Projekt okładki i stron tytułowych: Przemysław Spiechowski

Fotografia na okładce: phloxii/Shutterstock

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Małgorzata Nawrot

Produkcja: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Małgorzata Pasenik (Malgorzata.Pasenik@pwn.pl)

Rysunki w książce (opracowanie graficzne) wykonała mgr inż. Ewa Walkowska

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN: Marcin Kapusta / konwersja.virtualo.pl

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2018

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2018 r., (wyd. I)

Warszawa 2018

ISBN 978-83-01-20030-5

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

SPIS TREŚCI

1. Wstęp

2. Atmosfera ziemska

3. Podstawowe pojęcia i definicje

4. Źródła zanieczyszczenia powietrza

4.1. Ditlenek siarki (SO₂)

4.2. Tlenki azotu (NOx)

4.3. Pył

4.4. Lotne związki organiczne (LZO)

4.5. Trwałe zanieczyszczenia organiczne (TZO)

4.6. Metale ciężkie

4.7. Gazy cieplarniane

4.8. Amoniak (NH₃)

4.9. Podsumowanie

5. Skutki zanieczyszczenia powietrza

5.1. Smog

5.2. Kwaśne deszcze

5.3. „Dziura ozonowa”

5.4. Globalne ocieplenie

6. Regulacje prawne

6.1. Wprowadzenie

6.2. Standardy emisyjne

6.3. Standardy jakości powietrza

6.4. Wnioski o wydanie pozwolenia na wprowadzenie gazów i pyłów do powietrza, zgłoszenia emisji

6.5. Pomiary emisji

6.6. Opłaty za korzystanie ze środowiska

6.7. Odpowiedzialność karna

7. Powstawanie zanieczyszczeń w procesie spalania

7.1. Zmienność składu paliw

7.2. Ciepło spalania a wartość opałowa

7.3. Nadmiar powietrza

7.4. Objętość spalin

7.5. Autotermiczność procesu spalania

7.6. Chemizm spalania

7.7. Spalanie całkowite i niecałkowite

7.8. Powstawanie ditlenku siarki (SO₂)

7.9. Powstawanie tlenków azotu (NOx)

7.10. Emisja pyłów

7.11. Emisja metali

7.12. Emisja chlorowodoru, fluorowodoru i bromowodoru

7.13. Produkty niepełnego spalania

7.14. Powstawanie PCDD/Fs, PCBs, PCNs oraz PAHs

7.15. Pierwotne metody ograniczania emisji

8. Procesy ograniczania emisji pyłów

8.1. Wstęp

8.2. Rozkład granulometryczny cząstek

8.3. Opadanie cząstek

8.4. Metody mechaniczne suche

8.5. Metody mechaniczne mokre

8.6. Metody elektrostatyczne

8.7. Metody filtracyjne

8.8. Wybór odpylacza

9. Absorpcja i absorbery

9.1. Wprowadzenie

9.2. Podstawowe typy absorberów

9.3. Równowaga absorpcyjna

9.4. Kinetyka procesu absorpcji fizycznej

9.5. Bilansowanie absorberów

9.5.1. Bilanse masy absorberów o działaniu przeciwprądowym

9.5.2. Bilanse masy absorberów współprądowych

9.5.3. Bilans masy dla różniczkowej objętości kolumny z przeciwprądowym przepływem faz

9.6. Kolumny półkowe – półka teoretyczna

9.7. Bilanse masy w aparatach półprzepływowych

9.8. Desorpcja (odpędzanie) gazów

9.9. Absorpcja z reakcją chemiczną

9.9.1. Uwagi ogólne

9.9.2. Kinetyka absorpcji z reakcją chemiczną

9.9.3. Bilanse masy dla różniczkowej objętości absorbera, w którym zachodzi reakcja chemiczna

9.9.4. Absorpcja gazu z równoczesnym rozpuszczaniem się ciała stałego B

10. Adsorpcja i adsorbery

10.1. Wprowadzenie

10.2. Równowaga adsorpcyjna

10.3. Kinetyka procesu adsorpcji

10.4. Bilansowanie adsorberów

10.4.1. Adsorber półprzepływowy (półokresowy)

10.4.2. Adsorber przepływowy z przeciwprądowym przepływem faz

10.5. Procesy desorpcji

11. Procesy membranowe

12. Wykraplanie (wymrażanie) par

12.1. Wprowadzenie

12.2. Równowaga fazowa

12.3. Wykraplanie par w procesach odwracalnych

12.4. Proces chłodzenia nieodwracalnego

13. Procesy z reakcją chemiczną

13.1. Wprowadzenie

13.2. Podstawy kinetyki reakcji homogenicznych

13.2.1. Zapis bilansowy reakcji chemicznych

13.2.2. Szybkość homogenicznej reakcji chemicznej

13.2.3. Równania kinetyki reakcji homogenicznych

13.3. Bilanse podstawowych typów reaktorów homogenicznych

13.4. Podstawy kinetyki reakcji heterofazowych

13.4.1. Wprowadzenie

13.4.2. Reakcje niekatalityczne gaz-ciało stałe

13.4.3. Kinetyka procesów kontaktowych

13.4.4. Bilanse reaktorów kontaktowych o złożu stałym

14. Technologie ograniczania emisji ditlenku siarki oraz innych gazów kwaśnych

14.1. Wprowadzenie

14.2. Metoda sucha

14.3. Metoda półsucha

14.4. Metoda mokra

14.5. Inne metody

14.6. Podsumowanie

15. Technologie ograniczania emisji tlenków azotu

15.1. Wprowadzenie

15.2. Metody pierwotne

15.3. Zastosowanie metod SNCR i SCR

15.4. Metody absorpcyjne

15.5. Podsumowanie

16. Technologie ograniczania emisji lotnych związków organicznych

16.1. Wprowadzenie

16.2. Metody regeneracyjne

16.3. Metody nieregeneracyjne

16.4. Metody kombinowane

16.5. Odory

16.6. Dobór technologii

17. Technologie ograniczania emisji trwałych zanieczyszczeń organicznych

17.1. Wprowadzenie

17.2. Metody pierwotne

17.3. Metody wtórne

18. Ograniczanie emisji rtęci

19. Wychwytywanie ditlenku węgla

20. Ogólne zasady wyboru technologii

21. Rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń w atmosferze

21.1. Czynniki meteorologiczne

21.1.1. Turbulencja atmosfery

21.1.2. Pionowy gradient temperatury

21.1.3. Działanie wiatru

21.1.4. Suche pochłanianie zanieczyszczeń przez podłoże

21.1.5. Wymywanie zanieczyszczeń przez opady atmosferyczne

21.1.6. Przemiany gazowe w powietrzu atmosferycznym

21.1.7. Skręt wiatru z wysokością

21.1.8. Krzywoliniowy ruch mas powietrza

21.1.9. Przenoszenia zanieczyszczeń przez chmury

21.2. Topografia terenu

21.3. Czynniki technologiczne

21.4. Modelowanie rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w atmosferze

21.5. Równanie dyfuzji atmosferycznej

21.6. Współczynniki dyfuzji atmosferycznej

21.7. Rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń ze źródeł liniowych i powierzchniowych

21.8. Rozprzestrzenianie się pyłu w atmosferze

22. Monitoring i zarządzanie jakością powietrza

Literatura

Załączniki

Załącznik 1. Wykaz dotychczas opracowanych dokumentów referencyjnych najlepszych dostępnych technik (BREF BAT) w języku polskim i angielskim oraz wykaz wydanych i obowiązujących konkluzji BAT

Załącznik 2. Rodzaje instalacji mogących powodować znaczne zanieczyszczenie poszczególnych elementów przyrodniczych albo środowiska jako całości (instalacje wymagające pozwolenia integrowanego)

Załącznik 3. Rodzaje instalacji, z których wprowadzanie gazów lub pyłów do powietrza nie wymaga pozwolenia

Załącznik 4. Rodzaje instalacji, z których wprowadzanie gazów lub pyłów do powietrza wymaga zgłoszenia

Załącznik 5. Rodzaje instalacji, dla których pozwolenie na wprowadzanie gazów i/lub pyłów do powietrza wydaje Marszałek Województwa

Załącznik 6. Przydatne akty prawne (stan na lipiec 2017 roku)

Skróty używane w tekście

Oznaczenia – symbole polskie i greckie, indeksy

Źródła rysunków i tabel

1
WSTĘP

Wszelka działalność gospodarcza jest zazwyczaj źródłem emisji zanieczyszczeń do powietrza. Za najważniejsze zanieczyszczenia emitowane do atmosfery w efekcie prowadzonej działalności gospodarczej, głównie produkcyjnej, uważa się:

• ditlenek siarki – SO₂,

• tlenki azotu – NOx (NO, NO2, a także N₂O),

• pył,

• lotne związki organiczne – LZO (VOCs),

• trwałe zanieczyszczenia organiczne – TZO (POPs),

• metale ciężkie, w tym rtęć,

• gazy cieplarniane (CO₂, metan itp.),

• odory.

Emisja większości tych zanieczyszczeń od lat systematycznie maleje, co jest z jednej strony efektem wprowadzania nowych technologii i restrukturyzacji przemysłu, a z drugiej strony – instalowania nowoczesnych urządzeń ograniczających emisję. Analizując zmiany jakie nastąpiły na przestrzeni ostatnich dwudziestu lat w zakresie emisji zanieczyszczeń do powietrza w Polsce łatwo zauważyć, że największe znaczenie miała i ma do dnia dzisiejszego emisja ditlenku siarki, którą udało się zmniejszyć z poziomu ok. 3,2 mln Mg w roku 1990 do aktualnych poniżej 1 mln Mg. Na początku lat 90. ubiegłego wieku drugą pozycję na liście najważniejszych zanieczyszczeń emitowanych do powietrza w Polsce zajmował pył, którego emisja z blisko 2 mln Mg w roku 1990 spadła obecnie do poziomu poniżej 0,5 mln Mg. Najmniejszy postęp od lat odnotowujemy w zakresie redukcji emisji tlenków azotu oraz lotnych związków organicznych (LZO). Te ostatnie zresztą z 4 pozycji w roku 1990 „awansowały” obecnie na pozycję drugą. Regulacje prawne, przyjęte w Polsce w związku z członkostwem w Unii Europejskiej, w szczególności implementowanie dyrektywy 1999/31/WE w sprawie LZO dają szanse, że w najbliższych latach całkowita emisja LZO zacznie spadać. Istotne zmniejszenie emisji tlenków azotu rozpoczęło się w 2016 r., kiedy to zaczęły w Polsce obowiązywać regulacje dyrektywy 2010/75/WE w sprawie emisji przemysłowych. Kolejne zmiany w prawie, które pojawiają się oraz są zapowiadane na najbliższe lata powinny spowodować dalszy systematyczny spadek emisji z sektora przemysłowego.

Według Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) szkodliwe oddziaływanie na zdrowie ludzkie ma przede wszystkim pyłowe zanieczyszczenie powietrza, którego źródłem jest często paliwo spalane w silnikach, fabrykach oraz pył drogowy. Na podstawie przeprowadzonych badań oszacowano, że zanieczyszczone powietrze jest powodem średnio:

• 1,4% z całkowitej liczby zgonów,

• 0,5% z przypadków całkowitego inwalidztwa,

• 2% chorób serca.

Na podstawie szacunków Komisji Europejskiej z powodu zanieczyszczenia powietrza każdego roku przedwcześnie umiera ok. 43 000 mieszkańców Polski. Dla porównania: każdego roku w wypadkach drogowych w Polsce ginie ok. 3300 osób.

Epidemiologiczne badania wskazują na to, że śmiertelne efekty występowały głównie wśród osób w wieku 60 lat i starszych. WHO oszacowała, że w tej grupie wiekowej 81% zgonów (ze wszystkich odnotowanych w ciągu rozpatrywanego okresu) wystąpiło z powodu zewnętrznego zanieczyszczenia powietrza. Z badań WHO wynika również, że zewnętrzne zanieczyszczenie powietrza było przyczyną 41% wszystkich odnotowanych zgonów. W przypadku dzieci poniżej 5. roku życia śmiertelność z powodu zewnętrznego zanieczyszczenia powietrza wyniosła ok. 3% (ze wszystkich odnotowanych zgonów).

Zanieczyszczenie powietrza stanowi jeden z kluczowych problemów zdrowia publicznego, nie tylko w Polsce, Unii Europejskiej, ale również w całej Europie, a także i na świecie. Biorąc pod uwagę kraje UE, Polska obok Bułgarii należy do państw, w których ten problem występuje w największej skali. Organizacja Współpracy Gospodarczej i Rozwoju (OECD) ostrzega, że do 2050 roku zanieczyszczenie powietrza w miastach stanowić będzie główną środowiskową przyczynę zgonów na całym świecie, wyprzedzając przyczyny śmierci z powodu nieodpowiedniej jakości wody pitnej i braku odpowiednich warunków sanitarnych.

Problem zanieczyszczonego powietrza można więc uznać za jeden z najważniejszych problemów naszej cywilizacji. Stan jakości powietrza w naszym kraju jest niestety zły i konieczne są tutaj szeroko rozumiane działania naprawcze. Nie mogą być to działania doraźne, lecz długofalowa polityka, której realizacja kosztować będzie ogromne kwoty pieniędzy. Nie ma jednak alternatywy – działania te muszą być podjęte, jeżeli chcemy dalej żyć i pracować na tym świecie, jeżeli chcemy naszą planetę zostawić przyszłym pokoleniom jako miejsce nadające się do życia.

Niniejsza książka składa się z trzech zasadniczych części. Pierwsza stanowiąca wprowadzenie do omawianych zagadnień krótko charakteryzuje atmosferę ziemską, podaje źródła i skutki zanieczyszczenia powietrza ze szczególnym uwzględnieniem zagadnień powstawania zanieczyszczeń w procesach spalania. W części drugiej omawiane są procesy ograniczania emisji zanieczyszczeń, takie jak: procesy absorpcji, adsorpcji, wykraplania par, procesy membranowe, a także procesy ograniczania emisji pyłów oraz takie, w których dla ograniczania emisji wykorzystywane są reakcje chemiczne. Trzecia część to omówienie technologii ograniczania emisji ditlenku siarki, tlenków azotu, lotnych związków organicznych, trwałych związków organicznych, rtęci oraz ditlenku węgla oraz wskazane są ogólne zasady projektowania tych technologii. Na koniec przedstawiono materiał omawiający zagadnienia rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym oraz zagadnienia monitoringu i zarządzania jakością powietrza.

Monografię zamyka 6 załączników, w których zestawiono: aktualny wykaz dokumentów referencyjnych najlepszych dostępnych technik oraz wykaz wydanych i obowiązujących konkluzji BAT (zał. 1); wykaz rodzajów instalacji: wymagających uzyskania pozwolenia zintegrowanego (zał. 2); wymagających uzyskania pozwolenia na wprowadzenie gazów i/lub pyłów do powietrza (zał. 3); podlegających obowiązkowi zgłoszenia (zał. 4), a także wykaz rodzajów instalacji, dla których pozwolenia wydaje Marszałek Województwa (zał. 5) oraz przydatne akty prawne dotyczące ochrony powietrza (zał. 6).

Autorzy zrezygnowali z podawania literatury źródłowej ograniczając się do podania najważniejszych pozycji literatury monograficznej wykorzystanych przy opracowywaniu niniejszej książki.

Publikacja jest przeznaczona dla studentów kierunków inżynieria środowiska oraz ochrona środowiska. W zamyśle autorów stanowić ma również pomoc dla inżynierów zajmujących się zagadnieniami ochrony czystości powietrza oraz specjalistów z zakresu ochrony środowiska w przemyśle oraz administracji.

2
ATMOSFERA ZIEMSKA

Atmosfera ziemska to najbardziej zewnętrzna, gazowa część naszej planety. Obecność atmosfery i jej skład mają istotny wpływ na życie na Ziemi. Atmosfera chroni organizmy żywe Ziemi przed częścią wysokoenergetycznego promieniowania elektromagnetycznego i cząstkami promieniowania kosmicznego, a także pozwala na utrzymanie w przybliżeniu stałej temperatury powierzchni Ziemi.

Składa się ona z mieszaniny gazów zwanej powietrzem. Masę atmosfery ziemskiej szacuje się na ok. 5,29·10¹⁸ kg, co stanowi ok. 0,0009% masy całej Ziemi. Oprócz mieszaniny gazów, atmosfera ziemska zawiera unoszącą się w niej zawiesinę cząstek stałych i ciekłych zwaną aerozolem atmosferycznym. Podstawowymi składnikami atmosfery ziemskiej są: azot (N₂), tlen (O₂) i argon (Ar) oraz woda (H₂O), najbardziej zmienny składnik, występujący w atmosferze ziemskiej we wszystkich trzech stanach skupienia. Przeciętny skład suchego powietrza atmosferycznego przedstawia tabela  .1.

Tabela 2.1. Przeciętny skład chemiczny atmosfery ziemskiej

Lp.

Składnik atmosfery

Symbol

Udział [%]

Udział [ppm]

1.

Azot

N₂

78,084

780 840

2.

Tlen

O₂

20,946

209 460

3.

Argon

Ar

0,934

9 340

4.

Ditlenek węgla

CO₂

0,036

332

5.

Neon

Ne

18

6.

Hel

He

5,2

7.

Metan

CH₄

1,65

8.

Krypton

Kr

1,1

9.

Wodór

H₂

0,58

10.

Podtlenek azotu

N₂O

0,33

11.

Tlenek węgla

CO

0,20

12.

Ksenon

Xe

0,09

13.

Ozon

O₃

0,1–0,01

14.

Tlenki azotu

NO/NO₂

0,01–0,00001

15.

Amoniak

NH₃

0,001–0,0001

16.

Ditlenek siarki

SO₂

0,0001–0,00001

17.

Siarkowodór

H₂S

poniżej 0,000001

Podany w tabeli skład suchego powietrza w atmosferze ziemskiej jest bardzo zróżnicowany. Są tu gazy występujące w ilościach znaczących (azot, tlen oraz argon) stanowiące ponad 99% całej atmosfery ziemskiej, ale są także gazy występujące w ilościach śladowych (ozon, tlenki azotu, amoniak, związki siarki). Ponadto w atmosferze ziemskiej występuje para wodna. Jej zawartość (0,02–4%) w powietrzu bardzo silnie zależy od klimatu oraz położenia na kuli ziemskiej – inna jest nad oceanami na równiku, inna w pobliżu biegunów, a jeszcze inna nad lądami. Zróżnicowanie zawartości najważniejszych składników atmosfery ziemskiej zilustrowano na rysunku 2.1.

Składniki atmosfery ziemskiej

Rys. 2.1. Udziały (ułamki molowe) składników atmosfery ziemskiej. Pogrubioną czcionką zaznaczono gazy zaliczane do gazów cieplarnianych

Powietrze jest mieszaniną gazów i aerozoli składających się na atmosferę ziemską. Jego podstawowe właściwości to: brak zabarwienia, brak smaku i zapachu oraz słaba rozpuszczalność w wodzie. Gęstość powietrza zależy od ciśnienia i temperatury oraz w pewnym zakresie również od składu, w szczególności zawartości pary wodnej.

Pod ciśnieniem normalnym temperatura topnienia (krzepnięcia) powietrza wynosi ok. –213°C, natomiast temperatura wrzenia (skraplania) wynosi ok. –193°C. Po skropleniu powietrze przybiera barwę niebieską. Zależność gęstości, lepkości oraz ciepła właściwego powietrza suchego od temperatury pokazano w tabeli 2.2.

Tabela 2.2. Zależność gęstości, lepkości oraz ciepła właściwego powietrza suchego od temperatury

Temperatura

Gęstość

Lepkość

Ciepło właściwe

t

ρ

μ

cP

°C

kg/m³

Pa·s

J/(kg·K)

0

1,2933

1,7231·10⁻⁵

1,0056·10³

5

1,2699

1,1478·10⁻⁵

1,0057·10³

10

1,2474

1,7722·10⁻⁵

1,0058·10³

15

1,2257

1,7965·10⁻⁵

1,0059·10³

20

1,2047

1,8205·10⁻⁵

1,0061·10³

25

1,1845

1,8444·10⁻⁵

1,0063·10³

30

1,1644

1,8680·10⁻⁵

1,0065·10³

Duży wpływ na właściwości fizykochemiczne powietrza ma zawartość wilgoci, która może zmieniać się w szerokim zakresie. Do oceny stopnia wilgotności powietrza stosuje się następujące wielkości:

• wilgotność względną, określającą stosunek prężności pary wodnej pH₂O, przy określonym ciśnieniu atmosferycznym (patm) i temperaturze (TP), do prężności pary wodnej nasyconej () w tej samej temperaturze i ciśnieniu powietrza. Stosunek ten podaje się w procentach lub w postaci ułamka.

(2.1)

• wilgotność bezwzględną, określającą ilość wody w kilogramach, przypadającą na jednostkę (1 kg) suchego powietrza, przy określonym jego ciśnieniu i temperaturze:

(2.2)

Jest to wilgotność bezwzględna masowa (kg/kg). Obok niej funkcjonuje jeszcze wilgotność bezwzględna objętościowa (vol./vol.) wyrażona jako stosunek prężności pary wodnej zawartej w powietrzu do ciśnienia atmosferycznego w określonej temperaturze. Może ona być podawana w postaci ułamka lub w procentach objętościowych. W postaci ułamka wyrażona jest zależnością:

(2.3)

Wzór ten określa jednocześnie ułamek molowy pary wodnej w powietrzu.

Zmiany temperatury w przekroju pionowym, zmiany składu chemicznego i stopnia jonizacji cząsteczek atmosfery są podstawą wydzielania warstw zwanych sferami. Mieszanie się powietrza powoduje, że nie można między nimi wyznaczyć wyraźnych liniowych granic. Granicami są cienkie strefy przejściowe zwane umownie pauzami. Ustalono, że nazwa pauzy pochodzi od nazwy sfery leżącej bezpośrednio poniżej.

Powyżej atmosfery ziemskiej znajduje się przestrzeń kosmiczna. Charakteryzuje ją stan bardzo wysokiej próżni, nieosiągalnej nawet w większości laboratoriów. Z racji nieobecności jakiegokolwiek ośrodka nie mogą się rozchodzić w niej fale dźwiękowe. Wymiana ciepła odbywa się jedynie na drodze promieniowania. Znajdują się tutaj wysokoenergetyczne cząstki wiatru słonecznego oraz wypełnia ją promieniowanie pochodzące od Słońca oraz promieniowanie kosmiczne. Temperatura jest zbliżona do poziomu zera bezwzględnego równego –273oC.

W atmosferze ziemskiej wyróżnia się umownie następujące sfery (rys. 2.2).

Rys. 2.2. Budowa atmosfery ziemskiej, rozkład temperatur w atmosferze

Jonosfera – nazwa ta oznacza „strefę jonów” i jest wspólna dla termosfery i egzosfery, czyli dwóch najbardziej zewnętrznych warstw ziemskiej atmosfery. Występuje na wysokości ok. 85–2000 km ponad powierzchnią Ziemi. Nazwa jonosfera wiąże się z obecnością praktycznie wyłącznie zjonizowanych cząstek gazów atmosferycznych, które są nieustannie wystawione na kontakt z promieniowaniem kosmicznym. Egzosfera rozciąga się w odległości od 500 do 2000 km od powierzchni Ziemi. W tej strefie występują jedynie ostatnie ślady obecności powietrza. Odległości pomiędzy cząsteczkami są tak duże, iż właściwie panuje tutaj bardzo wysoka próżnia. Termosfera natomiast położna jest nieco bliżej powierzchni Ziemi (85–500 km). W bardzo rozrzedzonym powietrzu fale dźwiękowe rozchodzą się bardzo słabo. Na tej wysokości rozpędzone wysokoenergetyczne cząstki wiatru słonecznego zaczynają zderzać się z cząstkami gazów atmosferycznych, pobudzając je do świecenia i tworząc okresowo zjawisko zorzy polarnej. Z powodu intensywnej ekspozycji tych warstw na promieniowanie kosmiczne i cząstki wysokoenergetyczne, następuje tutaj gwałtowny wzrost temperatury. Ze względu jednak na bardzo znaczne rozrzedzenie gazu wymiana ciepła w dalszym ciągu odbywa się głównie na drodze promieniowania i pomimo formalnie wysokiej temperatury nie obserwuje się tu jakichkolwiek efektów cieplnych. Na wysokości ok. 100 km nad powierzchnią Ziemi przebiega umowna granica kosmosu, wyznaczona przebiegającą tam linią Kármána.

Mezosfera jest to obszar pomiędzy ok. 50 a 85 km ponad powierzchnią Ziemi. Następuje tutaj wyraźny spadek temperatury do –70°C. Niebo zmienia kolor z błękitnego na granatowoczarny, pojawiają się na nim gwiazdy. Ciśnienie atmosferyczne i gęstość powietrza osiągają śladowe wartości. Skład chemiczny powietrza w mezosferze pozostaje jednak stały, analogiczny jak na powierzchni Ziemi. Większość cząstek gazów atmosferycznych jest w stanie zjonizowanym, co sprawia, że powietrze staje się bardzo dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego. Niekiedy są obserwowane, szczególnie na dużych szerokościach geograficznych, tzw. obłoki srebrzyste, zwane też polarnymi chmurami mezosferycznymi. Tworzą się one najprawdopodobniej w wyniku kondensacji pary wodnej wokół cząstek pyłu kosmicznego.

Stratosfera – przyjmuje się, że ta część atmosfery ziemskiej rozciąga się na wysokości 12–50 km. Wraz ze wzrostem wysokości powietrze staje się coraz bardziej rozrzedzone, a jego ciśnienie maleje. Na wysokości ok. 19,2 km ciśnienie atmosferyczne wynosi ok. 63 hPa. Temperatura powietrza w stratosferze zaczyna wzrastać, gdyż powietrze na tej wysokości intensywnie pochłania promieniowanie ultrafioletowe Słońca. Związane jest z tym jonizowanie tlenu i tworzenie cząsteczek ozonu, którego najwięcej znajduje się na wysokości 15–40 km (w zależności od szerokości geograficznej) w tzw. warstwie ozonowej. Pionowe ruchy powietrza w tej strefie nie występują, natomiast wieją tutaj bardzo szybkie (prędkość nawet ponad 400 km/h) prądy strumieniowe – poziome wiatry o globalnym zasięgu, odpowiedzialne za przemieszczanie układów barycznych. Para wodna praktycznie w stratosferze nie występuje, jednak sporadycznie, szczególnie w rejonach okołobiegunowych, na wysokości ok. 30 km z niewielkiej ilości pary wodnej powstają kryształki lodu tworząc obłoki perłowe, które mienią się kolorami tęczy.

Troposfera jest to strefa leżąca nad powierzchnią Ziemi (do ok. 12 km), najcieńsza, ale też najgęstsza z wszystkich warstw, skupiająca ponad połowę całego powietrza atmosferycznego. Jej wysokość zależy od maksymalnej wysokości do jakiej dociera konwekcja termiczna. W przypadku zimnych biegunów zasięg troposfery wynosi ok. 8 km, natomiast nad równikiem sięga nawet aż do 18 km. Ciśnienie atmosferyczne i gęstość powietrza w troposferze spadają z wysokością najszybciej. Na wysokości ok. 11 km panuje już temperatura –50°C, podczas gdy przy powierzchni może utrzymywać się 15°C. Na poziomie morza średnie ciśnienie wynosi 1013,27 hPa, a gęstość powietrza ok. 1,225 kg/m³ (atmosfera wzorcowa). W troposferze zachodzą wszystkie zjawiska pogodowe oraz cały obieg wody w przyrodzie. Występuje w niej para wodna, która skraplając się tworzy chmury. Charakterystyczną cechą tej warstwy są pionowe ruchy powietrza związane z konwekcją termiczną. Najwyższe chmury typu cirrus złożone z kryształków lodu sięgają wysokości ok. 7–13 km.

Pionowa struktura atmosfery jest niejednorodna. Ciśnienie atmosferyczne, które na poziomie morza wynosi średnio 1013 hPa (ok. 0,1 MPa, 1 atm, 760 mm Hg), wraz ze wzrostem wysokości szybko, w przybliżeniu wykładniczo, spada. Już na wysokości ok. 5 km wynosi tylko połowę wartości osiąganej na poziomie morza, na wysokości ok. 20 km jest równe ok. 5% wartości na poziomie morza, a na wysokości 100 km – ok. 0,0002% tej wartości. Przyjmuje się, że spada ono praktycznie do zera na wysokości ok. 500 km. Podobnie maleje z wysokością gęstość powietrza atmosferycznego. Oszacowano, że ok. 75% masy atmosfery ziemskiej mieści się w warstwie sięgającej od powierzchni Ziemi do wysokości 10 km, a 99% w warstwie sięgającej wysokości 50 km. W stosunku do wymiarów Ziemi atmosfera jest warstwą bardzo cienką, a gdyby przyjąć, że gęstość powietrza w atmosferze jest stała i równa gęstości panującej na poziomie morza to wysokość ta byłaby mniejsza niż 10 km. Pomimo relatywnie niewielkiej grubości i masy nawet tak cienka i delikatna warstwa gazu wystarcza do stworzenia na powierzchni planety warunków korzystnych do rozwoju życia.

Skład atmosfery ziemskiej ulegał w przeszłości istotnym zmianom. Według obecnego stanu wiedzy Ziemia uformowała się w kształcie zbliżonym do obecnego ok. 4,3 mld lat temu. Od tego czasu aż do chwili obecnej zachodziły i zachodzą na Ziemi różne procesy chemiczne i fizyczne. Początkowo atmosfera ziemska składała się z najlżejszych frakcji pierwotnej materii Układu Słonecznego – wodoru i helu. Jednak stosunkowo szybko (oczywiście w geologicznej skali czasu) ta pierwotna atmosfera uległa rozproszeniu na skutek gwałtownych procesów geologicznych, zderzeń z planetoidami i oddziaływania z wiatrem słonecznym. Zaczęły pojawiać się gazy uwalniane z głębi uformowanej już skorupy ziemskiej: ditlenek węgla, para wodna, amoniak i pewna ilość azotu. Po niecałym miliardzie lat (czyli ok. 3–4 miliardy lat temu) pojawiły się na Ziemi pierwsze, bardzo prymitywne organizmy żywe (bakterie), które rozwijały się i ewoluowały w coraz bardziej złożone formy. Ich gwałtowny rozwój, oraz późniejszy rozwój innych organizmów, spowodował pojawienie się w atmosferze tlenu. Ilość tlenu stopniowo wzrastała na skutek zachodzącej w tych organizmach fotosyntezy, której faza jasna opiera się na fotolizie wody do tlenu i wodoru, wodór jest włączany do glukozy, zaś tlen jest wydalany. Zatem malała ilość ditlenku węgla (CO₂), natomiast wzrastała ilość tlenu (O₂) i azotu (N₂), który był uwalniany przez bakterie z amoniaku. Przez cały czas Ziemia otrzymywała i w dalszym ciągu otrzymuje w każdej jednostce czasu olbrzymie ilości energii na drodze promieniowania słonecznego. Równocześnie z powierzchni Ziemi energia wypromieniowywana była i jest w przestrzeń kosmiczną. W początkowym okresie z uwagi na wysoką temperaturę Ziemi i brak atmosfery, większe porcje energii były wypromieniowane z powierzchni niż Ziemia otrzymywała je od Słońca. Powodowało to stałe obniżanie temperatury jej powierzchni. Około 1,5 mld lat temu doszło do osiągnięcia stanu pseudorównowagi termicznej.

Człowiek współczesny pojawił się na Ziemi kilka milionów lat temu, przez ten okres praktycznie nie miał wpływu na stan naszej planety. Dopiero w ostatnich tysiącleciach, a szczególnie w okresie od rewolucji przemysłowej do chwili obecnej, czyli przez ostatnie 250 lat, człowiek wywiera znaczny wpływ na stan Ziemi.

Stan pseudorównowagi termicznej Ziemi objawia się tym, że średnia temperatura panująca na powierzchni Ziemi liczona w przedziale milionów lat jest w przybliżeniu stała i wynosi ok. 15°C. Jednak jeżeli przejdzie się do przedziałów czasu mniejszych, rzędu tysięcy lub setek lat, to występują duże zmiany temperatury rzędu nawet kilkunastu stopni. Wynikają one ze zmian w cyklu promieniowania słonecznego, ruchów skorupy ziemskiej, a przede wszystkim z cykli astronomicznych. To one powodują, że klimat ziemski, który jest kształtowany przez oddziaływania między powierzchnią Ziemi i atmosferą, ulega ciągłym zmianom. Ta zmienność jest regularna i występowała przed i po pojawieniu się człowieka na Ziemi. Obecnie jesteśmy w cyklu ocieplenia. Wyższa temperatura sprawia, że następuje proces topienia się lodowców i uwalniają się zmagazynowane w hydratach olbrzymie ilości CO₂, a równocześnie ze wzrostem temperatury maleje rozpuszczalność CO₂ w wodach oceanów. Procesy zmian stężenia CO₂ w atmosferze stosunkowo dobrze korelują się ze zmianami temperatury Ziemi.

Atmosfera ziemska jest układem dynamicznym, o dużej zmienności. Na skutek nierównomiernego nasłonecznienia powierzchni Ziemi (zależnego od szerokości geograficznej, pory roku, pory dnia itp.) powstają na niej różnice temperatury powodujące cyrkulację w skali globalnej, jak również w skali lokalnej. W konsekwencji wznoszenia się powietrza ciepłego i opadania chłodnego (ruchy te spowodowane są różnicami gęstości powietrza w zależności od temperatury) powstają niże i wyże atmosferyczne oraz cyklony, antycyklony, fronty atmosferyczne, a także inne zjawiska kształtujące pogodę. Ogólna, globalna cyrkulacja atmosfery powoduje transport ciepła od równika w kierunku biegunów. Nie przebiega on jednak w sposób ciągły od równika do biegunów. W globalnej cyrkulacji powietrza rozróżnia się komórki cyrkulacyjne, których umownymi granicami są zwrotniki (Raka na półkuli północnej i Koziorożca na półkuli południowej) oraz koła podbiegunowe (północne i południowe). Lokalizacje komórek cyrkulacyjnych pokazano na rysunku 2.3.

W położonych najbliżej równika komórkach Hadleya silnie nagrzane i wilgotne powietrze w strefie równikowej wznosi się, a następnie w górnych warstwach troposfery wędruje ku wyższym szerokościom geograficznym i osiada w okolicach zwrotników. Prowadzi to do powstania równikowego pasa niskiego ciśnienia i okołozwrotnikowych stref podwyższonego ciśnienia. Z okolic zwrotników część mas powietrza wraca dołem do równika (tzw. równikowa lub międzyzwrotnikowa strefa zbieżności) w postaci wiatrów zwanych pasatami. W konsekwencji obrotowego ruchu Ziemi wiatry te nie wieją wzdłuż południków, ale mają dużą składową równoleżnikową (ze wschodu na zachód). Cyrkulacja w komórkach Hadleya powoduje transport ciepła z okolicy równika w okolice zwrotników.

Dalszy transport ciepła w kierunku biegunów odbywa się w komórkach Ferrela obejmujących umiarkowane szerokości geograficzne (pomiędzy zwrotnikiem a kołem podbiegunowym). W obszarze tym, część powietrza osiadającego w wyżach zwrotnikowych przemieszcza się w dolnej troposferze ku biegunom, tworząc strefę wiatrów o przeważającym kierunku zachodnim oraz południowo-zachodnim na półkuli północnej i północno-zachodnim na półkuli południowej. Zamiast jednak uporządkowanego przepływu mas powietrza w płaszczyźnie pionowej (dołem ciepłe powietrze w kierunku biegunów, górą chłodniejsze w kierunku równika), występują tu zawirowania o rozmiarach sięgających nawet tysiąca kilometrów. Są to antycyklony i cyklony związane z wyżami i niżami atmosferycznymi, kształtującymi pogodę w średnich szerokościach geograficznych. Charakterystyczną cechą komórek Ferrela jest występowanie na wysokości ok. 10–12 km (w tropopauzie, w pobliżu frontu polarnego) prądu strumieniowego – silnego, skierowanego z zachodu na wschód prądu powietrza, o szerokości od kilkudziesięciu do kilkuset kilometrów i prędkości średniej ok. 200 km/h (sporadycznie nawet do 400 km/h).

Rys. 2.3. Komórki cyrkulacyjne w atmosferze ziemskiej

Ostatnia, najbliższa biegunów komórka polarna, odznacza się ruchami zstępującymi w strefie biegunowej i związaną z nimi biegunową strefą podwyższonego ciśnienia; podobnie jak w obszarze pasatów, wieją tam najczęściej wiatry wschodnie.

Umownymi granicami komórek cyrkulacyjnych są: równik, zwrotniki oraz koła podbiegunowe. Nie są to jednak sztywne granice. Obserwacje meteorologiczne potwierdzają, że np. na średnich szerokościach geograficznych, tam gdzie położona jest Polska, dominuje cyrkulacja zachodnia, jednak następują okresowe zmiany układu cyrkulacji i dosyć często, szczególnie w okresie letnim oraz zimowym występują okresy cyrkulacji wschodniej trwające nawet kilka-kilkanaście dni.

Stan atmosfery ziemskiej, charakteryzowany przez zespół parametrów meteorologicznych (temperatura i wilgotność powietrza, ciśnienie atmosferyczne, prędkość i kierunek wiatru, rodzaj i wielkość zachmurzenia, rodzaj i ilość opadu, stan termodynamicznej równowagi atmosfery), determinuje zarówno aktualną pogodę, jak i klimat. Jednym z ważniejszych elementów jest tu wpływ zmian promieniowania słonecznego.

Promieniowanie słoneczne jest strumieniem fal elektromagnetycznych i cząstek elementarnych (promieniowanie korpuskularne) docierających ze Słońca do Ziemi. Natężenie promieniowania słonecznego docierającego do górnych granic atmosfery określone jest przez stałą słoneczną. Wielkość ta jest zdefiniowana dla średniej odległości Ziemia-Słońce i wynosi ok. 1366,1 W/m². Natężenie promieniowania słonecznego zmienia się w cyklu rocznym ze względu na zmiany odległości pomiędzy Ziemią a Słońcem w zakresie ±3,4%. Promieniowanie słoneczne przechodząc przez atmosferę ulega osłabieniu wskutek procesów absorpcji i rozpraszania. Wyniki obserwacji wskazują, że ok. 30% promieniowania słonecznego dochodzącego do naszej planety jest odbijane przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniane, a tylko 50% energii dociera do powierzchni Ziemi. Wartości te odnoszą się do całego globu i lokalnie mogą znacząco się różnić.

W spektrum promieniowania słonecznego można wyróżnić następujące zakresy (rys. 2.4):

• ultrafiolet C – z zakresem fal o długości od 100 do 280 nm

• ultrafiolet B – z zakresem fal o długości od 280 do 315 nm

• ultrafiolet A – z zakresem fal o długości od 315 do 400 nm

• światło widzialne – z zakresem fal o długości od 400 do 700 nm

• promieniowanie podczerwone, w którym wyróżnia się:

• bliską podczerwień – z zakresem fal o długości od 700 do 1400 nm

• środkową podczerwień – z zakresem fal o długości od 1400 do 4000 nm

• daleką podczerwień – z zakresem fal o długości ponad 4000 nm.

Rys. 2.4. Spektrum promieniowania słonecznego

Natężenie promieniowania słonecznego dochodzącego do powierzchni Ziemi zależy od położenia Słońca na sferze niebieskiej oraz własności optycznych atmosfery. Efektem wypadkowym promieniowania słonecznego jest dobre mieszanie powietrza w atmosferze i praktyczna niezależność stężenia poszczególnych związków od wysokości.

Atmosfera ziemska jest generalnie przezroczysta, a chmury są jednym z tych nielicznych jej elementów, które można zaobserwować gołym okiem. Są one zbiorem mikroskopijnych kropelek wody oraz kryształków lodu, które powstały w wyniku kondensacji oraz krystalizacji zawartej w powietrzu pary wodnej. Zmiana stanu skupienia pary wodnej następuje wskutek ochładzania się wilgotnego powietrza, co ma przede wszystkim miejsce na styku dwóch różnych mas powietrza – ciepłej i zimnej. Jest to obszar frontu atmosferycznego, który określamy jako zimny, gdy masa zimnego powietrza wypiera ku górze masę powietrza ciepłego lub jako ciepły, gdy masa ciepłego powietrza nasuwa się na obszar powietrza zimnego. Także, jeżeli powietrze unosi się do góry na skutek prądów konwekcyjnych wznoszących, następuje jego ochłodzenie i para wodna może się skraplać dając w efekcie opad atmosferyczny.

Zjawiska fizyczne, fizykochemiczne oraz procesy chemiczne zachodzące w atmosferze mają bezpośredni wpływ na stan zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego, a tym samym na stan środowiska naturalnego oraz jakość życia zamieszkujących te tereny ludzi. Drugim decydującym czynnikiem wpływającym na zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego jest antropogeniczna działalność człowieka.