческом обществе могут оказаться еще более разрушительными.

Сельскохозяйственным системам, вероятно, будет нанесен серьезный удар. Хотя вегетационный период в некоторых районах расширится, совокупное воздействие засухи, суровой погоды, отсутствия накопившегося талого снега, большего количества и разнообразия вредителей, снижения уровня грунтовых вод и потери пахотных земель может привести к серьезным неурожаям и нехватке скота во всем мире.

Государственный университет Северной Каролины также отмечает, что углекислый газ влияет на рост растений. Хотя CO2 может увеличить рост растений, растения могут стать менее питательными.

Эта потеря продовольственной безопасности может, в свою очередь, вызвать хаос на международных продовольственных рынках и спровоцировать голод, продовольственные бунты, политическую нестабильность и гражданские беспорядки во всем мире, согласно ряду анализов из столь разных источников, как Министерство обороны США, Центр американского прогресса и Международный центр ученых имени Вудро Вильсона.

Ожидается, что помимо менее питательной пищи воздействие глобального потепления на здоровье человека также будет серьезным. Американская медицинская ассоциация сообщила о росте заболеваний, переносимых комарами, таких как малярия и лихорадка денге, а также о росте случаев хронических заболеваний, таких как астма, скорее всего, в прямом результате глобального потепления. Вспышка вируса Зика, передаваемого комарами, в 2016 году высветила опасность изменения климата. По словам экспертов, болезнь вызывает разрушительные врожденные дефекты у плода при инфицировании беременных женщин, а изменение климата может сделать районы более высоких широт пригодными для проживания комаров, которые распространяют болезнь.Более продолжительное и жаркое лето также может привести к распространению клещевых болезней.

Дополнительные ресурсы:

Исследование качества воздуха и изменения климата | Air Research

Изменение климата может повлиять на качество воздуха и, наоборот, качество воздуха может повлиять на изменение климата.

Изменения климата могут повлиять на качество местного воздуха. Атмосферное потепление, связанное с изменением климата, может привести к увеличению приземного озона во многих регионах, что может создать проблемы для соблюдения стандартов по озону в будущем.Влияние изменения климата на другие загрязнители воздуха, такие как твердые частицы, менее определенно, но исследования, направленные на устранение этих неопределенностей, продолжаются.

Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу могут привести к изменению климата. Озон в атмосфере нагревает климат, в то время как различные компоненты твердых частиц (ТЧ) могут оказывать на климат либо потепление, либо охлаждение. Например, сажа, загрязняющие частицы в результате горения, способствует нагреванию Земли, в то время как сульфаты в виде твердых частиц охлаждают земную атмосферу.

Исследователи работают по:

• Разработка методов применения возможных глобальных изменений температуры воздуха и режима осадков к условиям местного масштаба, которые влияют на качество воздуха
• Понять влияние изменения климата на мелкие твердые частицы и другие загрязнения воздуха.
• Определите сопутствующие выгоды от сокращения выбросов загрязнителей воздуха, которые также уменьшают воздействие изменения климата.
• Понять, как меры по снижению выбросов двуокиси углерода, парникового газа, могут повлиять на выбросы твердых частиц, озона, прекурсоров и других загрязнителей воздуха.

Научные знания и инструменты, разработанные EPA, расширяют способность государственных и местных менеджеров по контролю качества воздуха учитывать изменение климата при принятии решений по защите качества воздуха и уменьшению воздействия изменения климата.

Узнайте больше о других исследованиях изменения климата.

Связанные ресурсы

Сопутствующие инструменты

• Модель GLIMPSE — GLIMPSE — это инструмент моделирования поддержки принятия решений, разработанный EPA, который поможет штатам в планировании энергетики и окружающей среды до 2050 года.Пользователи GLIMPSE могут изучить влияние энергетических технологий и политики на окружающую среду.
• Мультимасштабная модель качества воздуха в сообществе — CMAQ — это основная система моделирования Агентства по охране окружающей среды для изучения загрязнения воздуха от местного до масштабного полушария.
• EPAUS9rT — EPAUS9rT — это общедоступная база данных, которую можно использовать с платформой моделирования TIMES для оценки воздействия сценариев альтернативных технологий будущего на уровни выбросов загрязняющих веществ и парниковых газов. Пользователи могут определить рентабельные и экологически безопасные энергетические стратегии для производства электроэнергии и для удовлетворения энергетических потребностей промышленных процессов, транспортной системы и зданий.

Публикации

• Science Inventory — это доступная для поиска база данных журнальных статей, отчетов и презентаций, созданная главным образом Управлением исследований и разработок EPA.

Влияние изменения глобального состава атмосферы на качество воздуха | Качество воздуха в мире: императив для долгосрочных стратегий наблюдений

Стр.15

были доставлены на поверхность Северной Америки весной 1997 г. (Jaffe et al., 1999). Весной 1999 г. CO и озон, связанные с выбросами из Азии, были снова обнаружены у побережья штата Вашингтон (Jaffe et al., 2001). Анализ данных об озоне из сетей мониторинга качества воздуха в США показывает, что нижний предел вероятностного распределения озона увеличивался за последние два десятилетия, что исследователи связывают с повышением уровней фонового загрязнения, переносимого из-за пределов США (Lin et al., 2000).

Перенос пылевых аэрозолей в Соединенные Штаты из Африки на большие расстояния хорошо задокументирован.Например, пыль из Сахары, переносимая на юго-восток США в летние месяцы, оказывает влияние на концентрацию ТЧ в атмосфере в Майами (Prospero, 1999), а также была обнаружена в национальном парке Грейт-Смоки-Маунтинс и даже дальше вглубь страны (Perry et al., 1997).

Также был обнаружен перенос газов и аэрозолей на большие расстояния от сжигания биомассы. Выбросы от крупных лесных пожаров в Канаде увеличили концентрацию CO и аэрозолей вдоль восточного побережья США в 1995 году (Wotawa and Trainer, 2000).В мае 1998 года дым от многочисленных пожаров, горящих в Мексике и Центральной Америке, был перенесен на юг США, что побудило Техас и другие штаты выпустить рекомендации в области общественного здравоохранения. Дым от этих пожаров был задокументирован в Оклахоме (Peppler, 2000), а спутниковые и наземные наблюдения показали, что этот дымовой шлейф простирается на северо-восток в Смоки-Маунтинс (Kreidenweis et al., 2001). Анализ данных мониторинга в национальном парке Биг-Бенд в Техасе позволяет предположить, что перенос дыма в парк был ежегодным весенним событием (Gebhart et al., 2000).

Известно, что перенос загрязнений на большие расстояния влияет даже на очень удаленные районы Земли. Зимнее явление, известное как арктическая дымка, широко изучается с момента его первого обнаружения в 1950-х годах. Эти исследования выявили доказательства того, что наблюдаемая дымка была вызвана выбросами в средних широтах в результате сжигания ископаемого топлива, плавки и других промышленных предприятий, в первую очередь из Евразии (Barrie, 1986). С тех пор серия полевых исследований значительно улучшила наше понимание того, как загрязнение, переносимое в Арктику, влияет на химию атмосферы и климат в этом регионе (например, см. Harriss et al., 1992; MacCracken et al., 1986; Бланше, 1989).

Моделирование текущих / будущих воздействий

Ряд трехмерных глобальных моделей переноса химических веществ (ГХМ) использовался для изучения проблемы переноса загрязняющих веществ на большие расстояния. Одно исследование по моделированию предсказало, что будущие события в Азии могут привести к выбросам, которые существенно повлияют на химический состав свободного тропосферного озона над Тихим океаном (Berntsen et al., 1996). Совсем недавно было подсчитано, что азиатские выбросы уже повысили средние фоновые весенние уровни CO и O ₃ в среднем на 34 и 4 ppb соответственно в восточной части северной части Тихого океана (Berntsen et

Углекислый газ в атмосфере находится на рекордно высоком уровне.Вот что вам нужно знать.

Удерживая тепло от солнца, парниковые газы сохраняют климат Земли пригодным для жизни людей и миллионов других видов. Но сейчас эти газы вышли из равновесия и угрожают кардинально изменить то, какие живые существа могут выжить на этой планете и где.

Атмосферные уровни углекислого газа — наиболее опасного и распространенного парникового газа — находятся на самом высоком уровне, когда-либо зарегистрированном. Уровни парниковых газов настолько высоки в первую очередь потому, что люди выбрасывают их в воздух, сжигая ископаемое топливо.Газы поглощают солнечную энергию и удерживают тепло близко к поверхности Земли, не позволяя ему улетучиваться в космос. Это удержание тепла известно как парниковый эффект.

Корни концепции парникового эффекта уходят в XIX век, когда французский математик Жозеф Фурье в 1824 году подсчитал, что Земля была бы намного холоднее, если бы на ней не было атмосферы. В 1896 году шведский ученый Сванте Аррениус первым связал повышение концентрации углекислого газа в результате сжигания ископаемого топлива с эффектом потепления.Почти столетие спустя американский ученый-климатолог Джеймс Э. Хансен засвидетельствовал Конгрессу, что «парниковый эффект был обнаружен и сейчас меняет наш климат».

Сегодня «изменение климата» — это термин, который ученые используют для описания сложных изменений, вызванных концентрации парниковых газов, которые в настоящее время влияют на погодные и климатические системы нашей планеты. Изменение климата включает не только повышение средних температур, которое мы называем глобальным потеплением, но и экстремальные погодные явления, изменение популяций и мест обитания диких животных, повышение уровня моря и ряд других факторов. другие воздействия.

Климат 101: причины и последствия

Климат, безусловно, меняется. Но что вызывает это изменение? И как повышение температуры влияет на окружающую среду и нашу жизнь?

Правительства и организации по всему миру, такие как Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК), орган Организации Объединенных Наций, который отслеживает последние научные данные об изменении климата, измеряет парниковые газы, отслеживает их воздействие и внедряет решения.

Основные парниковые газы и источники

Двуокись углерода (CO ₂ ): Двуокись углерода является основным парниковым газом, на который приходится около трех четвертей выбросов.Он может оставаться в атмосфере на тысячи лет. В 2018 году уровень углекислого газа достиг 411 частей на миллион в Гавайской обсерватории базового уровня атмосферы Мауна-Лоа, что стало самым высоким среднемесячным значением за всю историю наблюдений. Выбросы углекислого газа в основном происходят от сжигания органических материалов: угля, нефти, газа, древесины и твердых отходов.

Метан (CH ₄ ): Основной компонент природного газа, метан, выбрасывается со свалок, газовой и нефтяной промышленности и сельского хозяйства (особенно из пищеварительной системы пастбищных животных).Молекула метана не остается в атмосфере так долго, как молекула углекислого газа — около 12 лет, — но она по крайней мере в 84 раза мощнее за два десятилетия. На его долю приходится около 16 процентов всех выбросов парниковых газов.

Закись азота (N ₂ O): Закись азота занимает относительно небольшую долю глобальных выбросов парниковых газов — около шести процентов, — но она в 264 раза мощнее углекислого газа за 20 лет, а срок ее службы в По данным IPCC, атмосфера превышает столетие.Сельское хозяйство и животноводство, включая удобрения, навоз и сжигание сельскохозяйственных остатков, наряду со сжиганием топлива, являются крупнейшими источниками выбросов закиси азота.

Промышленные газы: Фторированные газы, такие как гидрофторуглероды, перфторуглероды, хлорфторуглероды, гексафторид серы (SF ₆ ) и трифторид азота (NF ₃ ), имеют потенциал улавливания тепла в тысячи раз больше, чем CO и 2 оставаться в атмосфере от сотен до тысяч лет.На их долю приходится около 2 процентов всех выбросов, они используются в качестве хладагентов, растворителей и в производстве, иногда являясь побочными продуктами.

Другие парниковые газы включают водяной пар и озон (O ₃ ). Водяной пар на самом деле является самым распространенным парниковым газом в мире, но он не отслеживается так же, как другие парниковые газы, потому что он не испускается напрямую в результате деятельности человека, и его последствия недостаточно изучены. Точно так же приземный или тропосферный озон (не путать с защитным стратосферным озоновым слоем выше) не испускается напрямую, а возникает в результате сложных реакций между загрязнителями в воздухе.

Воздействие парниковых газов

Парниковые газы имеют далеко идущие последствия для окружающей среды и здоровья. Они вызывают изменение климата, удерживая тепло, а также способствуют респираторным заболеваниям из-за смога и загрязнения воздуха. Экстремальные погодные условия, перебои в снабжении продовольствием и учащение лесных пожаров — это другие последствия изменения климата, вызванного парниковыми газами. Типичные погодные условия, которые мы привыкли ожидать, изменятся; некоторые виды исчезнут; другие будут мигрировать или расти.( Подробнее о воздействии парниковых газов через изменение климата здесь. )

Климат 101: Загрязнение воздуха

Что такое загрязнение воздуха? Узнайте, как парниковые газы, смог и токсичные загрязнители влияют на изменение климата и здоровье человека.

Как сократить выбросы парниковых газов

Практически каждый сектор мировой экономики, от производства до сельского хозяйства и транспорта до производства электроэнергии, вносит парниковые газы в атмосферу, поэтому все они должны уйти от ископаемого топлива, если мы чтобы избежать наихудших последствий изменения климата.Страны во всем мире признали эту реальность в Парижском соглашении по климату 2015 года. Изменения будут наиболее важными среди крупнейших источников выбросов: на 20 стран приходится не менее трех четвертей мировых выбросов парниковых газов, вместе с Китаем, США и США. и Индия впереди.

Технологии снижения выбросов парниковых газов в большинстве своем уже существуют. Они включают замену ископаемого топлива на возобновляемые источники, повышение энергоэффективности и сокращение выбросов углерода путем назначения цены.( Подробнее о таких решениях здесь. )

Технически мир имеет только одну пятую своего «углеродного бюджета» — всего 2,8 триллиона метрических тонн — остающуюся, чтобы избежать нагревания Земли более чем на 1,5 градуса по Цельсию. Чтобы остановить эти тенденции, потребуется нечто большее, чем просто отказ от ископаемого топлива. Фактически, пути к остановке повышения глобальной температуры на 1,5 или 2 градуса Цельсия, две цели, обозначенные МГЭИК, в некотором роде основаны на принятии методов высасывания СО2 из неба.К ним относятся посадка деревьев, сохранение существующих лесов и пастбищ, а также улавливание CO ₂ с электростанций и фабрик.

ГЛОБАЛЬНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

ГЛОБАЛЬНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ Создано с разрешения: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). 1989. Спутник для исследования верхних слоев атмосферы: программа изучения глобального изменения озона . Вашингтон, округ Колумбия: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства.

---

ГЛОБАЛЬНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

Атмосфера Земли меняется.Научные измерения задокументировали сдвиги в химическом составе в нижних слоях атмосферы, а также существенные изменения химического состава в верхних слоях атмосферы. Оба этих открытия имеют важное значение для земной жизни и человеческого общества.

Влияние природы и человека

Некоторые из этих изменений имеют естественное происхождение. Вариации интенсивности солнечного излучения влияют на энергетический баланс, химический состав и динамику атмосферы, равно как и колебания интенсивности солнечного ветра и космических лучей из космоса.Вулканические извержения выбрасывают в атмосферу пыль, пепел и различные химические соединения. Такие природные явления обычно бывают периодическими или эпизодическими; их эффекты, хотя часто и драматичны, обычно не представляют серьезной угрозы для равновесия глобальной системы Земли.

Человеческая деятельность также ответственна за атмосферные изменения. Однако, в отличие от естественных процессов, эта деятельность порождает долгосрочные тенденции, которые, если будут продолжаться, могут привести к серьезным и необратимым последствиям.Например, сжигание ископаемого топлива приводит к увеличению во всем мире концентрации двуокиси углерода в атмосфере, которая пропускает видимый свет, но улавливает инфракрасное излучение у поверхности Земли. Этот так называемый «парниковый эффект» вызовет тенденцию к глобальному потеплению. Если содержание углекислого газа в атмосфере продолжит увеличиваться нынешними темпами, по оценкам модельных исследований, средняя глобальная температура поверхности повысится примерно на 2 градуса. По Цельсию к середине следующего столетия — изменение климата сильнее, чем когда-либо существовало в организованных человеческих обществах.

Более того, углекислый газ — лишь один из нескольких «парниковых» газов. Другие, хотя по отдельности менее значимы, в совокупности могут производить сопоставимый эффект. К ним относятся закись азота (возникающая в результате микробной активности, сжигания и использования азотных удобрений), метан (вырабатываемый болотами, рисовыми полями и пищеварительной системой термитов и жвачных животных) и хлорфторуглероды, или ХФУ, которые все еще используются. в некоторых частях мира в качестве пропеллента для аэрозольных баллончиков и во всем промышленно развитом мире при производстве пенопласта, очистке промышленных компонентов, кондиционировании воздуха и холодильном оборудовании.

ХФУ и стратосферный озон

Введение ХФУ в атмосферу может в конечном итоге привести к истощению стратосферного озонового слоя Земли, который защищает земную жизнь от вредного солнечного ультрафиолетового излучения. Попав в нижние слои атмосферы, ХФУ мигрируют вверх в стратосферу, где они разлагаются ультрафиолетовым солнечным светом. Освободившийся таким образом хлор действует как катализатор разрушения озона. Имеются убедительные доказательства того, что ХФУ в значительной степени ответственны за существенное сезонное снижение уровней озона над Антарктикой в ​​последние годы, и растет озабоченность по поводу того, что глобальные уровни озона также страдают.Атмосферные концентрации двух основных ХФУ в настоящее время увеличиваются с угрожающей скоростью — 5% в год. Другие парниковые газы, такие как метан и закись азота, также играют роль в химии озона в верхних слоях атмосферы.

Соединенные Штаты запретили ХФУ в качестве пропеллента аэрозолей в 1978 году, и многие страны теперь согласились еще больше ограничить использование ХФУ. Однако наши знания химии верхних слоев атмосферы в настоящее время недостаточны для детального изучения проблемы озона, как и наше понимание динамических процессов и энергетических балансов, которые тесно связаны с химическими эффектами.Обоснованные политические решения 1990-х годов должны будут опираться на обширную базу данных, предоставленную систематической глобальной исследовательской программой, нацеленной на верхние слои атмосферы. Спутник НАСА для исследования верхних слоев атмосферы (UARS) является центральным элементом этой программы.

---

UARS: МАНДАТ

---

Мы исследовали внешние границы нашей Солнечной системы с помощью автоматизированных космических аппаратов, а астрономические обсерватории на околоземной орбите открыли новые окна во Вселенную. Тем не менее, верхние слои атмосферы Земли, начинающиеся всего на 10-15 км над поверхностью, остаются границей, в значительной степени неизведанной из космоса.Спутник НАСА для исследования верхних слоев атмосферы (UARS) проведет первое систематическое комплексное исследование стратосферы и предоставит важные новые данные о мезосфере и термосфере.

Глобальная исследовательская программа

Важные процессы в верхних слоях атмосферы — энергетический баланс, динамика и химия — имеют глобальный масштаб. Поэтому их исследование требует глобального охвата, которого можно достичь только с помощью дистанционного зондирования из космоса. В этом подходе датчики космического корабля измеряют энергию, излучаемую атмосферой, или энергию, поглощаемую или рассеиваемую солнечным светом, проходящим через атмосферу.Анализ результатов предоставляет подробную информацию о химических компонентах, температуре, ветрах и влиянии энергии, поступающей от солнечного света и солнечного ветра. Эти результаты помогут выявить механизмы, контролирующие структуру и изменчивость верхних слоев атмосферы, улучшить предсказуемость истощения озонового слоя и определить роль верхних слоев атмосферы в климатической системе Земли.

Программа UARS основана на десятилетиях исследований ракет, воздушных шаров, самолетов и таких спутников, как телевизионные инфракрасные операционные спутники (TIROS) и орбитальные геофизические обсерватории (OGO), Solar Mesosphere Explorer (SME) и Nimbus.Цели миссии UARS — обеспечить более глубокое понимание:

• Энергия, поступающая в верхние слои атмосферы;
• Глобальная фотохимия верхних слоев атмосферы;
• Динамика верхних слоев атмосферы;
• Связь между этими процессами; и
• Муфта между верхней и нижней атмосферой.

Помимо девяти экспериментальных групп, программа UARS включает десять теоретических групп с конкретными обязанностями по анализу и интерпретации данных.Одним из важных продуктов этих исследований станут компьютерные модели, моделирующие процессы в верхних слоях атмосферы. Это моделирование проверит наше понимание этих процессов и предоставит прогнозы изменений в структуре и поведении атмосферы, важных для формулирования будущей политики.

Исследование глобальных изменений

Национальный мандат на UARS датируется 1976 годом, когда Конгресс США, отвечая на выявление новых причин истощения озонового слоя, поручил НАСА расширить свою исследовательскую программу, связанную с верхними слоями атмосферы. Вскоре возникла активная исследовательская инициатива с участием ракет, самолетов и аэростатов, а также лабораторных и теоретических исследований. Эти исследования подтвердили, что химические вещества, созданные человеком, действительно разрушают стратосферный озон, усиливая обеспокоенность по поводу последствий этого истощения жизни на Земле. Признавая эту озабоченность, НАСА сделало своевременный полет UARS ключевым краткосрочным компонентом систематического долгосрочного плана изучения глобальных изменений из космоса.

Миссия

Запланированный на запуск космического корабля «Шаттл» в конце 1991 года, UARS будет работать на высоте 600 км над Землей по орбите, наклоненной на 57 градусов к экватору.Эта орбита позволит датчикам UARS «видеть» до 80 градусов по широте — таким образом, обеспечивая практически глобальный охват стратосферы и мезосферы — и производить измерения во всем диапазоне местного времени во всех географических точках каждые 36 дней.

Девять датчиков UARS предоставят самые полные данные о потребляемой энергии, ветре и химическом составе из когда-либо собранных. Взятые вместе, наборы данных дадут первый одновременный всеобъемлющий глобальный охват этих тесно связанных свойств атмосферы.Таким образом, эти наблюдения представляют собой комплексное исследование природы верхних слоев атмосферы. Дополнительные корреляционные данные, а также теоретические исследования, связанные с конкретными задачами датчиков, дополнят наблюдения UARS, чтобы обеспечить систематический единый исследовательский подход.

Международное наследие

Важным аспектом программы UARS является ее координация с дополнительными национальными и международными программами обучения и сбора данных.Другие страны вносят свой вклад в инструменты UARS, и ученые из многих стран в конечном итоге будут участвовать в анализе и использовании данных UARS.

По завершении миссии UARS мы получим резко расширенную и подробную картину энергетики, динамики и химического состава верхних слоев атмосферы. Затем эта информация будет доступна правительствам всего мира, что позволит им более эффективно рассматривать роль деятельности человека в изменении свойств верхних слоев атмосферы.

---

СТРУКТУРА АТМОСФЕРЫ

---

Атмосфера Земли структурирована по слоям, каждый из которых обладает характерными физическими и динамическими свойствами, каждый из которых взаимодействует со слоями над и под ним. Для большинства целей эти слои атмосферы удобно классифицировать по изменению температуры с высотой.

Тропосфера

Тропосфера — это самый нижний слой атмосферы Земли, простирающийся на высоту 10-15 км в зависимости от широты.Этот регион содержит большую часть атмосферных облаков и погоды и является основным источником и поглотителем важных газовых примесей для более высоких слоев атмосферы. Ранние наблюдения показали, что температура в тропосфере понижается с высотой, и долгое время считалось, что эта взаимосвязь сохраняется во всей атмосфере.

Стратосфера

Однако к концу XIX века дальнейшие исследования показали более сложное поведение температуры. Французский метеоролог Леон Филипп Тейссерен де Борт запустил сотни воздушных шаров, которые переносили термометры, барометры и гигрометры на высоту 10-15 км.Эти наблюдения на средних широтах показали, что температура понижается с высотой только до высоты около 12 км. Де Борт открыл тропопаузу, которая отмечает предел тропосферы и начало верхних слоев атмосферы.

Измерения на воздушном шаре Де Борта, которые не были особенно чувствительными, казалось, показали, что температура атмосферы оставалась примерно постоянной выше тропопаузы. Если бы это было так, можно было бы ожидать, что атмосферные газы будут рассортированы по слоям, или «стратам», в соответствии с их молекулярным весом; поэтому область над тропосферой была названа стратосферой.

Истинная структура верхних слоев атмосферы была обнаружена в серии экспериментов, последовавших за новаторскими исследованиями де Борта. В настоящее время известно, что стратосфера — это область интенсивных взаимодействий между радиационными, динамическими и химическими процессами, в которых горизонтальное смешение газовых компонентов происходит намного быстрее, чем вертикальное смешение. Вопреки раннему выводу де Борта, стратосфера теплее верхней тропосферы: температура над тропопаузой медленно увеличивается с высотой примерно до 50 км.Однако объяснение этому явлению не было найдено до 1930 года, когда Сидни Чепмен выдвинул правдоподобную теорию существования стратосферного озонового слоя. Поглощение солнечной ультрафиолетовой энергии озоном вызывает большую часть тепла в средней атмосфере.

Мезосфера и термосфера

На высоте выше 50 км влияние нагрева озоном становится менее важным из-за падения концентрации озона, и радиационное охлаждение становится относительно более важным.Таким образом, температура снова начинает снижаться с высотой. Этот эффект отмечает стратопаузу — верх стратосферы и низ мезосферы. Ракетные эксперименты 1940-х и 1950-х годов показали, что температура опускается до -70 градусов. до -140град. Цельсия в верхней мезосфере, в зависимости от широты и сезона.

В конце 1950-х годов ракетные полеты исследовали область над мезосферой, термосферу, где температура снова начинает повышаться с высотой. Мезопауза на высоте около 80 км отделяет мезосферу от этого внешнего слоя атмосферы Земли.Нагревание термосферы происходит из-за поглощения высокоэнергетического солнечного излучения небольшим количеством остаточного молекулярного кислорода, который все еще присутствует, и температура может повышаться до 2000 градусов. Цельсия. На этих больших высотах остаточные атмосферные газы действительно распределяются по слоям в соответствии с молекулярной массой, как ранее предположил де Борт для стратосферы.

Поскольку космические аппараты на низкой околоземной орбите фактически проходят через внешнюю термосферу, прямой отбор образцов химических веществ широко используется для понимания свойств термосферы. Эксплорер-17, запущенный в 1963 году, стал первым спутником, который обеспечил количественные измерения газовой стратификации в термосфере. Однако мезосфера и нижние слои не могут быть исследованы таким образом напрямую — глобальные наблюдения из космоса требуют дистанционного зондирования с космического корабля на высоте значительно выше мезопаузы. Огромные технологические проблемы дистанционного зондирования атмосферы, многие из которых только сейчас решаются, задерживают детальное изучение стратосферы и мезосферы по сравнению с достижениями термосферных исследований.

---

ВЕРХНИЕ АТМОСФЕРНЫЕ ПРОЦЕССЫ

---

Химия, динамика и энергозатраты — это процессы, которые определяют структуру и поведение верхних слоев атмосферы. Эти процессы тесно взаимосвязаны и должны изучаться вместе. Только так мы сможем получить достаточно подробное понимание, позволяющее точно предсказывать влияние человека на верхние слои атмосферы.

Химия

Химические процессы ответственны за формирование и поддержание стратосферного озонового слоя Земли, который, в свою очередь, отвечает за эффект нагрева, который отличает стратосферу от тропосферы.Озоновый слой защищает земную жизнь от вредного воздействия солнечного ультрафиолетового излучения. Поэтому химические процессы в верхних слоях атмосферы, которые могут изменять концентрацию озона, являются центральным элементом исследовательской программы UARS.

Озон естественным образом образуется в средней и верхней стратосфере за счет диссоциации молекулярного кислорода солнечным светом. В отсутствие химических веществ, образующихся в результате деятельности человека, баланс озона поддерживается рядом конкурирующих химических реакций между встречающимися в природе видами, в первую очередь атомарным кислородом, молекулярным кислородом и оксидами водорода и азота.

Однако в современной стратосфере этот естественный баланс был изменен, в частности, из-за введения искусственных хлорфторуглеродов (ХФУ). Нет известных механизмов разрушения ХФУ в нижних слоях атмосферы; Таким образом, промышленно выпускаемые ХФУ продолжают накапливаться в тропосфере до тех пор, пока не будут перенесены в стратосферу. Там они диссоциируют под действием солнечного ультрафиолетового излучения с образованием атомарного хлора, который, как известно, разрушает озон в результате каталитических реакций, питаемых солнечным светом.

Большое разнообразие других химических веществ также необходимо принимать во внимание при любой попытке понять очень сложный химический состав стратосферы и судьбу озонового слоя (см. Страницы 16-17). UARS получит данные о большом количестве ключевых химических веществ в верхних слоях атмосферы.

Динамика

Ветры играют важную роль в переносе тепла и газов в верхние слои атмосферы. Глобальное распределение химических веществ определяется в первую очередь движениями планетарного масштаба с периодами в несколько дней и более.Однако мелкомасштабные движения важны в нескольких контекстах, включая обмен газами между тропосферой и стратосферой. По оценкам, до 70% общей стратосферной воздушной массы ежегодно обменивается с тропосферой, обеспечивая постоянное восходящее проникновение тропосферных видов в стратосферу и нисходящий перенос продуктов стратосферных реакций.

Поля ветра в верхних слоях атмосферы тесно связаны с распределением некоторых газовых примесей, а также с энергозатратами.Поскольку озон является наиболее частым поглотителем солнечного ультрафиолетового излучения в стратосфере и мезосфере, его пространственное распределение сильно влияет на характер нагрева атмосферы в этих регионах. Кроме того, скорости химических реакций, которые определяют обилие видов, чувствительны к температуре, обычно возрастая с повышением температуры. Таким образом, атмосферный нагрев влияет на химию и, создавая градиенты давления, на поля ветра (см. Страницы 20-21).

Потребляемая энергия

Излучение Солнца оказывает доминирующее влияние на процессы в верхних слоях атмосферы. Практически все солнечное ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн 120–300 нм поглощается в стратосфере, мезосфере и нижней термосфере. Эта энергия вместе с энергозатратами магнитосферы в высоких широтах имеет фундаментальное значение для фотохимии и динамики верхних слоев атмосферы. Солнечное излучение в сочетании с охлаждением излучением в тепловой и инфракрасной области спектра создает большую часть сезонной, вертикальной и широтной изменчивости тепловой структуры атмосферы, которая, в свою очередь, контролирует большую часть динамики верхних слоев атмосферы.Поэтому количественное понимание атмосферных радиационных процессов имеет важное значение для исследований химии и динамики верхних слоев атмосферы (см. Страницы 22-23).

---

АТМОСФЕРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ: ПЕРСПЕКТИВА

---

Человеческий интерес к исследованиям атмосферы восходит к глубокой древности. Древнегреческая философия считала воздух одним из четырех основных элементов (вместе с землей, огнем и водой), из которых состоит все сущее. Демокрит даже предложил атомную теорию атмосферы.Научные исследования атмосферы в 17-18 веках заложили основы современной физики и химии и положили начало систематическому изучению свойств атмосферы.

Воздушные шары и самолеты

Разработка пилотируемого воздушного шара в конце 1700-х годов предоставила первую платформу, пригодную для исследований на больших высотах. Вскоре последовал ряд важных открытий, таких как постоянство отношения азота и кислорода во всей нижней тропосфере.К началу 20-го века интерес к пилотируемым воздушным шарам ослаб, но улучшения в конструкции аэростатов, приборов и связи с землей вскоре привели к возобновлению исследовательской деятельности. В 1930-х и 1940-х годах воздушные шары достигли высоты более 20 км для сбора данных о погодных условиях, явлениях в верхних слоях атмосферы и космических лучах. Современные воздушные шары, которые могут летать на расстоянии более 40 км, остаются предпочтительной платформой для многих атмосферных исследований; хотя они ограничены в географическом и высотном охвате, они предлагают увеличенное время наблюдений, гибкость запуска и умеренную стоимость. Самолеты, специально разработанные для полетов на очень больших высотах (до 22 км), теперь могут выполнять быстрые измерения свойств стратосферы на месте и с помощью дистанционного зондирования.

Ракеты

Ракеты стали важным инструментом исследований в начале 20-го века, а к 1930-м годам они уже давали фундаментальные новые данные о верхних слоях атмосферы. Исследования во время Второй мировой войны значительно повысили возможности и характеристики ракет. Несмотря на короткое время наблюдений и ограниченный географический охват, послевоенные полеты на ракетах очертили основные особенности атмосферы на очень больших высотах, помогая установить нашу нынешнюю картину изменений температуры и состава с высотой.Они также предоставили первые измерения солнечного ультрафиолетового спектра, практически свободного от атмосферного поглощения.

Космический корабль

Космическая эра, начавшаяся в 1957 году, открыла новое измерение в исследованиях атмосферы. Первые спутниковые изображения погодных условий и характеристик поверхности Земли были получены в 1960 году. Космические аппараты на низкой околоземной орбите измеряли непосредственно химический состав и другие свойства верхней термосферы, но космические наблюдения за стратосферой и мезосферой должны были ждать развития удаленных -сенсорные приборы.В течение 1970-х и 1980-х годов серия все более изощренных экспериментов (например, OGO, Atmospheric Explorers, Nimbus) продемонстрировала огромный потенциал методов дистанционного зондирования для исследования верхних слоев атмосферы. UARS применяет эти методы созревания к широкому спектру атмосферных свойств в рамках систематической комплексной исследовательской программы.

---

ВЕРХНЯЯ АТМОСФЕРА: ГЛОБАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

---

Недоступность верхних слоев атмосферы долгое время препятствовала его глобальному изучению.Поглощение тропосферы затрудняет прямое наблюдение с наземных станций, которые в любом случае в значительной степени ограничены земельными участками. Воздушные шары могут нести массивные инструменты, а ракеты позволяют более мелким грузам достигать больших высот, но обширный географический охват с помощью этих средств невозможен. Глобальное изучение верхних слоев атмосферы требует дистанционного зондирования из космоса, что позволяет быстро и систематически получать сведения об атмосферных свойствах во всем мире.

Предыдущие спутниковые наблюдения

Первый космический аппарат TIROS, запущенный в 1960 году, положил начало исследованиям атмосферы из космоса.Хотя этот новаторский спутник был разработан для наблюдений за погодой, он наглядно продемонстрировал возможности дистанционного зондирования атмосферы для научных исследований. Последовательные космические аппараты TIROS, эксплуатируемые Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA), вернули данные, которые становятся все более точными и актуальными для атмосферных исследований. Однако успехи в таких операционных программах зависели от экспериментальных инструментов, разработанных НАСА для научных исследований.

Спутники NASA Nimbus, запущенные между 1964 и 1978 годами, служили испытательными площадками для новых методов дистанционного зондирования, предоставляли данные о структуре верхних слоев атмосферы и проложили путь для передачи проверенных технологий дистанционного зондирования для оперативного использования NOAA.Другие спутники НАСА использовали дистанционное зондирование и в некоторых случаях методы на месте для исследования термосферы и верхней мезосферы в 1970-х и начале 1980-х годов. К ним относятся орбитальные геофизические обсерватории, исследователи атмосферы, исследователи динамики, исследователь солнечной мезосферы и спутник радиационного баланса Земли.

Существующие потребности в исследованиях

Эти космические исследования значительно продвинули наше понимание верхних слоев атмосферы.Однако их выводы также подняли важные новые проблемы и вопросы, которые необходимо решить с помощью исследовательских спутников нового поколения.

Например, анализ концентраций озона над Антарктидой, измеренных спектрометром общего содержания озона (TOMS) на борту «Нимбус-7», подробно проследил развитие антарктической «озоновой дыры», обнаруженной первоначально в результате наземных наблюдений. Современное объяснение этого явления подчеркивает химические механизмы, инициированные искусственными хлорфторуглеродами (ХФУ), в сочетании с чрезвычайно низкими температурами, продолжительной ночью и уникальной атмосферной динамикой, наблюдаемой в полярных регионах.Озоновая дыра в Антарктике, таким образом, представляет собой поразительный пример взаимосвязи между химическим составом, динамикой и энергозатратами верхних слоев атмосферы, что является важной областью исследований UARS.

Возможное влияние ХФУ на уровни озона во всем мире пока нельзя точно предсказать. Из-за сложности химии стратосферы необходимо измерить и более точно измерить гораздо больше химических веществ, чтобы численное моделирование глобальных уровней озона стало надежным. Кроме того, из-за важности динамических эффектов также необходимы обширные новые данные о стратосферном ветре; прямые измерения ветра до сих пор проводились только в тропосфере.Кроме того, необходима окончательная серия измерений подводимой энергии, проводимых одновременно с химическими и динамическими наблюдениями, чтобы ограничить модели верхних слоев атмосферы. UARS, основанный на результатах предыдущих спутниковых экспериментов, предоставит фундаментальные данные, необходимые во всех трех областях исследований.

---

UARS: КОМПЛЕКСНЫЙ ДИЗАЙН

---

Миссия UARS на сегодняшний день является самым сложным космическим исследованием верхних слоев атмосферы, которое когда-либо предпринималось.Тем не менее, конструкция всех основных компонентов миссии — обсерватории UARS, инструментария, операций миссии и анализа научных данных — воплощает в себе такую ​​высокую степень интеграции, что миссия, по сути, представляет собой единый эксперимент.

Обсерватория УАРС

Обсерватория включает в себя девять инструментов UARS, специально разработанный инструментальный модуль и модульный космический корабль с множеством миссий (MMS). MMS включает стандартные модули для ориентации, связи и обработки данных, электроэнергии и движения.Эти модули предлагают возможность обслуживания на орбите, и вся обсерватория была спроектирована так, чтобы позволить ее извлечение и возвращение на Землю экипажу космического шаттла при необходимости.

Scientific Instruments

Инструменты UARS были выбраны для обеспечения наиболее полной и тщательно интегрированной экспериментальной картины верхних слоев атмосферы, когда-либо полученной. Эти исследования будут основываться на, расширять и консолидировать результаты предыдущих миссий, которые уже дали некоторое представление о сложности процессов в верхних слоях атмосферы.

Будут выполнены три типа измерений: (1) состав и температура, (2) ветер и (3) подводимая энергия. Четыре прибора УАРС предназначены для измерений первого рода; они будут спектроскопически определять концентрации многих различных химических веществ и определять изменение температуры атмосферы с высотой, наблюдая за инфракрасными выбросами углекислого газа. Два прибора, использующие интерферометрию высокого разрешения, будут изучать ветры в верхних слоях атмосферы, регистрируя доплеровский сдвиг света, поглощаемого или испускаемого молекулами атмосферы.Еще три исследования позволят получить оценки энергии, падающей на атмосферу, путем измерения солнечного ультрафиолетового излучения и потока заряженных частиц из магнитосферы Земли.

Эти девять экспериментов, проведенных совместно и одновременно, фактически составляют единое исследование. Десятый прибор, предназначенный для измерения общей солнечной освещенности («солнечной постоянной»), также будет доставлен для расширения набора данных, важных для исследований глобального климата.

Операции миссии

При планировании операций UARS руководствовались двумя основополагающими принципами. Во-первых, для эффективной работы потребуется активное участие каждого исследователя приборов и центра управления полетами в Центре космических полетов имени Годдарда (GSFC) НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. Кроме того, для достижения целей программы будет важна высокая степень координации измерений с помощью различных инструментов.

Эти принципы реализуются в рамках долгосрочного научного плана, который будет определять летные операции UARS.Ежедневные научные планы, разработанные на основе этого унифицированного подхода, будут храниться в системе управления командования в центре управления полетами GSFC. Научные исследователи, действуя как скоординированная группа, будут помогать руководить повседневным командованием космическим кораблем, чтобы обеспечить выполнение задач миссии, требующих наблюдения с использованием нескольких инструментов. Данные о характеристиках приборов и космических аппаратов будут немедленно доступны на компьютерах удаленного анализа (RAC), эксплуатируемых учеными в их домашних учреждениях, что будет способствовать высокой степени взаимодействия между исследовательскими группами и научным оперативным персоналом.

Анализ данных

Система данных UARS обеспечивает основу, которая объединяет миссию UARS и ее многочисленные наборы данных. Эта система, включающая программное обеспечение, разработанное исследователями приборов, преобразует наблюдения UARS в обработанные, каталогизированные информационные продукты, необходимые для облегчения быстрого анализа и понимания сложных атмосферных процессов. В соответствии с работой UARS как единого интегрированного эксперимента, все данные UARS будут объединены и предоставлены всем исследователям (как экспериментальным, так и теоретическим) с самого начала программы наблюдений.Эта политика, вместе с высоко интерактивной связью управления полетом с сетью RAC и возможностью влиять на планирование миссии, позволит ученым немедленно обнаруживать необычные особенности и быстро реагировать на такие спорадические события, как солнечные вспышки и извержения вулканов.

---

АТМОСФЕРНАЯ ХИМИЯ

---

Растущая обеспокоенность всего мира по поводу истощения защитного озонового слоя Земли резко обострила важность химии верхних слоев атмосферы. Лучшее понимание многочисленных, сложных и взаимосвязанных химических реакций в стратосфере является особенно важной исследовательской потребностью. Именно эта задача является основной движущей силой миссии UARS.

Химия верхних слоев атмосферы может быть организована в виде реакций в пределах нескольких семейств компонентов, содержащих азот (N), водород (H) или хлор (Cl), вместе с взаимодействиями между этими семействами. Каждое семейство включает три основных типа видов: исходные молекулы, свободные радикалы и молекулы-резервуары / поглотители.

Исходные молекулы представляют собой относительно стабильные соединения, полученные в результате биологических, геологических или антропогенных процессов, происходящих на поверхности Земли. Свободные радикалы — это короткоживущие высокореактивные промежуточные частицы, образующиеся в результате диссоциации исходных молекул солнечным ультрафиолетовым излучением или реакциями с другими составляющими стратосферы. Молекулы-резервуары / поглотители представляют собой долгоживущие соединения, в которые могут временно объединяться свободные радикалы; они вступают во множество реакций, в результате которых образуются стабильные виды.

Исходные молекулы

Молекулы-источники являются долгоживущими в тропосфере и в конечном итоге достигают стратосферы, где диссоциируют с образованием высокореактивных свободных радикалов. Наиболее важными исходными молекулами являются:

• Хлорфторуглероды CFC-11 (CFCl3) и CFC-12 (CF2Cl2), используемые в холодильном оборудовании и системах кондиционирования воздуха, при производстве пенопласта, в качестве растворителей и в качестве пропеллентов для аэрозольных баллончиков в некоторых странах. Они полностью промышленного происхождения.В стратосфере ХФУ диссоциируют под действием солнечного ультрафиолетового излучения с образованием атомарного хлора, который разрушает озон посредством эффективной каталитической реакции.
• Закись азота (N2O), возникающая в основном в результате естественных процессов, но также в результате использования синтетических азотных удобрений. Тропические леса — главный источник. В стратосфере N2O является химическим источником других, более реактивных оксидов азота, таких как оксид азота (NO) и диоксид азота (NO2), которые участвуют в истощении озона (O3)
• Метан (Ch5) , образованный болотами, болотами, тундрой, рисовыми полями, термитами и жвачими животными.При бурении нефтяных и газовых скважин также могут высвобождаться значительные количества. В стратосфере метан является родоначальником группы активных веществ, содержащих кислород и водород, которые играют ключевую роль во всей химии стратосферы.

Свободные радикалы

Свободные радикалы являются ключевыми промежуточными формами во многих важных цепных реакциях в стратосфере, в которых молекула озона разрушается, а радикал регенерируется. Например, атомарный хлор, выделяющийся в результате стратосферной диссоциации молекул CFC, реагирует с озоном (O3) следующим образом:

Cl + O3 -> ClO + O2,

O + ClO -> O2 + Cl.

Конечным результатом этой пары реакций является превращение атомарного кислорода (O) и озона в молекулярный кислород (O2):

О + О3 -> 2 О2.

Хлор, действуя как катализатор, выживает после реакции и инициирует последовательные реакции.

В аналогичном каталитическом процессе участвуют NO и NO2, которые образуются в стратосфере в результате реакций с участием N2O. Происходит аналогичная цепочка реакций, в которых озон разрушается, а NO регенерируется.Гидроксильный радикал ОН также является каталитическим разрушителем озона.

Молекулы резервуара / стока

После участия в ряде таких реакций свободные радикалы, наконец, рекомбинируют в более стабильные молекулы-резервуары / сток. В конечном итоге они переносятся в тропосферу и выбрасываются из атмосферы. Таким образом, образование молекул-резервуаров / стоков прекращает каталитическое разрушение озона, но не раньше, чем один свободный радикал, такой как NO, Cl или OH, разрушит многие тысячи молекул озона.

Анализ, теория и моделирование

Теоретический анализ и численное моделирование необходимы для интеграции новых наблюдений в согласованные теоретические основы, отражающие наше понимание верхних слоев атмосферы. Численные модели также проверяют это понимание, предоставляя результаты, которые можно сравнить с независимыми данными. Некоторые модели дают прогнозы будущих тенденций.

Современные атмосферные модели включают более 200 химических реакций между более чем 40 химически активными веществами.Одномерные модели, которые отражают наиболее полный химический состав и дают средний глобальный химический состав атмосферы, который изменяется с высотой, используются для ряда целей, например, для прогнозирования будущих уровней озона. Двумерные модели включают изменения широты и высоты над уровнем моря, таким образом предоставляя информацию о географических и сезонных эффектах; однако они требуют аппроксимации транспортных процессов и предъявляют гораздо более высокие требования к вычислительным ресурсам. Разрабатываются трехмерные модели, учитывающие и продольные вариации, но в настоящее время они включают только относительно простые химические процессы и требуют самых мощных компьютеров.

Теоретические исследования также необходимы для полного использования данных UARS и уточнения атмосферных моделей. Такие исследования являются неотъемлемой частью исследований UARS и помогут заложить основы для политических решений, необходимых для реагирования на глобальные атмосферные изменения.

---

АТМОСФЕРНЫЙ СОСТАВ И ТЕМПЕРАТУРА

---

Концентрация газа в атмосфере может быть измерена дистанционно путем наблюдения характерных длин волн излучения, испускаемого или поглощаемого газом.В случае поглощения Солнце или различные звезды служат источниками света, а поглощение определяется из измерений уменьшения света вдоль луча зрения от источника. Поскольку количество испускаемого или поглощенного излучения зависит от температуры газа, а также от концентрации, UARS также будет проводить измерения температуры, чтобы дать возможность количественного определения состава атмосферы по спектральным данным.

Для молекулярных газов, изучаемых UARS, характерные длины волн излучения лежат в инфракрасной и микроволновой областях спектра.Четыре датчика UARS будут производить глобальные измерения вертикального распределения озона, метана, водяного пара и других второстепенных частиц, участвующих в химии озонового слоя. Кроме того, два из этих датчиков будут получать профили температуры атмосферы путем наблюдений за инфракрасным излучением, испускаемым углекислым газом, который, как предполагается, хорошо перемешан по всей атмосфере.

(1) CLAES

Криогенный эталонный спектрометр Limb Array (CLAES) будет определять концентрации членов семейств азота и хлора, а также озона, водяного пара, метана и углекислого газа путем наблюдения теплового излучения в инфракрасном диапазоне на длинах волн от 3.От 5 до 12,7 мкм. Чтобы получить вертикальный профиль концентрации веществ, CLAES использует телескоп, спектрометр и линейную матрицу из 20 детекторов для одновременных измерений на 20 высотах в диапазоне от 10 до 60 км.

Поскольку детекторы и оптика генерируют собственное тепловое излучение, их необходимо охлаждать до температур, которые подавляют это излучение ниже температуры наблюдаемых газов. Криогенная система CLAES состоит из двух компонентов: блока твердого неона при -260 град.C, который охлаждает детекторы, чтобы минимизировать шум детектора, и окружающий блок из твердого углекислого газа при -150 ° C, чтобы уменьшить фоновое излучение от оптической системы. Хотя использование пассивных хранимых криогенов ограничивает полезный срок службы прибора для наблюдений, это единственный практический способ достижения очень низких температур, необходимых для детекторов CLAES.

(2) ISAMS

Улучшенный стратосферный и мезосферный зонд (ISAMS), радиометр с фильтром, использующий 8 детекторов, наблюдает инфракрасное излучение молекул с помощью подвижного внеосевого отражающего телескопа.В дополнение к сканированию атмосферы по вертикали, телескопу можно также дать команду на просмотр регионов по обе стороны от обсерватории UARS, что обеспечивает расширенный географический охват. В приборе ISAMS используется холодильник цикла Стирлинга для охлаждения 8 детекторов до -195 ° C, что обеспечивает потенциально долгий срок службы.

Одна из интересных особенностей ISAMS заключается в том, что он переносит пробы некоторых газов, которые необходимо измерить, в ячейках прибора.Атмосферное излучение, собираемое телескопом, будет проходить через эти ячейки на пути к детекторам. Такая конструкция позволяет ISAMS согласовывать полные спектры газов в ячейках со спектрами, наблюдаемыми в атмосфере. Кроме того, ISAMS использует широкополосные фильтры для изоляции участков спектра, что позволяет проводить измерения тех газов, которые из-за их химической активности не могут быть ограничены в ячейках.

Эксперимент ISAMS будет измерять концентрации химических соединений азота, а также озона, водяного пара, метана и окиси углерода посредством наблюдений в инфракрасной области спектра с 4.От 6 до 16,6 мкм. Этот прибор является улучшенной версией прибора, который работал с 1978 по 1983 год на борту «Нимбуса-7».

(3) MLS

Микроволновый датчик конечностей (MLS) будет измерять выбросы моноксида хлора, перекиси водорода, водяного пара и озона в микроволновом диапазоне спектра на частотах 63, 183 и 205 ГГц (то есть с длинами волн 4,8, 1,64 и 1,46 мм). . Наблюдения за оксидом хлора имеют особое значение, поскольку этот газ является ключевым реагентом в химическом цикле хлора, который разрушает озон; микроволновые измерения необходимы для наблюдений за этим видом, и MLS является уникальным среди инструментов UARS в обеспечении чувствительности к микроволновому излучению.Наблюдения MLS впервые предоставят глобальный набор данных по монооксиду хлора в верхних слоях атмосферы.

MLS также определит высоту уровней атмосферного давления. Поскольку MLS является микроволновым прибором, для сбора излучения в нем используется антенна, а не оптические устройства.

(4) HALOE

Измеряя поглощение инфракрасного излучения в атмосфере на длинах волн от 2,43 до 10,25 микрон, эксперимент по оккультации галогенов (HALOE) определит вертикальное распределение фтористоводородной и соляной кислот, а также метана, углекислого газа, озона, водяного пара и других веществ. семейство азота.Обе галогеновые кислоты являются резервуарными видами, и HALOE будет особенно эффективен при измерении их концентраций.

В эксперименте HALOE используются образцы нескольких наблюдаемых газов в качестве поглощающих фильтров перед детекторами для получения высокой степени спектрального разрешения. В приборе также используются широкополосные фильтры для обнаружения газов, для которых не требуется такое высокое спектральное разрешение.

Во время каждой орбиты UARS, во время восхода и заката космического корабля, HALOE будет направлен на Солнце и измерять поглощение энергии вдоль этого луча зрения.Есть 28 возможностей солнечного затенения в день, предоставляя данные для 14 различных долгот в каждом из северных и южных полушарий.

---

АТМОСФЕРНЫЕ ВЕТРЫ

---

Динамические процессы оказывают сильное влияние на химический состав верхних слоев атмосферы. Поэтому высокогорное распределение химических веществ, включая озон и исходные молекулы, свободные радикалы и молекулы резервуаров / поглотителей, которые вступают в цепочки реакций озона, невозможно понять только с помощью фотохимических исследований.И наоборот, процессы динамики верхних слоев атмосферы очень чувствительны к изменениям химического состава, вызываемым солнечным нагревом озонового слоя, а также восходящим распространением энергии из тропосферы.

Ветры в верхних слоях атмосферы могут быть измерены непосредственно с помощью наземных радаров и лидаров, а также с помощью приборов для зондирования с аэростатов и ракет. Такие методы позволяют изучать мелкомасштабные динамические процессы и осуществлять долгосрочный мониторинг динамики атмосферы над фиксированными местами развертывания; однако они по сути ограничены несколькими географическими точками.Для исследования динамических процессов глобального масштаба, определяющих распределение озона и других компонентов верхней атмосферы, необходимы спутниковые данные.

Измерения ветра УАРС

Миссия UARS предоставит первые прямые глобальные измерения горизонтального поля ветра в верхних слоях атмосферы. С помощью теоретических исследований и численного моделирования данные UARS прольют новый свет на фундаментальные вопросы динамики стратосферы и мезосферы.К таким вопросам относятся относительная важность различных типов волнового движения в зависимости от высоты, относительная роль потоков тропосферной энергии и производства энергии на месте за счет солнечного нагрева, факторы, влияющие на нарушение полярной зимней циркуляции в стратосфере, и механизмы, отвечающие за тёплую зиму и холодную летнюю мезопаузу. В сочетании с измерениями состава атмосферы UARS эти динамические результаты могут также помочь ученым понять процессы, ответственные за развитие антарктической «озоновой дыры» весной в Южном полушарии.

Предыдущие спутниковые исследования предоставили косвенные оценки поля ветра в верхних слоях атмосферы с помощью метода, который использует наблюдаемые профили температуры и теоретические приближения. Эксперименты CLAES и ISAMS на борту UARS также дадут косвенные оценки скорости ветра с помощью этого метода, а также наблюдения за химическими составляющими.

Кроме того, два других прибора UARS — доплеровский формирователь изображения высокого разрешения (HRDI) и интерферометр отображения ветра (WINDII) — будут обеспечивать прямые наблюдения за скоростью ветра путем измерения доплеровских сдвигов выбранных линий излучения и поглощения.Эти смещения будут измеряться в двух разных направлениях, что даст две составляющие скорости ветра относительно космического корабля; истинная скорость ветра может быть затем рассчитана на основе геометрии наблюдения и информации о скорости космического корабля. Движение космического корабля в сочетании с вертикальным сканированием инструментами позволит создать трехмерную глобальную карту поля ветра в верхних слоях атмосферы.

Поскольку характеристики атмосферного излучения и поглощения сильно зависят от высоты, необходимо использовать ряд атомных и молекулярных спектральных характеристик для получения широкого диапазона высот. Более того, в обоих экспериментах доплеровский сдвиг, возникающий при движении космического корабля, должен быть отделен от сдвигов, вызванных атмосферными движениями. Требуются высокое спектральное разрешение и устойчивая платформа для наблюдений.

(5) HRDI

На высотах ниже 45 км доплеровский тепловизор высокого разрешения будет наблюдать доплеровские сдвиги спектральных линий в системе атмосферных полос молекулярного кислорода для определения поля ветра. На таких высотах нет резких эмиссионных линий в сиянии лимба Земли, но полосы кислорода содержат много линий, которые выглядят как глубокие абсорбционные особенности в ярком спектре рассеянного солнечного света.Трехэталонный интерферометр Фабри-Перо, служащий спектральным фильтром высокого разрешения, обеспечит эффективное подавление интенсивного континуума излучения за пределами линий поглощения. HRDI будет использовать эти возможности дневного поглощения для получения данных о ветре в стратосфере и верхних слоях тропосферы с точностью 5 м / с или выше.

На высотах более 60 км HRDI будет наблюдать эмиссионные линии нейтрального и ионизированного атомарного кислорода в видимой и ближней инфракрасной областях спектра с помощью того же интерферометрического метода.Однако, в отличие от молекулярных линий поглощения, эмиссионные линии наблюдаются как днем, так и ночью. Эти измерения позволят получить поле ветра в мезосфере и термосфере с точностью 15 м / сек или лучше.

Инструмент HRDI включает в себя внеосевой телескоп с перегородками на двухосевой карданной конструкции, движение которой контролируется микропроцессором. Сканирование высоты обычно выполняется сначала в направлении вперед скорости космического корабля. Затем телескоп поворачивают назад для второго сканирования высоты, которое дает измерения в той же области атмосферы примерно через 7 минут после первого сканирования; этот интервал мал по сравнению с характерными временными рамками для изменений поля ветра.Поле зрения HRDI обеспечивает вертикальное разрешение 4 км на краю Земли.

(6) WINDII

Интерферометр Wind Imaging использует линии излучения для основных измерений доплеровского сдвига. Помимо линий нейтрального и ионизированного атомарного кислорода, к ним относятся две линии молекулы ОН и линия молекулярного кислорода. WINDII будет получать измерения как днем, так и ночью на высотах более 80 км.

Спектральный фильтр WINDII представляет собой интерферометр Майкельсона высокого разрешения.Прибор состоит из телескопа, интерферометра и детекторной матрицы. Телескоп видит 45 градусов. и 135град. от вектора скорости КА одновременно. В нормальном режиме работы детектор обеспечивает разрешение по вертикали около 4 км и разрешение по горизонтали около 20 км. Точность скорости ветра в пределах 10 м / сек ожидается в диапазоне высот от 80 до 300 км.

---

ВХОДЫ ЭНЕРГИИ

---

Верхняя атмосфера получает энергию от Солнца через два источника: ультрафиолетовое излучение и магнитосферные заряженные частицы.Эти источники энергии играют центральную роль в химических процессах, которые создают и разрушают озон, а также в нагревании и динамике этого региона. Программа наблюдений UARS обеспечит измерения, необходимые для определения чистого воздействия солнечной энергии на количество и распределение озона в стратосфере.

Солнечное излучение

Хотя ультрафиолетовое излучение составляет лишь около 5% всей энергии, излучаемой Солнцем, оно является основным источником энергии для стратосферы и мезосферы, играющим доминирующую роль как в энергетическом балансе, так и в химическом составе.Поэтому для проверки моделей верхних слоев атмосферы необходимо точное знание солнечного ультрафиолетового спектра и его изменчивости во времени. На сегодняшний день измерения установили абсолютные значения солнечного потока в пределах +/- 30% в диапазоне от 140 до 210 нм с большей точностью на более длинных волнах. Однако эти измерения недостаточно точны, чтобы исследовать реакцию атмосферы на изменения солнечного ультрафиолетового излучения, возникающие в результате вспышек, вращения Солнца или 11-летнего цикла солнечной активности. Срочно необходимо новое поколение наблюдений солнечного ультрафиолета.

Длины волн излучения, представляющие наибольший интерес, лежат между 115 и 300 нм, которые из-за атмосферного поглощения можно наблюдать только над стратосферой. Однако измерения с помощью космических аппаратов в этой спектральной области затруднены, поскольку само излучение может ухудшить работу прибора и детектора. Поэтому два прибора UARS, которые будут измерять спектр солнечного ультрафиолета, были специально разработаны для обеспечения точной и долгосрочной калибровки.

Заряженные частицы

Солнце также является источником заряженных частиц высокой энергии, в первую очередь электронов и протонов, которые возникают в таких событиях, как солнечные вспышки, и устремляются наружу через Солнечную систему. Многие из тех, кто достигает Земли, оказываются в ловушке в магнитосфере Земли. Когда магнитосфера становится возмущенной — например, магнитной бурей — большое количество этих захваченных частиц выпадает в верхние слои атмосферы, создавая полярные сияния, поскольку они взаимодействуют с разреженными газами термосферы и верхней мезосферы.Наиболее энергичные из заряженных частиц могут проникать в стратосферу, где они инициируют некоторые из тех же химических реакций, что и солнечный свет. Поэтому наблюдения солнечного ультрафиолетового излучения должны быть дополнены измерениями воздействия таких частиц, особенно частиц высокой энергии.

(7) СУСИМ

Монитор солнечного ультрафиолетового спектрального излучения (SUSIM), который будет установлен на платформе для позиционирования Солнца / звезд UARS, будет измерять солнечное ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн от 120 до 400 нм с разрешением до 0.1 нм. Прибор предназначен для обеспечения собственных источников света для долгосрочной абсолютной калибровки для отслеживания любых изменений в отклике прибора во время космического полета.

SUSIM включает в себя два спектрометра, семь детекторов и набор из четырех дейтериевых ультрафиолетовых калибровочных ламп. Один спектрометр будет наблюдать за Солнцем и измерять изменение солнечного ультрафиолетового потока как функцию времени, а второй будет контролировать калибровочные лампы. Одна из четырех дейтериевых ламп в приборе будет служить источником калибровки.Один раз в день эта ультрафиолетовая лампа включается и устанавливается последовательно перед каждым спектрометром. Стабильность выходного сигнала этой первичной калибровочной лампы с дейтерием будет проверяться по сравнению с тремя другими лампами, которые будут использоваться еженедельно, ежемесячно и ежегодно для дополнительной уверенности в калибровке.

(8) СОЛСТИЦЕ

Эксперимент по сравнению солнечной / звездной освещенности (SOLSTICE), также установленный на платформе для определения местоположения Солнца и звезд, будет измерять солнечное ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн от 1115 до 430 нм с разрешением 0.12 нм. Этот инструмент обладает уникальной способностью сравнивать выходное солнечное ультрафиолетовое излучение с ультрафиолетовым излучением стабильных ярких синих звезд с использованием той же оптики. Таким образом, эти звезды представляют собой эталоны, по которым измеряется солнечное излучение. В будущем инструменты, подобные SOLSTICE, могут быть выведены на орбиту для продолжения измерений солнечного излучения относительно этих звездных калибровочных стандартов, создавая таким образом запись долгосрочных изменений солнечного ультрафиолетового спектра.

Эксперимент состоит из спектрометра с тремя спектральными каналами, каждый с отдельной решеткой и фотоумножителем. SOLSTICE будет направлен на Солнце в дневное время на каждой орбите и на одну из калибровочных звезд в течение большей части ночной части орбиты. Чтобы учесть большую разницу в силе сигнала между солнечными и звездными измерениями, SOLSTICE может изменять продолжительность измерения от 1 секунды до 17 минут, спектральную полосу пропускания от 0.От 1 до 5,0 нм, а площадь входной щели — в 10 000 раз.

(9) ПЭМ

Инструмент Particle Environment Monitor (PEM) будет определять тип, количество, энергию и распределение заряженных частиц, инжектируемых в термосферу, мезосферу и стратосферу Земли. PEM будет использовать три отдельных датчика, установленных на штанге, для измерения электронов с энергией от 1 эВ до 5 МэВ, протонов с энергией от 1 эВ до 150 МэВ и силы магнитного поля Земли — и все это в непосредственной близости от космического корабля.

В дополнение к этим измерениям частиц на месте PEM будет включать в себя 16-элементный массив детекторов рентгеновского излучения, чтобы обеспечить широкий пространственный охват энергии, вводимой в верхние слои атмосферы электронами высокой энергии. Поскольку эти электроны замедляются при прохождении через атмосферу, рентгеновские лучи испускаются и рассеиваются во всех направлениях. PEM будет обеспечивать рентгеновские изображения в диапазоне энергий от 2 до 50 кэВ, что приведет к реконструкции глобального трехмерного энергетического спектра электронов с энергией до 1 МэВ.

---

УПРАВЛЕНИЕ ДАННЫМИ UARS

---

Набор данных UARS предоставит наиболее полную и подробную картину химического состава, динамики и энергетического баланса верхних слоев атмосферы. Оптимальное использование этого бесценного ресурса требует широкого участия научного сообщества и предоставления высокопроизводительной системы наземных данных. Ключевой особенностью плана управления данными UARS является соединение центральных компьютеров НАСА с сетью универсальных мини-компьютеров — компьютеров удаленного анализа, или RAC, — расположенных в домашних учреждениях ученых

Научный анализ

Одним из важнейших элементов миссии UARS является раннее вовлечение и активное участие ученых-теоретиков, представляющих все аспекты изучения стратосферы и мезосферы.В дополнение к теоретикам, связанным с исследованиями приборов, существует также десять теоретических групп, каждая из которых возглавляется главным исследователем, с конкретными областями ответственности за анализ и интерпретацию данных.

На этапе подготовки к запуску эти ученые разрабатывают методы анализа данных и уточняют теоретические модели для моделирования радиационных, химических и динамических процессов в верхних слоях атмосферы. Некоторые из отдельных моделей в конечном итоге могут быть объединены в более обширные модели, которые будут реалистично моделировать сложную взаимосвязь этих процессов в стратосфере и мезосфере.

На этапе полета исследователи будут анализировать поступающие данные и обновлять стратегии наблюдений, чтобы максимизировать научную отдачу от миссии. Этот подход будет особенно важен для инициирования специальных наблюдений в ответ на необычные события, такие как солнечные вспышки, извержения вулканов или внезапное потепление атмосферы.

После завершения операций миссии ученые смогут проводить анализ и моделирование исследований на основе очень обширного набора атмосферных данных, включая исчерпывающие корреляционные данные, а также результаты, полученные с помощью инструментария UARS.

Система наземных данных

Система наземных данных UARS состоит из (1) Центрального центра обработки данных (CDHF), расположенного в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА, (2) миникомпьютерных компьютеров удаленного анализа (RAC) на объектах главных исследователей и (3) специализированная система электронной связи для соединения RAC с CDHF.

Данные телеметрии с магнитофонов на борту космического корабля UARS будут передаваться через спутниковую систему слежения и ретрансляции данных (TDRSS) в средство сбора данных (DCF) в GSFC.DCF выполнит проверку качества, обратит время записанных на магнитную ленту сигналов, удалит избыточные данные и передаст результаты в CDHF. Там программы, которые были разработаны исследователями приборов с использованием RAC и переданы в CDHF, преобразуют данные в форму, подходящую для научного анализа. Эти обработанные данные будут каталогизированы и сохранены в базе данных, связанной с CDHF.

CDHF будет использоваться в первую очередь для (1) производственной обработки всех научных данных, полученных с космического корабля, (2) интерактивной обработки и / или анализа небольших подмножеств данных исследователями, использующими RAC, и (3) обслуживания UARS база данных для доступа вначале главных исследователей UARS, а затем и научного сообщества в целом. Большая часть данных в CDHF будет храниться в режиме онлайн, чтобы облегчить пользователям быстрый доступ. Каталог атрибутов данных, поддерживаемый в системе управления базой данных, позволит выполнять поиск по таким характеристикам, как параметр измерения, время наблюдения, инструмент, уровень данных и уровень проверки.

Перед запуском RAC используются для разработки программ, необходимых для преобразования данных телеметрии в полезную с научной точки зрения информацию. После запуска исследователи приборов будут использовать свои RAC для проверки данных и доработки своего программного обеспечения для обработки.Все исследователи будут использовать свои RAC для получения доступа к данным на CDHF и для геофизического анализа данных.

В некоторых случаях RAC будут связаны с более крупными компьютерами для более сложного научного анализа или для включения в сложные атмосферные модели. Специальная электронная система связи, которая соединяет RAC с CDHF, также позволит исследователям UARS получить доступ к другим сетям научных данных.

---

За дополнительной информацией о программе UARS обращайтесь:

Руководитель программы:

Майкл Р.Лютер 

Код EED 
 

Штаб-квартира НАСА 
 

Вашингтон, округ Колумбия 20546
 
 

Ученый программы:

Д-р Роберт Дж. МакНил 

Код EEU 
 

Штаб-квартира НАСА 
 

Вашингтон, округ Колумбия 20546
 
 

Руководитель проекта:

Луис Гонсалес 

Код 430 
 

Центр космических полетов Годдарда 
 

Гринбелт, Мэриленд 20771
 
 

Ученый проекта:

ДокторКарл А. Ребер 

Код 610 
 

Центр космических полетов Годдарда 
 

Greenbelt, MD 20771 
 

Проблемы глобальной химии атмосферы

Аннотация

На химический состав атмосферы оказывает существенное влияние широкий спектр химических процессов, которые в первую очередь вызваны воздействием ультрафиолетового излучения с длинами волн короче 320 нм (УФ-В) на озон и водяной пар. Это приводит к образованию гидроксильных (ОН) радикалов, которые, несмотря на очень низкие концентрации в тропосфере, удаляют большинство газов, выбрасываемых в атмосферу в результате естественных и антропогенных процессов. Следовательно, хотя только около 10% всего атмосферного озона находится в тропосфере, благодаря образованию ОН, он определяет эффективность окисления атмосферы и, следовательно, имеет первостепенное значение для поддержания ее химического состава. Ожидается, что из-за разнообразной деятельности человека, особенно за счет увеличения выбросов CH ₄ , CO и NO _x , концентрации тропосферного озона и гидроксила в загрязненной среде будут увеличиваться, а в чистой тропосфере — уменьшаться.В целом это может привести к общему снижению эффективности окисления атмосферы, способствуя постепенному накоплению нескольких долгоживущих газовых примесей, которые в первую очередь удаляются в результате реакции с ОН. В стратосфере, особенно из-за каталитических реакций хлорсодержащих газов промышленного происхождения, происходит истощение озона, что особенно заметно в первые весенние месяцы над Антарктидой. Поскольку озон является единственным компонентом атмосферы, который может значительно поглощать солнечное излучение в диапазоне длин волн 240–320 нм, эта потеря озона усиливает проникновение биологически вредного УФ-B излучения на поверхность земли с соответствующими негативными последствиями для биосферы.Некоторые из вышеупомянутых химически активных следовых газов с тенденциями к росту в атмосфере также являются эффективными парниковыми газами. Вместе они могут оказывать согревающее воздействие на климат Земли примерно такое же, как у углекислого газа.

.