ATMOSFERA TERESTRA

ATMOSFERA TERESTRA

Atmosfera este invelisul gazos al Terrei, considerat un imens ocean aerian pe fundul caruia isi desfasoara activitatea societatea umana (Mahara, 2001). Atmosfera este considerata interfata dintre corpul planetar si spatiul interplanetar (Ecaterina Ion Bordei sj Simona Capsuna, 2000). Este constituita dintr-un amestec de gaze in care se afla in suspensie particule lichide solide sau gazoase de origine terestra si cosmica, naturala sau antropica.

Din punct de vedere teoretic, aerul atmosferic este considerat un gaz ideal, un fluid, care se supune legilor fizicii, in general, si ale mecanicii fluidelor, in particular.

Aerul atmosferic este indispensabil vietii prin continutul de oxigen necesar respiratiei si ofera protectie impotriva radiatiilor solare ultraviolete care distrug viata prin intermediul stratului de ozon. In acelasi timp, el asigura o temperatura constanta planetei Terra prin existenta gazelor cu lungimi de unda din domeniul infrarosu, care functioneaza ca un ecran protector impotriva pierderii caldurii noaptea si incalzirii excesive ziua.

1. Origine. Forma. Limite

1.1. Originea atmosferei

In legatura cu originea atmosferei, s-au dezvoltat mai multe ipoteze. Prima considera ca atmosfera s-ar fi format o data cu Sistemul Solar, in urma cu aproximativ 4,6 miliarde de ani si ar trebui sa contina aceleasi gaze din care s-a format si planeta Pamant: hidrogen, heliu, carbon si compusii lor: metan (CH4) si amoniac (NH₃). Se stie, in prezent, din cercetarea spatiul interplanetar ca hidrogenul si heliul se afla numai la limita superioara a atmosferei. Aceasta este considerata o situatie similara cu cea a Lunii, care datorita fortei gravitationale reduse, ca urmare a rotatiei in jurul axei sale a contribuit la pierderea in cosmos a apei si aerului (Ielenicz, 2000).

O alta ipoteza presupune ca atmosfera terestra ar fi aparut in urma racirii treptate a Pamantului, avand ca rezultat: 85% vapori de apa, 10% dioxid de carbon si azot. Prin scaderea temperaturii s-a produs condensarea vaporilor de apa, au aparut norii si precipitatiile, formandu-se astfel subsistemul hidrosfera. O parte din dioxidul de carbon s-a dizolvat in apa oceanelor, iar alta s-a acumulat in rocile calcaroase. In urma acestor procese atmosfera se imbogateste treptat in azot, care ii confera claritate si luminozitate. Datorita disocierii moleculelor de apa prin fluxul radiativ solar s-au format hidrogenul si oxigenul, ultimul fiind mai greu s-a acumulat, aparitia lui generand aparitia primelor forme de viata in apa, ferite de actiunea nociva a razelor ultraviolete, cum ar fi Euglena viridis, care isi sintetizeaza energia prin fotosinteza. O data cu cresterea concentratiei de oxigen din aer create si proportia ozonului (O₃) prin procesul de fotoionizare, care contribuie la dezvoltarea vietii si pe uscat. Intensificarea proceselor de fotosinteza, respiratie si descompunere chimica incepand cu perioada cambriana (580 mil. ani in urma) a determinat aparitia unei atmosferei secundare, care, in timp, a evoluat catre cea prezenta.

O alta ipoteza este de origine divina, creationista, care considera varsta atmosferei intre 10 000 de ani si 30 000 de ani, care ar fi aparut o data cu omul.

Trebuie sa consideram ca formarea si evolutia atmosferei a fost indelungata, fiind asociata cu cea a planetei insasi, ea modificandu-si compozitia in urma transformarilor de la suprafata terestra, in functie de evolutia societatii omenesti.

1. Forma atmosferei

Atmosfera efectueaza impreuna cu Pamantul miscarea de rotatie in jurul axei polilor, deci ea imprumuta forma acestuia de elipsoid de rotatie, adica mai turtita la poli si mai bombata la Ecuator. Astfel, la poli grosimea troposferei, primul strat al atmosferei, este de 7-9 km, iar la ecuator poate sa atinga 16-18 km. La nivelul paralelei de 45º, in zonele temperate, grosimea acesteia este de 11-12 km.

Soarele si Luna, prin atractia exercitata, determina in masa atmosferei miscari asemanatoare apei oceanelor si marilor, de flux si reflux, cunoscute sub denumirea de maree atmosferica.

Dimensiunile si forma atmosferei sufera modificari diurne si sezoniere in functie de incalzirea si racirea diferentiata a acesteia si datorita presiunii exercitate de vantul solar. Ca urmare a acestor factori, atmosfera ar avea forma unui ovoid. O alta parere despre acest subiect a fost expusa de V. G. Fesenkov, in anul 1960, acesta afirmand ca forma atmosferei ar fi de para, nu elipsoidala. Aceasta conceptie a fost confirmata ulterior de investigatiile prin intermediul satelitilor meteorologici, in urma carora s-a observat o turtire a atmosferei catre Soare generata de vantul solar, un flux de protoni si electroni emisi permanent de acesta si o prelungire in partea opusa (fig. 2 a, b).

1.3. Limitele atmosferei

Limita inferioara a atmosferei este usor de delimitat deoarece aceasta se intrepatrunde cu celelalte subsisteme ale geosistemului: litosfera, hidrosfera, biosfera, pedosfera, reliefosfera, criosfera.

Limita superioara este mai dificil de delimitat, deoarece, intre atmosfera si spatiul cosmic, nu exista o limita clara, trecerea fiind treptata in urma rarefierii aerului. Este considerata totusi ca limita superioara, spatiul pana la care se manifesta procesele si fenomenele fizice caracteristice unui amestec gazos, adica aproximativ 1200-1800 km, unde se formeaza aurorele boreale, ca urmare a ionizarii aerului rarefiat.

Teoretic, limita superioara a atmosferei s-ar afla in zona in care fortele de gravitatie si centrifuga ale Pamantului se echilibreaza, adica la inaltimile de 28 000 km deasupra polilor si de 42 000 km deasupra ecuatorului. In realitate, la aceste inaltimi aerul este foarte rarefiat, atomii gazelor scapa de sub atractia gravitationala si patrund in spatiul interplanetar.

Masa si densitatea atmosferei

Masa reala a atmosferei terestre este de 5,14710¹⁵ tone, reprezentand o milionime din masa Pamantului, 5,9810²⁷ tone. Altitudinal, masa atmosferei scade datorita scaderii presiunii si densitatii aerului, astfel ca, la nivelul marii masa unui metru cub de aer are o valoare de 1,293 kg, la 12 km inaltime este de 319 g, la 25 km de 43 g, iar la 40 km de 4 g. Jumatate din masa atmosferei este concentrate pana la inaltimea de 5 km, iar aproape intreaga cantitate pana la limita superioara a stratosferei.

Densitatea este unul din parametrii principali ai atmosferei alaturi de presiune, temperatura, masa si volum si reprezinta raportul dintre masa si volum, exprimat in grame/cm³ sau kilograme/ m³.

Densitatea aerului depinde de urmatorii parametri: altitudine, presiune, temperatura, umiditate. O data cu cresterea altitudinii, scade densitatea aerului si deci si presiunea si temperatura lui.

In functie de gradul de umezeala, s-a constatat ca aerul uscat are o densitate mai mare decat aerul umed. Aerul uscat are, astfel, la nivelul marii, o densitate de 0,001293 g/cm sau 1,293 kg/ m³, la o presiunea medie de 1013,25 mb si o temperatura de 0ºC.

Tabelul 1. Relatia densitatii aerului cu temperatura(C) si presiunea atmosferica (mb)

Sursa: Ciulache, 2002 De raportul dintre densitatea aerului si ceilalti parametri meteorologici depind procesele termodinamice din aer, care determina stabilitatea sau instabilitatea vremii (tab.1).

3. Compozitia aerului atmosferic

Atmosfera reprezinta un amestec de gaze, in principal azot si oxigen (fapt demonstrat prima data de catre Lavoisier) in care se afla in suspensie diferite particule solide si lichide de origini diferite, denumite aerosoli. Gazele care formeaza aerul atmosferic sunt: azotul in proportie de 79,2%, oxigenul cu 20,8%, cantitati mici de bioxid de carbon, amoniac si vapori de apd.

Azotul si oxigenul reprezinta peste 99%, restul de 1%, celelalte gaze. Dupa O.M.M., in aerul uscat pana la inaltimea de 25 km se afla urmatoarele elemente: argon, bioxid de carbon, neon, heliu, kripton, hidrogen, xenon, ozon, radon, iod, metan, oxid de azot, apa oxigenata, bioxid de sulf, bioxid de azot, oxid de carbon, clorura de sodiu, amoniac.

La suprafata terestra, unele gaze sunt variabile, in special dioxidul de carbon, vaporii de apa, radonul si ozonul, iar oxigenul si hidrogenul sunt constante. O alta components a aerului atmosferic este reprezentata de suspensiile lichide si solide, numite aerosoli.

In concluzie, atmosfera este alcatuita din trei categorii principale de componente sau elemente:

.    constante;

.    variabile;

. aerosoli.

3.1. Elementele constante

Sunt acelea care nu isi schimba concentratia. Principale sunt: azotul (78%), si oxigenul (21%).

Azotul este un element care nu intretine viata, dar in amestec cu oxigenul reduce forta oxidanta a acestuia, facand posibila viata pe Terra. Are un rol important in nutritia plantelor si este folosit pe scara larga in industriile chimica si farmaceutica la fabricarea ingrasamintelor azotoase, a colorantilor si medicamentelor.

Oxigenul este cel mai important gaz deoarece intretine viata si are proprietatea de a absorbi radiatiile ultraviolete nocive (fig.3). Cantitatea de oxigen se pastreaza in limite constante deoarece pierderile prin respiratie si reactiile cu alte elemente sunt compensate prin aportul din procesul de fotosinteza clorofiliana a plantelor.

Fig. 3. Rolul protector al ozonului impotriva radiatiilor ultraviolete

3. Elemente variabile

Prezinta variatii cantitative temporale si spatiale din cauze naturale sau antropice. Cele mai importante sunt: bioxidul (dioxidul) de carbon (0,02-0,03%), ozonul, vaporii de apd.

3.1. Bioxidul de carbon

Este un produs de ardere, dar rezulta si din procesele biochimice (respiratie, descompuneri organice si eruptii vulcanice). Cele mai mari concentratii se gasesc deasupra marilor centre populate si industriale sau in regiunile cu intensa activitate vulcanica. Este considerat principalul gaz cu efect de sera antropic, o dublare a concentratiei sale ar determina o incalzire a planetei cu 2-4C. De variatiile cantitatii de bioxid de carbon sunt legate oscilatiile si schimbarile climatice. Ca urmare a impactului puternic antropic se estimeaza ca in viitorii 100 de ani cantitatea de bioxid de carbon va putea atinge 600 ppm⁹ Concentratia bioxidului de carbon scade proportional cu inaltimea coloanei de aer, astfel ca la 20-30 km cantitatea devine neglijabila.

Este un gaz foarte important in fotosinteza plantelor, iar dizolvat in apa asigura nutritia acestora. In acelasi timp absoarbe o parte din caldura formata la suprafata terestra prin convertirea energiei radiante si incalzeste aerul troposferic, avand astfel, un efect de sera natural impreuna cu vaporii de apa.

3.Ozonul

Este un oxidant puternic foarte toxic, care se formeaza in atmosfera la inaltimi de 10-60 km sub actiunea razelor ultraviolete si a particulelor electrizate emise de catre Soare. Pe verticala, maximum de concentrare se afla intre 25-30 km in stratosfera si intre 40-50 km in mezosfera, zone care se numesc ozonosfere. In atmosfera au loc atat procese de formare a ozonului, cat si procese de dezagregare cu degajare mare de caldura (cateva zeci de grade).

Distrugerea ozonului se produce pe cale naturala si antropica (cea mai periculoasa): prin zborul avioanelor supersonice, a rachetelor, satelitilor, difuzarea in atmosfera a unor compusi ai azotului din ingrasamintele minerale azotoase si din emisii de clor. Pe cale naturala, distrugerea ozonului este cauzata de absorbtia radiatiilor ultraviolete: O₃ + ultraviolete = O₂ + O, prin ciocnirea atomilor de ozon cu atomii clorofluorocarburilor si a oxidului nitric:

NO + O₃ = NO ₂ + O₂

Ozonul are un rol protector deosebit de important asupra vietii de pe Pamant, deoarece absoarbe radiatiile ultraviolete cu lungime de unda scurta (0,22-0,29 u) nocive. Incepand cu anul 1970 s-a descoperit deasupra Antarcticii diminuarea concentratiei si a stratului de ozon si aparitia gaurilor negre, fapt confirmat in 1980 de observatiile efectuate cu satelitii meteorologici. Diminuarea stratului de ozon si aparitia gaurilor negre si in alte zone de pe glob pun in pericol viata, din acest motiv s-a elaborat la nivel mondial o strategie economica si politica de eliminare a efectelor activitatii antropice asupra stratului de ozon, materializata prin acorduri, conventii internationale, la care participa si Romania.

Parti pe milion pe volum de aer.

3.3.Vaporii de apa

Ajung in aerul atmosferic in urma proceselor de evaporare de la suprafata terestra, a proceselor fiziologice (respiratie si transpiratie a organismelor vii) si ca urmare a eruptiilor vulcanice.

Distributia vaporilor de apa depinde de: temperatura aerului, prezenta surselor de evaporare, dinamica curentilor de aer.

Intotdeauna aerul cald este mai bogat in vapori de apa decat aerul rece. In sens vertical, concentratia lor scade cu altitudinea datorita condensarii si sublimarii, la 10 km inaltime apar accidental, cea mai mare concentrare este pana la 5 km. Cea mai mare cantitate de vapori de apa (4%) se afla in zona ecuatoriala si cea mai mica (0,1%) in zonele reci continentale. In cele temperate, procentul lor este diferit de la vara (1,3%) la iarna (0,4%).

Vaporii de apa au un rol deosebit de important, nu numai prin formarea precipitatiilor in urma proceselor de condensare si sublimare, dar si pentru faptul ca ei absorb o parte din radiatiile infrarosii emise de suprafata terestra si le returneaza, amplificand impreuna cu bioxidul de carbon efectul de sera natural. Fara existenta vaporilor de apa in atmosfera, temperatura aerului ar fi cu mult mai scazuta, comparativ ce cea actuala, deci influenteaza si bilantul caloric al sistemului Atmosfera-Pamant.

3.3. Aerosolii

Sunt suspensii solide, lichide sau gazoase naturale sau de origine antropica, de natura minerala (cenusa, fum, praf, sare marina) si organice (microorganisme). Suspensiile solide se mai numesc si pulberi si sunt particule cu diametre diferite, care plutesc sau cad pe suprafata terestra. Originea lor poate fi naturala sau antropica, cele naturale sunt minerale sau organice.

Suspensiile naturale de origine minerala sunt: praful cosmic, praful terestru provenit din degradarea rocilor si uscarea solului, fumul si cenusa vulcanica, fumul provenit in urma incendiilor, particule de sare marina etc. Praful terestru este purtat de curentii convectivi ascendenti in straturile inalte ale troposferei si prin intermediul vanturilor la mari distante fata de zonele de origine. Astfel, vantul cald care bate peste Desertul Sahara - sirocco - poate transporta pana in Europa particule ce contin oxizi de fier de culoare rosie, pe care condenseaza vaporii de apa formand asa numitele "ploi de sange'. In urma eruptiei vulcanului Krakatoa din Indonezia, in anul 1883, cenusa vulcanica a fost ridicata la peste 80 de kilometri si purtata de vanturi in jurul globului mult timp. Un alt exemplu il reprezinta eruptia vulcanului El Chichon din Mexic, in anul 1982, cand cenusa vulcanica in asociere cu unele gaze sulfuroase au fost purtate prin atmosfera pana deasupra statului american Wyoming, barand patrunderea radiatiei solare, ceea ce a determinat scaderea temperaturii medii a aerului in anul 1984 cu 0,3ºC.

Suspensiile minerale de origine antropica sunt rezultate in urma activitatilor industriale si casnice: arderea combustibililor, industria cimentului, chimica, transporturi, agricultura. Cea mai mare cantitate este formata din cenusa, funingine, praf industrial, particule fine de ciment, oxizi etc. Ele reprezinta importante nuclee de condensare si sublimare a vaporilor de apa, dar au si un rol negativ prin reducerea transparentei aerului si diminuarea radiatiei solare.

Suspensiile organice sunt microorganisme: virusi, bacterii, fermenti, fixate pe pulberi de origine minerala sau organica (polen, mucegaiuri, seminte si spori de plante, fragmente fine vegetale sau animale. Cantitatea de microorganisme variaza in functie de anotimp si de locul de origine. Deasupra marilor aglomerari urbane densitatea lor este mult mai mare decat deasupra marilor suprafete de apa.

Suspensiile lichide si gazoase sunt de origine terestra si apar in urma manifestarilor vulcanice si postvulcanice (mofete si sulfatari), emanatii din izvoarele minerale si termale, din campurile gazifere si petrolifere etc. Majoritatea acestora intra in combinatie cu apa din atmosfera si formeaza substante nocive cum sunt acizii sulfuric si clorhidric.

4. Structura atmosferei

4.1. Structura verticald

Atmosfera nu este omogena, ea este alcatuita din straturi concentrice, cu proprietati fizice si chimice diferite. Principalele straturi adoptate in anul 1951 de catre organizatia Meteorologica Mondiala sunt: troposfera, stratosfera, mezosfera, termosfera si exosfera (fig. 4).

33

Fig. 4. Structura verticala a atmosferei Sursa: Mahara, 2001

Troposfera este stratul inferior al atmosferei situata intre 0 m si inaltimea la care temperatura nu mai scade cu altitudinea. Aici este concentrata aproximativ 80% din masa atmosferei si aproape intreaga cantitate de vapori de apa si se produc cele mai importante procese si fenomene fizice studiate in cadrul meteorologiei. Grosimea troposferei este variabila in functie de marile zone climatice ale globului. Astfel, in zonele polare se situeaza pana la inaltimi de 6-8 km, in zonele temperate inaltimea ei ajunge la 10-12 km, iar in zona calda este cea mai mare, 16-18 km. In timpul anului, grosimea troposferei sufera variatii datorita modului diferit de incalzire a aerului, iarna fiind mai mica cu aproximativ 2 km.

In troposfera se produc miscarile convective ale aerului, ascendente si descendente, care contribuie la distribuirea temperaturii si umezelii aerului. Temperatura scade altitudinal conform gradientului termic vertical care are o valoare de circa 0,6ºC/100 m. Tot aici se produc miscarile orizontale ale aerului sub forma vanturilor, conform gradientului baric orizontal, de asemenea, se produc procese si fenomene importante legate de sistemul de faze al apei: evaporare, condensare, sublimare, nori si precipitatii.

Troposfera se imparte in: inferioara, mijlocie si superioara.

Troposfera inferioara se afla intre suprafata terestra si aproximativ inaltimea de 2 km. Acest substrat de aer este cel mai mult influentat de suprafata terestra, in mod deosebit stratul microclimatic, de pana la 2 m. Confine cea mai mare cantitate de vapori de apa si nuclee de condensare a vaporilor, dar si cel mai inalt grad de poluare. Aici se formeaza norii inferiori si cei cu mare dezvoltare verticala care dau cele mai mari cantitati de precipitatii atmosferice. Este o zona importanta de turbulenta a aerului, datorita frecarii de rugozitatile suprafetei terestre.

Troposfera mijlocie se situeaza intre 2 km si 6-7 km, influenta suprafetei terestre fiind foarte scazuta. Se produc miscari convective si advective ale aerului si se formeaza norii mijlocii.

Troposfera superioara se afla la peste 7 km pana la tropopauza, iar influenta suprafetei terestre este neglijabila, la fel si dinamica aerului. Temperatura aerului scade vertiginos ajungand pana la -60ºC in zonele polare si pana la -80ºC in zona ecuatoriala. In acest substrat al troposferei se formeaza norii superiori alcatuiti din cristale de gheata, genul Cirrus, din care nu cad precipitatii.

Zona de trecere dintre troposfera si stratosfera, al doilea strat al atmosferei se realizeaza prin tropopauza, care are o grosime variabila de la cateva sute de metri pana la 1-2 km (in zona ecuatoriala). Temperatura nu mai scade cu altitudinea (izotermie) si este sediul curentilor jet cu viteze foarte mari, 200-500 km/ora.

Stratosfera se intinde de la tropopauza pana la 35 km si chiar 50 km, dupa unii autori. Temperatura create spre partea ei superioara pana la 0ºC la inaltimea de 50 km. Umezeala aerului este foarte redusa deoarece nu se produc curenti de aer verticali, care sa transporte vaporii de apa. La aproximativ 25 km se afla o zona in care exista o concentrate mare a ozonului, numita ozonosfera.

Mezosfera este situata intre stratopauza si inaltimea de 80 km. Aerul este foarte rarefiat. Densitatea aerului este redusa, dar permite aprinderea meteoritilor. La 50-55 km se afla a doua concentratie masiva de ozon care formeaza ozonosfera in urma fotodisocierii moleculelor de oxigen. Temperatura este ridicata datorita procesului de absorbtie a radiatiilor ultraviolete de catre ozon.

Termosfera este segmentul situat intre 80 km si 1000-1200 km, unde gazele sunt puternic ionizate de catre radiatiile gama, X si ultraviolete cu lungime de unda sub 0,2 . Portiunea din termosfera situata intre 60 km si 700 km este cunoscuta sub numele de ionosfera, foarte importanta pentru comunicare prin undele radio. Dupa gradul de ionizare si inaltimea la care se reflecta undele radio, ea este alcatuita din mai multe straturi. La limita superioara temperatura aerului poate sa atinga valori deosebit de mari, 2000-3000ºC, datorita absorbtiei radiatiilor ultraviolete de catre moleculele de oxigen care se disociaza cu degajare de caldura.

Exosfera este situata intre 1000-1200 km si limita superioara a atmosferei. Este alcatuita din gaze foarte rarefiate.

Troposfera si stratosfera formeaza atmosfera inferioara, iar mezosfera, termosfera si exosfera formeaza atmosfera superioara.

Dupa ultimele cercetari efectuate cu ajutorul rachetelor si satelitilor meteorologici si in urma zborurilor extraterestre s-au stabilit urmatoarele diviziuni ale atmosferei:

-homosfera (de la suprafata Pamantului pana la inaltimea de 90-100 km, cu prezenta stratului de ozon intre 20-35 km si 50 km;

-heterosfera de la limita homosferei pana la peste 10 000 km si este alcatuita din patru straturi gazoase: stratul de azot molecular, stratul de oxigen atomic, stratul de heliu, stratul de hidrogen atomic.

Tot in urma cercetarilor recente s-a dovedit ca Pamantul este inconjurat de un vast camp electromagnetic, care se intinde in afara atmosferei la distante cuprinse intre 65 000km si 130 000 km, invelis. numit magnetosfera, urmata de magnetopauza in care influenta campului magnetic inceteaza. In acest spatiu exista trei centuri de radiatie numite centurile lui Van Allen, dupa numele celui care le-a descoperit, formate din protoni, electroni si neutroni de mare energie captati din radiatia corpusculara cosmica.

4. Structura orizontala

Se caracterizeaza prin neuniformitate, troposfera fiind alcatuita din volume mari de aer cu proprietati fizice relativ constante, denumite mase de aer. Ele se intind pe mii de kilometri orizontal, iar vertical pot ajunge pana la limita superioara a troposferei si se formeaza prin cantonarea si stagnarea lor deasupra unor regiuni geografice cu conditii termice si hidrice constante. Masele de aer se deplaseaza de la o regiune geografica la alta, zona de contact dintre ele fiind frontul atmosferic. Masele de aer si fronturile atmosferice sunt elementele de baza care determina aspectul si evolutia vremii si sunt studiate in cadrul Meteorologiei sinoptice sau prevederea timpului.

5. Poluarea aerului

Prin poluare se intelege procesul de acumulare in aer a unor substante aflate in diferite stdri (gazoasd, solidd si lichidd) care sunt sau pot deveni periculoase vietii si activitdtii omenesti atunci cand concentratiile lor depasesc normele maxime admise.

Poluarea atmosferei reprezinta o problema grava pentru omenire, ce sta in permanenta in atentia Organizatiei Meteorologice Mondiale si este datorata in principal industrializarii si urbanizarii accentuate. Efectele poluarii se traduc prin modificari ale tuturor elementelor meteorologice principale, reducerea radiatiei solare, cresterea temperaturii si a impurificarii aerului datorita gazelor nocive acumulate in straturile inferioare ale troposferei, cu consecinte grave asupra sanatatii oamenilor si asupra intregii vieti pe Pamant.

Sursele de poluare pot fi majore si minore. Dintre cele majore, care participa cu peste 50%, trebuie amintite:

-  autovehiculele (genereaza oxid de carbon, hidrocarburi, oxizi de azot si sulf);

-  activitatile industrial (elimina oxizi de sulf, carbon si azot, hidrocarburi, particule solide aflate in suspensie sau sedimentabile);

-  marile complexe energetice (produc oxizi de sulf si azot, pulberi in suspensie si sedimentabile);

-  incdlzirea locuintelor (elimina noxe din categoria oxizilor de sulf si carbon);

-  arderea deseurilor (emana oxizi de carbon, azot si sulf, hidrocarburi, particule solide in suspensie si sedimentabile).

Sursele minore le includ pe cele generatoare de:

-  praf (circulatia rutiera, demolarile, activitatile gospodaresti);

-  fum (incendiile, tigarile);

-  aerosoli (spray-uri);

-  germeni microbieni (oameni, animale).

In afara de aceste surse permanente, poluarea atmosferei mai este cauzata si de manifestari accidentale, cum ar fi: actiuni militare (explozii atomice, chimice, bacteriologice), accidente la centrale nucleare (Cernobal, 1986), actiuni teroriste (World Trade Center 2001, explozii ale aeronavelor, masinilor capcana etc.), explozii ale uzinelor chimice, ale navelor marine si oceanice etc.

Principalii poluanti cu efect negativ asupra atmosferei si implicit asupra climei si sanatatii organismelor vii sunt:

-   compu^ii sulfului: dioxid (bioxid) de sulf (SO₂), hidrogen sulfurat (H₂S), acid sulfuros (H₂SO₃), acid sulfuric ((H₂SO₄), diferite saruri (sulfiti, sulfati);

-   compusii carbonului: oxizi de carbon (CO, CO₂), hidrocarburi (HC), aldehide;

-   compusii azotului: oxizii de azot (NO_x), amoniacul (NH₃), diversi nitrati (componenti ai "smogului" fotochimic);

-   ozonul (O₃);

-   substante radioactive;

-   suspensii solide: cenusa, funingine, gudroane.

Toate aceste categorii de poluanti prezinta o variatie a concentratiei lor in timp si spatiu, fiind mai frecvente in aerul de deasupra marilor aglomeratii urbane si industriale, cu diferente mari intre centrul oraselor si periferii (Constanta Trufas, 2003)

Stratul de turbulenta*

i Temperatura

Fig. 5. Rolul inversiunilor termice in concentrarea poluantilor

Consecintele meteorologice si climatice ale prezentei surselor de poluare sunt:

-  reducerea intensitatii radiatiei solare;

-  cresterea opacitatii atmosferei;

-  intensificarea efectului de sera datorita absorbtiei radiatiilor infrarosii;

-  cresterea temperaturii aerului, indeosebi in marile centre urbane;

-  cresterea nebulozitatii;

-  cresterea umezelii relative a aerului;

-  amplificarea fenomenului de ceata;

-  cresterea cantitatilor de precipitatii datorita nucleelor de condensare sporite.

Un rol important in cresterea gradului de poluare revine tipului de stratificatie termica a aerului, de vant si precipitatii. In acest sens, inversiunile de temperatura si calmul atmosferic maresc concentratia poluantilor (fig. 5), in timp ce turbulenta aerului disperseaza poluantii. Precipitatiile atmosferice filtreaza aerul prin antrenarea in cadere a impuritatilor, de aceea dupa ploaie atmosfera este mai curata.

5.1. Gazele cu efect de sera

La suprafata Terrei si in primii 5 km ai troposferei apare un fenomen natural numit "efect de sera". Acesta poate fi definit ca un rezultat al mecanismului prin care stratul de aer inconjurator actioneaza ca un ecran protector atat pentru radiatia solara incidenta, cat si pentru contraradiatia atmosferica. Prin absorbtia energiei contraradiata de suprafata terestra, din spectrul infrarosu, sistemul Pamant-Atmosfera (in troposfera joasa pana la 5000 m altitudine) primeste un surplus termic de +33ºC. In acest proces, factorul esential este reprezentat de vaporii de apa, care contribuie cu 62,5%, diferenta de 37,5% fiind adusa de alte gaze cu efect de sera, printre care: bioxidul de carbon, metanul, bioxidul de azot, ozonul, clorofluorocarburile si aerosolii. In ultimele decenii de industrializare puternica, echilibrul gazelor care asigura efectul de sera natural a fost puternic perturbat datorita cresterii concentratiei de gaze reziduale si de particule diferite de cele care se gasesc in mod natural in troposfera. In acest fel, efectul de sera natural a fost amplificat prin aportul efectului de sera antropic, mecanism in care, cresterea concentratiei de bioxid de carbon, define rolul principal. In opinia multor cercetatori, acesta ar reprezenta una din cauzele majore ale schimbarilor climatice actuale, observate tot mai intens la nivel global, prin efectele lor negative asupra populatiei si mediului natural.

Gazele cu efect de sera antropic sunt acele combinatii de elemente chimice care prezinta o capacitate mare de absorbtie a radiatiilor din domeniul infrarosu al spectrului radiativ solar, considerate raspunzatoare de tendinta de incalzire a climei terestre.

Cresterea emisiilor de gaze cu efect de sera se datoreaza activitatilor umane sporite in domeniile industriei, transporturilor, agriculturii etc.

Cresterea acestor activitati depinde, la randul ei, de: dezvoltarea economica, nivelul tehnologiei, rezervele energetice, demografie.

Principalele gaze cu efect de sera sunt: bioxidul de carbon, bioxidul de azot, metanul, clorofluorocarbonatii (C.F.C.) sau freonii, ozonul, aerosolii. Concentratiile actuale ale acestor gaze in atmosfera sunt mult peste valorile normale. In aceasta situatie ele au un rol in incalzirea sau racirea climei (parerile sunt controversate, ca si faptul ca variatiile pe care le produc asupra elementelor climatice sunt incluse in fenomenul de variabilitate climatica fireasca sau apartin schimbarilor climatice). Gazele cu efect de sera determina incalzirea atmosferei joase si a suprafetei terestre si o racire, prin compensaie, a atmosferei inalte.

Bioxidul de carbon acumulat in atmosfera de la inceputul secolului al XIX-lea (pus in evidenta prin analiza bulelor de aer din masa ghetarilor) a determinat incalzirea suprafetei terestre cu 1,3 W/m², iar impreuna cu alte gaze 2,2W/m² (conform calculelor). O dublare a acestei concentratii de bioxid de carbon de la 300 ppmv¹⁰ la 600 ppmv ar determina o cresjtere a caldurii de 4W/m² si o ridicare a temperaturii globale in urmatorii 20-30 ani cu pana la 4-5ºC. Cresterea aceasta a concentratiei bioxidului de carbon din atmosfera este considerata de multi climatologi cauza principala a schimbarii climei globale in urmatorii 100 de ani (o problema destul de controversata, acceptata de unii si, in acelasi timp, respinsa de altii), cu implicatii majore asupra vietii de pe planeta.

Observa i ii si masuratori exacte asupra concentratiei de CO₂ din atmosfera au nceput in anul 1958 la statiile Mauna Loa (Arhipelagul Hawai) si Polul Sud. Investigarea ghetarilor din Antarctida a pus in evidenta o crestere treptata a concentratiei de bioxid de carbon in perioada postindustriala (dupa 1740) si foarte rapida in ultimele trei decenii ale secolului al XX-lea (fig. 6). Aceasta crestere rapida, de la aproximativ 280 ppmv in 1750 la 370 ppmv la sfarsitul anului 2001¹¹se datoreaza, in principal, activitatii umane si arderii combustibililor fosili. Chiar in situatia sistarii emisiilor antropice de bioxid de carbon, concentratia lui mare din mediul aerian si cel oceanic nu ar reveni la nivelul preindustrial nici pe parcursul a catorva secole, deci mult timp, de aici incolo, el va continua sa influenteze clima globului.

Metanul (CH4) se afla in atmosfera din surse naturale si antropice. Cresterea concentratiei sale este legata, in principal, de cultivarea orezului si cresterea vitelor, in prezent fiind mai mult decat dubla, comparativ cu perioada preindustriala, si cea mai mare din ultimii 150 000 ani, curba de evolutie mergand paralel cu cresterea populatiei. Durata de viata a metanului este mica (10 ani) fata de a altor gaze cu efect de sera. Stabilizarea concentratiei la nivelul actual presupune o reducere a emisiilor cu 15-20%.

Clorofluorocarbonatii (CFC) sunt substante chimice de origine antropica, foarte nocive, deoarece afecteaza stratul de ozon stratosferic si amplifica efectul de sera. La sfarsitul deceniul al 9-lea din secolul al XX-lea, concentratiile acestor compusi chimici oscilau intre 280 pptv¹² pentru CFC-11 si 484 pptv pentru CFC-12, care au durate de viata de 65 ani si respectiv 130 ani. Sunt folositi in industria chimica drept propulsori ai aerosolilor, refrigeranti, agenti generatori de spuma, solventi in industrie si in intretinerea locuintelor. Ritmul de crestere a concentratiei lor in atmosfera este mult mai mare (cu 4% si peste pe an) decat a altor gaze cu efect de sera. Strategiile mondiale privind reducerea concentratiei atmosferice a acestor gaze presupun inlocuirea lor cu hidrofluorocarbonati (HFC) si hidroclorofluorocarbonati (HCFC), a caror viabilitate este mai redusa (1-40 ani).

Ozonul (O₃) din stratosfera are un rol deosebit de important in apararea suprafetei terestre de actiunea nociva a radiatiilor ultraviolete si in procesele chimice din troposfera si stratosfera, influentand bilantul radiativ. Dintre toate dezastrele naturale care ameninta omenirea in viitorii ani (conform modelelor si prognozelor climatice, cel mai sumbru si apropiat ca timp de producere este distrugerea treptata a stratului de ozon. Lipsa acestuia ar face viata imposibila pe Terra. In distrugerea stratului de ozon un rol covarsitor il au cresterea clorofluorocarbonatilor si oxidului de azot de natura antropica. O alta cauza ar fi zborul avioanelor supersonice la altitudini mari (18-22 km), deoarece temperatura de functionare a reactoarelor acestora este suficient de mare pentru a disocia moleculele de azot ale aerului aspirat.

Problema distrugerii stratului de ozon a revenit in atentia opiniei publice in anul 1985, cand s-au publicat rapoartele stiintifice privitoare la existenta unui "gol" (gaura neagra) in invelisul de ozon, deasupra Polului Sud. Reducerea cu peste 40% a invelisului de ozon incepand din anul 1977 a fost atat de neasteptata, incat descoperitorii ei, cercetatorii britanici, au atribuit-o initial unei erori tehnice. In ultimii 20 ani s-a remarcat scaderea ozonului cu 3,4-5,1% in emisfera nordica la latitudinile temperate, fenomen mai intens in anotimpul de iarna. Conform conventiilor internationale, se preconizeaza reducerile emisiilor de CFC, N₂O si CH4 si, in situatia in care aceste emisii vor fi controlate, pentru anul 2060 se prognozeaza o reducere a ozonului stratosferic cu 0-4% in zonele tropicale si cu 4-12% la latitudini medii si inalte.