Химические процессы в атмосфере

Содержание

Физико-химические процессы в атмосфере

Размещено на http://www.allbest.ru

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АТМОСФЕРЕ

Рис.6. Относительные размеры основных резервуаров Земли. Единица измерения 1024 г

1. Состав атмосферы

Рис. 7. Вертикальное строение атмосферы и изменения температуры и давления

В такой смеси газов, как в атмосфере, выполняется закон парциального давления Дальтона. Из него следует, что давление отдельных газов в атмосфере будет падать с той же скоростью, что и общее давление. Это можно представить в виде барометрического уравнения:

pz = p0exp (-z/H), (1.1)

где рz — давление на высоте z, р0 — давление на поверхности земли и H— высота (около 8,4 км в нижней тропосфере, а также мера скорости, с которой давление падает с высотой). Из уравнения (1.1) видно, что давление в нижней части атмосферы уменьшается так быстро, что на высоте 5,8 км достигает 50 % от своего значения на земной поверхности. В пределах тропосферы уравнению (1.1) отвечает около 90 % всех атмосферных газов. Остальные находятся в основном в стратосфере, а небольшая масса верхней части атмосферы говорит о том, что она будет чувствительна к загрязнителям. В стратосфере так мало газов, что относительно небольшие количества следовых загрязнителей могут оказывать существенное влияние. Кроме того, благодаря ограниченному вертикальному перемешиванию, мешающему их диспергированию и растворению, загрязнители будут содержаться в относительно хорошо обозначенных слоях.

Таблица 1

Валовый состав незагрязненного воздуха.

Известно, что атмосфера состоит, прежде всего, из азота (N2) и кислорода (О2) и небольшого процента аргона (Аг). Концентрации основных газов перечислены в табл.1. Вода (H2O) также является важным газом, но ее содержание сильно варьирует. В атмосфере в целом концентрация воды зависит от температуры. Диоксид углерода (CO2) имеет гораздо меньшую концентрацию, чем множество других сравнительно инертных (т. е. не реагирующих) микрокомпонентных газов. В отличие от воды и, в меньшей степени, СО2 концентрация большинства газов в атмосфере остается практически постоянной.

Средняя молекулярная масса сухого воздуха, вытекающая из состава, равна 28,966.

Мощность тропосферы оценивается величиной 8 — 10 км в полярных областях и 16 — 18 км у экватора. Эта часть атмосферы непосредственно граничит с поверхностью океана и суши, обусловливая тем самым определенный обмен веществ. Температура здесь поднимается с высотой до 6°С на каждый километр. Верхняя граница тропосферы представлена слоем, обычно называемым «тропопаузой», температура в котором составляет 220 К.

Стратосфера, расположенная над тропосферой, также подразделяется на две зоны: нижнюю, с температурой, характерной для тропопаузы, и достигающую высоты 25 км, и верхнюю, простирающуюся до высоты 50 км и называемую областью инверсии. В этой области температура начинает возрастать и, достигая 273 К, остается неизменной вплоть до высоты 55 км. Эта узкая область постоянной температуры, называемая стратопаузой, является по существу верхней границей стратосферы. Очень важно отметить, что в стратосфере расположен озоновый защитный слой, определяющий верхний предел жизни в биосфере. В стратосфере в значительной мере задерживаются ультрафиолетовые коротковолновые излучения (180-200 нм); происходит транформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдаать в виде северных сияний, зарниц, различных свечений.

Выше стратопаузы располагается мезосфера, достигающая высоты 80 км от уровня моря, характеризующаяся мощностью 25 км. В мезосфере происходит понижение температуры с высотой. Верхней границей мезосферы является мезопауза, в зоне которой температура достигает 190 К.

После мезопаузы температура в атмосфере вновь возрастает. Эта область мощностью 90 км называется термосферой. В верхней части термосферы температура достигает 1000 К. Термосферу часто называют еще ионосферой.

Внешней оболочкой атмосферы является экзосфера, которая начинается с высоты 1000 км и простирается на огромные расстояния, постепенно переходя в межпланетное пространство. Экзосфера является областью диссипации атмосферных газов.

Диссипация — это процесс преодоления атомами и ионами поля притяжения Земли. В результате диссипации не только Земля, но и другие планеты (Меркурий, Марс) должны были потерять то или иное количество атмосферных газов. Явление диссипации связано с возрастанием разреженности атмосферы при увеличении высоты. Вследствие этого столкновения атомов становятся все реже, а величина свободного пробега значительно возрастает.

Таким образом, атмосфера — это система газов, находящихся под переменным излучением солнца, проникающим на различные высоты и производящим различные действия над этими газами. Другими словами, атмосфера — это смесь молекулярных, диссоциированных и ионизированных газов, находящихся на различных высотах, между которыми происходят постоянные реакции, обусловливающие возникновение как более легких, так и тяжелых частиц. Все это приводит к «перемешиванию» атмосферы и соответственно к постоянству ее основного состава.

2. Микрокомпонентные примеси в атмосфере

Многие микрокомпонентные примеси в атмосфере имеют постоянные концентрации, то есть существует баланс между поступлением и выходом вещества в атмосферу

Fвх = Fвых= A/t,

где Fвх и Fвых — это потоки в атмосферу и из нее; А- общее количество вещества в атмосфере, t — его время пребывания в атмосфере.

Время пребывания — величина, описывающая системы в устойчивом состоянии. Это очень важное понятие, играющее центральную роль в химии окружающей среды. Вещества с большим временем пребывания могут накапливаться в относительно высоких концентрациях по сравнению с теми, время пребывания которых меньше. Однако даже если вещества с коротким временем пребывания быстро удаляются, их высокая реакционная способность может привести к накоплению продуктов реакции, которые вызывают осложнения.

Если у вещества большое время пребывания, у него будет достаточно времени, чтобы хорошо перемешаться в атмосфере, и таким образом можно ожидать высокое постоянство его концентраций по всему земному шару. Если же у вещества малое время пребывания, высока вероятность его локальных обнаружений.

Таблица 2

Время пребывания следов газов в естественной атмосфере

По Brimblecombe (1986)

Время пребывания

Концентрация, 10-7 %

Диоксид углерода

4 года

Оксид углерода

0,1 года

Метан

3,6 года

Муравьиная кислота

10 дней

Азотистый андигрид

20-30 лет

Оксид азота

Диоксид азота

4 дня

4 дня

0,1

0,3

Аммиак

2 дня

Диоксид серы

3-7 дней

0,01 — 0,1

Сероводород

1 день

0,05

Сероуглерод

40 дней

0,02

Серооксид углерода

1 год

0,5

Диметилсульфид

1 день

0,001

Метилхлорид

30 дней

0,7

Метилиодрид

5 дней

0,002

Хлороводород

4 дня

0,001

Газы с коротким временем пребывания в атмосфере легко удаляются в процессе поглощения растениями, твердыми веществами или водой. Однако наиболее частой причиной короткого времени пребывания газа в атмосфере служит протекание химических реакций.

Большинство микрокомпонентных газов атмосферы не очень активно вступает в реакции с основными компонентами воздуха. Наиболее реакционно-способной единицей в атмосфере является фрагмент молекулы воды, радикал гидроксила (ОН*). Этот радикал образуется в результате фотохимически инициируемой последовательности реакций, которая запускается фотоном света, hv:

O3(г) + hн > O2(г) + O(г) (1.2)

O(г) + H2O(г) > 2OH(г) (1.3)

Радикал ОН* может вступать в реакции со многими соединениями атмосферы, поэтому у него короткое время пребывания и скорости реакций его больше, чем у такого распространенного газа, как О2. Реакция между диоксидом азота (NO2) и радикалом ОН* приводит к образованию НNО3, важной составляющей кислотных дождей:

NO2(г) + OH(г) > HNO3(г) (1.4)

Газы, у которых низкие скорости реакций с радикалом ОН*, имеют большое время пребывания в атмосфере. В табл. 2 показано, что COS, N2O и даже СН4 имеют большое время пребывания. ХФУ (хлорфторуглеводороды: охлаждающие вещества и распыляющие вещества аэрозолей) также ограниченно вступают в реакции с ОН*. Подобные газы накапливаются в тропосфере и со временем просачиваются в стратосферу. Там доминируют совершенно другие химические процессы, в которых преобладает не ОН*, а атомарный кислород (т. е. О). Газы, реагирующие с атомарным кислородом стратосферы, могут препятствовать образованию О3 по реакции

O2(г) + O(г) > O3(г) (1.5)

и отвечать за истощение озонового слоя стратосферы.

Большинство частиц, образующихся в результате реакций, быстро удаляется с дождями и поэтому имеет время пребывания, близкое к 4—5 дням пребывания атмосферной воды. Однако очень мелкие частицы, размером порядка 0,1—1 мкм, не столь эффективно удаляются с дождевыми каплями и имеют гораздо более длительное время пребывания.

Поскольку в глобальном масштабе атмосферу можно рассматривать как находящуюся в состоянии равновесия, была создана модель, в которой атмосфера представлена как система, имеющая источники, резервуар (это сама атмосфера) и стоки, пребывающие в хрупком равновесии. Источники должны быть достаточно стабильными в течение длительного периода, в противном случае равновесие сдвинется. Наиболее известный и тревожный пример такого сдвига — это увеличение источников СО2 из-за потребления огромных количеств ископаемого топлива в процессе человеческой деятельности, вызвавшем продолжительное возрастание концентрации CO2 в атмосфере; вследствие парникового эффекта предсказывается глобальное повышение температуры.

Существует множество источников микрокомпонентных примесей в атмосфере, которые можно разделить по различным категориям, например, геохимические, биологические и антропогенные.

2.1 Геохимические источники

где F — сила трения, r — радиус частицы, х — ее скорость и — вязкость среды.

Переносимые ветром в виде частиц соли морские брызги весьма реакционноспособны в атмосфере.

H2SO4 (аэрозоль) + NaCl(аэрозоль) HCl(г) + NaHSO4(аэрозоль) (1.7)

Таким образом, концентрация гелия в атмосфере в состоянии устойчивости определяется балансом между его радиоактивным излучением из коры и потерей из верхних слоев атмосферы.

В отличие от геологических источников биологические не являются крупным прямым источником поступления частиц в атмосферу, за исключением лесных пожаров (лесные пожары служат значительным источником углерода, т. е. частиц сажи).

Лимонен содержится в лимонном, апельсиновом маслах, в сосновой хвое, еловых шишках. Фелландрен находится в масле имбиря, б- и г-терпинены — в кариандровом, кардамонном, укропном маслах.

Леса являются также источниками органических кислот, альдегидов и других органических соединений.

Если почва, где произошел этот гидролиз, имела щелочную реакцию, то выделяется газообразный NH3, тогда как в условиях кислой среды он прореагирует с образованием иона аммония:

2NH3(г) + 2O2(г) N2O (г) + 3H2O(г) (1.10)

Это биологический источник оксида азота (N2O), важного и достаточно устойчивого газа тропосферы. В природе протекают многие другие реакции с участием соединений азота, в процессе которых образуются газы NН3, N2, N2O и оксид азота NO.

(CH3)2S+CH2CH2COO-(водн) (CH3)2 S(г) + CH2CHCOOH(водн) (1.11)

Другим важным соединением серы, выделяемым океанами, является карбонилсульфид (COS). Он может образоваться в результате реакции между дисульфидом углерода (CS2) и водой:

и, несмотря на то, что поток его в атмосферу меньше, чем ДМС, из его устойчивости следует, что он будет накапливаться в больших концентрациях. Эти серосодержащие газы малорастворимы в воде, что способствует их выходу из океанов в атмосферу.

Хорошо известно существование органических галогенпроизводных в атмосфере. Несмотря на очевидную зависимость от антропогенного источника, представленного жидкостями, применяемыми для химчистки, в огнетушителях и распыляемыми аэрозолями, существует также множество биологических источников. Метилхлорид (СН3С1), наиболее распространенный в атмосфере галогенуглеводород, происходит в первую очередь из плохо изученных морских источников; некоторый вклад вносят также микробиологические процессы на суше и сгорающая биомасса. Бром- и йодсодержащие органические соединения также выделяются океанами, а распределение морского йода по поверхности суши служит значительным источником этого необходимого следового элемента для млекопитающих (базедова болезнь, возникающая в результате дефицита йода, особенно распространена в областях, удаленных от океана).

2.3 Антропогенные источники

Если говорить о транспорте, и прежде всего автотранспорте, то примерное содержание основных компонентов выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания может быть представлено табл. 3.

Содержание основных компонентов выхлопов двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

На основании данных таблицы сделайте вывод, какой из ДВС более экологичен?

Индустрия вносит большой вклад в загрязнение атмосферы. Анализ состава промышленных выбросов в 100 городах показал, что 85% общего выброса вредных веществ в атмосферу составляют сернистый газ, оксиды углерода и аэрозольная пыль. Половина остальных 15% специфических вредных веществ приходится на углеводороды, другая половина — на аммиак, сероводород, фенол, хлор, сероуглерод, фтористые соединения, серную кислоту.

Рассматривая вопросы, связанные с аэрозолями антропогенного происхождения, нельзя не упомянуть о смогах.

3. Смоги

Фотохимический смог — вторичное загрязнение воздуха, возникающее в процессе разложения первичных загрязняющих веществ солнечными лучами. Главный ядовитый компонент — озон.

Топливо обычно состоит из углеводородов и обычный процесс сгорания его идет согласно уравнению:

топливо + кислород диоксид углерода + вода.

Здесь образуется оксид углерода (СО), ядовитый газ. Если кислорода еще меньше, можно получить углерод (т. е. сажу):

топливо + кислород «сажа» + вода.

Таким образом, несмотря на то, что сжигание топлива первоначально кажется безвредным, оно может привести к образованию ряда загрязняющих соединений углерода.

В топливе присутствуют и другие примеси, но сера всегда считалась наиболее типичным промышленным загрязнителем воздуха. Сажа, СО, СО2 и SO2 являются первичными загрязнителями.

Следы металлов-загрязнителей железа (Fe) или марганца (Mn) катализируют переход растворенного SO2 в H2SО4:

Серная кислота обладает большим сродством к воде, поэтому образовавшаяся капелька дополнительно адсорбирует воду. Капельки постепенно растут и «туман-убийца», влажный смог, сгущается, достигая очень низких значений рН.

Воздух — в основном смесь O2 и N2. При высокой температуре пламени молекулы в воздухе могут распадаться и даже молекулы сравнительно инертного N2 подвергаются реакциям:

N2 (г) + O2(г) 2NO(г) (1.21)

Таким образом, согласно уравнению (1.22), вновь возникает оксид азота, но также одиночный и реакционноспособный атом кислорода, который может вступать в реакции с образованием О3:

Итак, летучие органические соединения, высвобождаемые благодаря использованию топлив на основе бензина, способствуют превращению NО в NO2 (и лежат в основе фотохимического смога).

CH3O2 (г) + NO(г) CH3O(г) + NO2(г) (1.26)

HO2(г) + NO(г) HO(г) + NO2(г) (1.28)

CH3CHO(г) + OH(г) CH3CO(г)+ H2O(г) (1.29)

CH3COO2(г) + NO(г) NO2(г) + CH3CO2(г) (1.31)

Метил-радикал (СН3) из уравнения (1.32) может возвращаться в уравнение (1.25).

Полный список различий влажного и фотохимического смогов приводится в табл. 4

Таблица 4

Сравнительная характеристика влажного и фотохимического смогов

Характеристика

Лос-Анжелес

Лондон

Температура воздуха

От 24 до 32?С

От -1 до 4?С

Относительная влажность

<70%

85% (+ туман)

Тип температурных изменений

Падение на высоте 1000м

Излучение на высоте нескольких сотен метров

Скорость ветра

< 3 м · с-1

Безветренно

Видимость

< 0,8 — 1,6 км

< 30м

Месяцы наиболее частого проявления

Август — сентябрь

Декабрь — январь

Основные топлива

Бензин

Уголь и бензин

Основные составляющие

O3, NO, NO2, CO, органические вещества

Частички вещества,СО, соединения S

Тип химической реакции

Окислительная

Восстановительная

Время максимального сгущения

Полдень

Раннее утро

Основные воздействия на здоровье

Временное раздражение глаз (ПАН)

Раздражение бронхов, кашель (SO2 /копоть)

Повреждающие материалы

Трескается резина (О3)

Железо, бетон

Контрольные вопросы

1. До каких пределов простирается атмосфера нашей планеты?

2. Что такое тропо-, страто- и мезопаузы?

3. Почему основной состав воздуха в тропосфере на всех высотах одинаков?

4. Сформулируйте закон парциального давления Дальтона.

5. В чем суть диссипации атмосферных газов и чем она вызвана?

6. По каким признакам можно классифицировать общий состав атмосферы?

7. Под влиянием каких основных факторов проходила эволюция атмосферы?

8. Какие основные факторы антропогенного характера, по-Вашему, влияют на состав атмосферы?

9. Какие химические соединения входят в состав выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания?

10. Какие принципы на сегодня положены в основу предотвращения загрязнения атмосферы выхлопными газами?

11. Что такое аэрозоли и какова их классификация?

12. Каким отличительным свойством обладают аэрозольные системы?

13. Перечислите естественные источники аэрозолей и источники антропогенного характера.

14. Что такое «прозрачность» и что такое «альбедо» атмосферы?

15. Какие факторы предопределяют механизм образования смога?

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер (например, -частиц).

К основным видам радиоактивного распада относятся -распад, -распад, электронный захват и спонтанное деление. Часто эти виды радиоактивного распада сопровождаются испусканием -лучей, т.е. жесткого (с малой длиной волны) электромагнитного излучения.

При -распаде ядро атома испускает два протона и два нейтрона, связанные в ядро атома гелия ; это приводит к уменьшению заряда исходного радиоактивного ядра на 2, а его массового числа на 4.

Таким образом, в результате -распада образуется атом элемента, смещенного на два места от исходного радиоактивного элемента к началу периодической системы.

Возможность -распада связана с тем, что, по современным представлениям, протон и нейтрон представляют собой два состояния одной и той же элементарной частицы — нуклона (от латинского nucleus — ядро). При некоторых условиях (например, когда избыток нейтронов в ядре приводит к его неустойчивости) нейтрон может превращаться в протон, одновременно «рождая» электрон. Этот процесс можно изобразить схемой:

Нейтрон = протон + электрон

Или

n=p+e-

Таким образом, при -распаде один из нейтронов, входящих в состав ядра, превращается в протон; возникающий при этом электрон вылетает из ядра, положительный заряд которого на единицу возрастает.

Изменение заряда ядра при -распаде приводит к тому, что при -распаде образуется атом элемента, смещенного на одно место от исходного радиоактивного элемента к концу периодической системы.

Элементы, расположенные в конце периодической системы (после висмута), не имеют стабильных изотопов. Подвергаясь радиоактивному распаду, они превращаются в другие элементы. Если вновь образовавшийся элемент радиоактивен, он тоже распадается, превращаясь в третий элемент, и так далее до тех пор, пока не получаются атомы устойчивого изотопа. Ряд элементов, образующийся подобным образом один из другого, называется радиоактивным рядом. Примером может служить приводимый ниже ряд урана — последовательность продуктов превращения изотопа 238U, составляющего преобладающую часть природного урана.

Естественная радиоактивность атмосферы — это закономерное явление, обусловленное двумя причинами: наличием в атмосфере радона 222Rn и продуктов его распада, а также воздействием космических лучей. Сам радон, полураспад которого равен 3,8 дня, а также его изотопы первоначально образуются в земной коре за счет радиоактивного распада урана и тория (над стрелкой — тип радиоактивного распада; под стрелкой — период полураспада):

Образуясь в грунте, радон затем через поры почвы проникает в приземный слой атмосферы, вследствие его захвата естественными аэрозолями переносится в самые верхние плоскости тропосферы, а его долгоживущие продукты распада, такие, как 21082Pb, 21083Bi и 21084Po, обнаруживаются и в стратосфере. Атмосферный круговорот радона включает его легкую вымываемость осадками и осаждение на земную поверхность под действием силы тяжести.

Космические лучи, проникающие на Землю из мирового пространства, обычно подразделяют на первичные и вторичные. В состав первичных космических лучей входят, главным образом, положительно заряженные частицы (преимущественно протоны). Они обладают огромными энергиями и несутся в мировом пространстве с колоссальными скоростями. Проникая в земную атмосферу, первичные лучи уже на высоте около 50 км начинают взаимодействовать с ядрами встречных атомов, что ведет к образованию элементарных частиц, называемых пионами (П).

Вообще существует 35 элементарных частиц: адрон, барион, мезон, гиперон, нуклоны: неитрон, протон, лептон, мюон, пион, каон и др.

Масса пионов — порядка 0,15 а.е.м., заряд их может быть и отрицательным, и положительным, и нейтральным, время жизни — 10-8 с. В слое атмосферы от 50 до 20 км почти все первичные космические лучи расходуют свою энергию, которая передается вызванному ими вторичному космическому излучению. Последнее слагается в основном из мюонов (), представляющих собой частицы с массами порядка 0,11 а.е.м., несущие положительный или отрицательный заряд и живущие не более 2-10-6 с, а также электронов, позитронов и -лучей. Вторичные космические лучи, доходящие до поверхности Земли, подразделяются на «мягкие» и «жесткие», первые из которых поглощаются толщей свинца и состоят в основном из электронов и позитронов, а вторые — это мюоны, обладающие большой проникающей способностью.

Возникновение радиоактивных изотопов объясняется тем, что космические лучи, проникающие в атмосферу со скоростями, близкими к скорости света, сталкиваются с ядрами компонентов воздуха, движущихся со сравнительно небольшими скоростями (порядка 0,5 — 1 км/с), вызывают ядерные реакции превращения одного вещества в другое. Главными радиационными частицами, обусловливающими радиоактивный фон атмосферы под влиянием космических лучей, являются тритий () и радиоуглерод (). Образование трития происходит за счет взаимодействия атмосферного азота с нейтронами ():

(1.34)

Имеются, однако, и другие пути образования трития, в частности за счет взаимодействия атмосферного азота с протонами высоких энергий и атмосферного кислорода и нуклонами. В свою очередь, распад трития приводит к образованию гелия:

(1.35)

Общее количество трития на земном шаре оценивается величиной 12 кг. Образование радиоуглерода вызвано таким взаимодействием атмосферного азота с нейтронами, в процессе которого возникает неустойчивый радиоактивный азот ,генерирующий и протон :

(1.36)

Характерно при этом, что распад вновь приводит к образованию стабильного азота:

(1.37)

предопределяя тем самым обратимость процесса. По имеющимся данным, равновесная концентрация радиоуглерода на земном шаре оценивается на сегодня величиной 8104 кг.

Обращает на себя внимание, что содержание трития и радиоуглерода в стратосфере значительно больше, чем в тропосфере. Это говорит о том, что указанные радиоизотопы возникают именно под действием космических лучей. Кроме того, образование и концентрация в атмосфере указанных изотопов имеют минимум у экватора и растут по направлению к магнитным полюсам Земли, подобно тому, как это отмечается и для распределения космических лучей. Это также служит подтверждением того, что радиоизотопы водорода и углерода возникают в атмосфере под действием космических лучей. Их влияние обусловливает появление и других радиоизотопов, вносящих свой вклад в радиоактивный фон атмосферы. Так, под действием космических лучей на атмосферный аргон образуется радиоизотоп хлора :

(1.38)

(где v — элементарная частица, называемая нейтрино), а также изотоп самого аргона:

Наличие в атмосфере рассмотренных выше радиоизотопов обусловлено в целом так называемой «естественной» радиоактивностью, к которой живые элементы биосферы хорошо адаптировались в процессе эволюции. Что касается антропогенных радиоактивных факторов, опасных по своим последствиям, то они связаны главным образом с «искусственной» радиоактивностью. При ядерных взрывах большая часть изотопов образуется в результате деления урана-235, урана-238 и плутония-239. Известно, что через несколько десятков секунд после взрыва образуется примерно 100 различных изотопов, двадцать девять из которых вносят наибольший вклад в радиоактивность атмосферы через час, двадцать — через двое суток, а три — через 100 лет. Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в атмосфере в результате ядерных взрывов, приведены в табл. 5

В атмосфере протекает множество природных процессов, физических явлений, определяющих облик земли, влияющих на все стороны существования человечества. В атмосфере наблюдаются:

  • теплообмен;
  • испарение и выделение влаги;
  • массоперенос;
  • присутствие примесей;
  • оптические феномены;
  • акустические явления;
  • электрические разряды;
  • магнитные поля;
  • распространение электромагнитных колебаний;
  • протекание всевозможных химических реакций;
  • сгорание небесных тел;
  • другие процессы.

Кроме того атмосфера постоянно взаимодействует с Землей, на нее влияют рельеф поверхности, наличие крупных акваторий, хозяйственная деятельность человека, случайные флуктуации различных геофакторов.

Природные явления в атмосфере подчиняются фундаментальным законам физики и химии в классической интерпретации.

  1. Физические процессы в атмосфере
    • Атмосфера и солнечные лучи
    • Озоновая проблема
    • Что видят глаза в атмосфере
    • Акустика и атмосфера
  2. Химические процессы в атмосфере
    • Химические превращения естественного происхождения
  3. Заключение

Определение и генезис атмосферы

Чтобы изучать объект, надо ему дать определение, и, хотя бы в общих чертах представлять, как он возник. Под атмосферой в науке понимают окружающий нашу планету воздушный слой, удерживаемый гравитацией Земли. Формирование атмосферы зависело от становления Земли, она возникла, примерно 4,5 млрд. лет, когда планета преобразовалась в твердое тело.

В результате активной вулканической деятельности происходил постоянный выброс из недр Земли азотсодержащих газов, оксида углерода, углеводородов, в основном метана, воды в парообразной фазе.

Под влиянием ультрафиолетовых частот солнечного излучения вода разлагалась на свои составные элементы, аммиак продуцировал азот и водород. Водород поднимался в верхние слои, более тяжелые кислород и азот накапливались около земли.

Газовая оболочка земли ─ итог миллиардов лет геологической эволюции нашей планеты и деятельности экосистем. Они в свою очередь сами зависят от атмосферы, находясь с ней в сложной взаимосвязи. Состав сегодняшней атмосферы сформировался на основе динамического равновесия геохимических факторов и жизнедеятельности организмов.

Свойства и состав атмосферы по мере удаления от Земли меняются по вертикали, постепенно приближаясь к межзвездному веществу. Значимые изменения начинаются на высоте 11−12 тыс. км., воздушный слой до этой условной отметки называют тропосфера, он оказывает самое непосредственное влияние на планету и жизнь ее обитателей. Общая масса атмосферы оценивается в 5,2─5,3.1018 кг.

Состав газовой оболочки земли

Атмосфера является колоссальным химическим реактором для веществ, находящихся в ней. Из-за быстро меняющихся условий система находится в метастабильном состоянии. Тем не менее, основные компоненты, их концентрации остаются постоянными, по мнению, ученых в течение последних 50-ти млн. лет.

В первом приближении состав воздуха содержит:

Основные газы Концентрация, %
Азот (N2) 78,1
Кислород(O2) 20,9
Аргон (Ar) 0,9
Водяной пар до 0,1%

В микроскопических долях, измеряемых в PPB (particles per billion), количество данных частиц на миллион частиц воздуха в объеме присутствуют:

  • углекислый газ (CO2) – 383
  • неон (Ne) − 18,2
  • гелий (He) − 5,2
  • метан (CH4) − 1,7
  • криптон (Kr) − 1,1
  • водород (H2) − 0,6.

Содержание этих веществ разнится от времени года и региона. Молекулярная масса воздуха 29 g/mol. В атмосфере присутствуют бесчисленные следы еще тысяч химических соединений.

Превосходящий по содержанию другие элементы азот образовался в процессе окисления первоначальной смеси аммиака (NH4) и водорода кислородом. Содержание последнего начало возрастать, так как 3 млрд. лет назад активизировался фотосинтез вследствие появления большой массы растительного мира.

Инертные газы пополнили газовую оболочку Земли благодаря активности вулканов, и распаду радиоактивных элементов. Содержание благородных газов в атмосфере меньше, чем в космическом пространстве, видимо, они туда мигрируют. СО2 появился из недр извергающихся вулканов и, как продукт разложения биомассы.

Структура атмосферы по высоте

Атмосфера неоднородна по вертикали, поэтому ее физические параметры зависят от высоты, прежде всего, распределения температуры и массы.

Различают несколько наиболее важных областей, на которые делят атмосферу:

  • Тропосфера. Примыкающий к Земле слой до 12 км толщиной (в тропической зоне до 18), где сконцентрировано порядка 80% массы, и находится весь водяной газ. В тропосфере зарождаются туманы, облака, возникают осадки, грозовые явления. Следует подчеркнуть, солнечные лучи легко преодолевают тропосферу, нагревая поверхность земли. Сам нижний слой газовой оболочки нагревается от Земли. Поэтому температура с увеличением высоты падает.
  • Стратосфера. Характеризуется низкими температурами на высоте 20 км, примерно, минус 56°С. Интересно, что, начиная с 25-ти километровой отметки, температура в стратосфере растет, достигая на 50 км положительных значений. Сказывается поглощение квантов энергии ультрафиолетового спектра, нагревающей воздух.
  • Мезосфера. Температура около 90 км достигает 90°С, главенствует турбулентное перемешивание. Среда достаточно однородна, тяжелые и легкие газы не разделены.

Выше мезосферы располагается термосфера, подразделяющаяся на ионосферу и экзосферу. Для ионосферы присущи высокая степень разреженности воздуха и чрезвычайно сильная ионизация. Носители зарядов ─ атомарный кислород, электроны, реактивный свободный радикал окись азота (NO). Отмечаются случайные скопления электронов, называемые электронными облаками. Именно в этой области возникают знаменитые полярные сияния. Температура в ионосфере поднимается до 1000°С на высоте 800 км.

Экзосфера, начинающаяся выше 1000км, плавно трансформируется в межпланетное пространство. Разреженность газа здесь столь высока, а скорость его частичек огромна, что они облетают землю по эллиптической траектории, словно микроскопические спутники. Некоторые частички обладают второй космической скоростью и покидают земную атмосферу, рассеиваясь во Вселенной.

Физические процессы в атмосфере

При всех обстоятельствах в атмосфере, как и везде, действуют фундаментальные законы нашей Вселенной ─ закон сохранения массы и энергии, а также две базовые константы — скорость света и постоянная Планка.

Через газовую оболочку вокруг земли происходит взаимодействие планеты и космоса, заключающееся в обмене материей и энергией. Свое влияние мироздание осуществляет через физические поля, во многом определяющие свойства, состав, структуру атмосферы.

  • Электромагнитные колебания.
  • Гравитационное воздействие.
  • Магнитные поля
  • Потоки элементарных частиц, которые на основе принципа корпускулярно-волнового дуализма можно рассматривать как сверхвысокочастотный диапазон электромагнитных волн.

Атмосфера и солнечные лучи

Солнце имеет критически важное значение для выживаемости человечества, поэтому важно изучать его влияние на атмосферу и какие при этом происходят процессы.

В атмосферу поступает электромагнитный спектр солнечного излучения, от радиоволн до жестких рентгеновских лучей. Начинает он свою деятельность выше 1500 км, вступая в схватку с атомами водорода. Солнечные лучи отнимают у него единственный электрон, превращая в одинокий положительно заряженный ион, он же элементарная частица протон. Поскольку атмосфера на таких уровнях разрежена атакующая солнечная радиация почти не теряет энергии.

Но, проникнув на высоту 300 км, она встречает стойких бойцов. Ей последовательно противостоят атомы кислорода, азот, окись азота, последний рубеж держит О2. На высоте около 120 км солнечная армия остается без свирепого ультрафиолета с длиной волны 100─1020 А (ангстрем). Он растратил энергию на ионизацию, и его поглотили.

Одновременно задерживаются рентгеновское излучение(30-100 А). Часть рентгеновских лучей поддерживает ионизацию ионосферы в промежутке 90─130 км. Другая часть формирует ценой жизни нижний уровень ионосферы на высотах в районе 60 км. Полностью победить нейтральные частицы не удается, помимо ионизации идет обратный процесс их рекомбинации из ионов и электронов.

Ниже 100 км молекулы кислорода, подвергаясь диссоциации, поглощают электромагнитные волны длиннее 1020 А до 1760. Ниже 80 км, распадаясь на атомы, кислород не пропускает волны до 1925 А.

Несколько иной механизм взаимодействия газовой оболочки и солнечных лучей возникает на высотах от 20 до 30 км (зависит от широты). Там возникают условия для образования слоя озона (О3) путем соединения атомарного и молекулярного кислорода. К счастью для биоценоза озон эффективно поглощает солнечные лучи с длиной волны до 3100 А. Они примыкают к видимой части спектра, относятся к мягкому ультрафиолету, но для жизни остаются смертельно опасны. Их энергия идет на распад молекул озона.

Озоновая проблема

Над некоторыми областями земной поверхности отмечено уменьшение толщины озонового слоя, самое большое над Антарктидой. Это серьезная опасность для биологических существ.

Озон погибает, не только противостоя, ультрафиолету, но и чисто химическим путем. Различают водородный, азотный и галогенный цикл реакций, приводящих к уничтожению озона. Интенсивное развитие химической промышленности, особенно использование фреонов, привело к большим выбросам галогенов, прежде всего, хлора, нарушившими устоявшееся равновесие. Галогенный цикл начал уничтожать озон, приводя к образованию озоновых дыр. Впрочем, существуют иные мнения, связывающие вопрос исчезновения озона с циклическим характером природных процессов.

Что видят глаза в атмосфере

Без воды нет биологической жизни, но без нее невозможно представить и атмосферу. В разных модификациях люди могут непосредственно наблюдать ее в атмосфере. Ниже всех располагается туман ─ микроскопические капельки влаги, а при низких температурах льда. Он стелется по земле. В небе мы каждый день видим облака, состоящие из воды. Их классифицируют следующим образом.

Название облаков Высота над землей, км
Слоистые, кучевые, дождевые 0,4- 6
Высоко-кучевые, высоко-слоистые до 7,5
Перистые 15 — 18
Перламутровые 24 — 30

Слоистые облака это, по сути, туман, воспаривший вверх. Они могут образовываться на высоте от 30 метров. Кучевые облака отличаются белоснежностью, формируются в холодной части циклона. Дождевые облака обладают большой плотностью, темным до черного цветом. Ждите дождя.

Высоко-кучевые образования напоминают соединенные пластины, по краям видно свечение. От них к нам прилетают, кружатся отдельные снежинки. Сквозь облака просматривается Солнце с венчиком.

Перистые облака ─ волокнообразные формирования, напоминающие меридиональную разметку на карте. Состоят из кристалликов люда, поэтому преломленные лучи света рождают оптические иллюзии ─ гало.

Перламутровые облака наблюдаются в полярных широтах. Пары воды собираются вокруг центров конденсации. Такие ядрышки появляются в атмосфере из-за активности вулканов, в частности, выбросов сернокислотного аэрозоля.

На высоте 60─120 км происходит сгорание из-за трения о воздух метеоритных тел ─ космических пришельцев. Образуется метеорный газ, его возбужденные атомы и ионы излучают свечение.

Высоко, до уровня 1000 км, атомарные и молекулярные кислород, азот, водород, гелий, щелочные металлы соударяются с частичками солнечного ветра (элементарные частицы). Возникает полярное сияние.

Акустика и атмосфера

Воздух под воздействием возбудителя колеблется, распространяя звук, передавая акустическую информации. Без атмосферы мы бы не могли наслаждаться пением птиц, восхищаться чарующими мелодиями. Мы бы не слышали друг друга.

Химические процессы в атмосфере

Химические превращения в воздухе обусловлены двумя факторами. В первом случае поглощение энергии электромагнитного спектра солнечного излучения (фотохимия) приводит к распаду и появлению новых химических связей. Изменения второго типа происходят из-за столкновений молекул. Эти закономерности изучает химическая кинетика.

Химические процессы, идущие в атмосфере, условно можно поделить на вызванные естественными причинами и антропогенной природы.

Химические превращения естественного происхождения

В большинстве своем химические реакции в атмосфере возбуждаются под влиянием квантов солнечного света. Если энергия фотона достаточна для разрушения валентных связей внутри молекулы, она распадается. Процесс называется фотодиссоциация. Такой энергией обладает высокочастотное (жесткое) излучение ультрафиолетовой части солнечного спектра.

Особенно активно разрушается кислород с выделением его атомарной формы. Для инициирования процесса нужна не очень высокая энергия 495 кДж/моль, поэтому молекулярный кислород поглощает значительную долю ультрафиолета. На высоте более 400 км практически нет молекулярного кислорода, только его атомарная форма. Иное дело азот. Обладая высокой энергией связи, его молекула чрезвычайно устойчива и в атмосфере концентрация атомов азота пренебрежимо мала.

Пары воды в основном находятся вблизи земной поверхности, куда ультрафиолетовое излучение достигает слабо, растратив себя на разрушение субстанций в верхних слоях. Но малое количество молекул воды на больших высотах также диссоциирует с образованием водорода и гидроксильной группы.

Поскольку в воздушной оболочке земли много кислорода в ней доминируют окислительно-восстановительные реакции. По механизму протекания это многостадийные процессы с формированием и участием промежуточных ионов, способных к химическим
реакциям.

Многие газы, находящиеся в атмосфере, хорошо растворяются вводе, поэтому атмосферная влага имеет большое значение. В химии образования капель и туч большую роль в качестве окислителя играет озон.

Помимо продуктов распада основных элементов, из которых состоит атмосфера (О2 и N2), в реакции вступают другие газы, поступающие в атмосферу по естественным причинам.

  • вулканические извержения;
  • жизнедеятельность биоценоза;
  • испарения болот;
  • земная кора;
  • мировой океан.

Наиболее заметную роль в химических превращениях в воздухе играют гидроксильная группа. Гидроксил получается при фотохимической реакции разложения озона (О3). За свою короткую жизнь (менее 1 секунды) он вступает в реакции с газами, куда входят Н, С, О, N, S, превращая их в соединения (СО2, Н2SO4, другие), более легко удаляемые из атмосферы.

Химические процессы, возникающие из-за деятельности человечества

Хозяйственная деятельность человека приводит к появлению в атмосфере повышенных концентраций веществ по сравнению с естественным равновесным состоянием.

Проблема загрязнения окружающей среды из-за вредных выбросов в атмосферу является одним из опаснейших вызовов человечеству, угрожающих его существованию. Отмечается три главных источника загрязнения воздуха.

  • Отходы промышленности.
  • Сжигание теплоносителей в котельных.
  • Выхлопные газы двигателей автомобильного транспорта.

Вследствие работы теплоэлектростанций в окружающую среду попадает сернистый газ, углекислый. Металлургические заводы загрязняют среду обитания окислами азота, хлором, сероводородом, аммиаком, соединениями фосфора, ртути, многими иными небезопасными субстанциями.

Это первичные загрязнители, они вступают реакции, образуя вторичные. С большой интенсивностью сернистый газ (SO2) переходит в серный ангидрид (SO3), который взаимодействуя с влагой, дает серную кислоту (H2SO4). Если серный ангидрид вступит в реакцию с аммиаком (NH4) в небе мы будем иметь кристаллики сульфата аммония. Выпадающая с осадками серная кислота образует кислотные дожди, сжигающие окрестную листву, вызывающие респираторные заболевания у людей.

При неполном сгорании органического топлива в пространство выбрасывается оксид углерода (СО), знаменитый угарный газ. Он вступает в реакции со многими веществами, образуя продукты, создающие парниковый эффект.

Алюминиевые, заводы, предприятия, производящие удобрения, стекольные фабрики выбрасывают фторсодержащие вещества в газовой фазе. Они сами по себе вредны для здоровья, дальнейшие превращения загрязняют окружающую среду токсическими веществами еще сильнее. Тоже самое с хлором, активно участвующим в образовании паров соляной кислоты. Получаются угрожающие здоровью населения мышьяковистые, фосфорные соединения, вещества содержащие сурьму, свинец, редкие металлы.

Аэрозольное загрязнение

Особый класс представляют взвешенные в воздухе частицы, называемые аэрозолями. Как правило, они получаются в результате взаимодействия частиц между собой и парами воды. В больших количествах их продуцируют теплоэлектростанции ТЭС, химический состав отличается большой вариативностью, можно найти соединения железа, редких металлов, кремния, селена, других элементов периодической таблицы.

Частички взвеси могут также носить органическое происхождение, в частности в пыли находятся ароматические углеводороды (бензол и другие). Кроме того в атмосфере присутствуют свободные радикалы, насыщенные и ненасыщенные углеводороды, чьи гомологические цепочки могут содержать до 13-ти атомов углерода.

Эта масса подвергается процессам окисления, полимеризации, формирует соединения с иными загрязнителями под воздействием солнечной энергии. Углеводороды образуют вещества с оксидами азота, серы, перекисями. Зрительно аэрозоли воспринимаются как смог, дымка, мгла.

Заключение

Возникновение биологической материи, тем более высокоорганизованных форм возможно при сочетании многих факторов. Одной из основополагающих субстанции является подходящая для жизнедеятельности окружающая газовая среда. Атмосфера подательница жизни, ее защитница и фактор эволюции.

В тоже время она хрупка, по незнанию, неразумию, можно легко нарушить ее сбалансированное состояние, тогда мы получим карающего без разбора мстителя. Одна из насущных задач человечества научиться жить в согласии со всем мирозданием и с важнейшей для нас ее частью атмосферой. Человек не навреди миру, в котором живешь.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *