Курс «Физика и химия атмосферы» Лекция №2



Скачать 99.64 Kb.
Дата27.10.2012
Размер99.64 Kb.
ТипДокументы
Курс «Физика и химия атмосферы»

Лекция №2.
Химические и фотохимические реакции в атмосфере. Углекислый газ. OH и его роль в химии атмосферы. Озон – образование, распад, динамическое равновесие. Влияние аэрозоля и загрязняющих атмосферу газов на состав атмосферы.
Химические и фотохимические реакции в атмосфере

Атмосферу можно рассматривать как большой химический реактор, в котором идут химические реакции между составляющими ее реагентами. Вращение Земли, наличие солнечного излучения, изменение давления и температуры, отличия в типе нижней границы (поверхности) и открытость верхней границы, появление все новых и новых реагентов делают состояние атмосферы неравновесным.

Несмотря на разнообразие условий, в которых протекают химические реакции и возрастающую роль индустриальной активности человека, пополняющего атмосферу новыми и новыми реагентами, измерения показывают, что концентрация основных химических компонент атмосферы практически не меняется столетиями. Основные газовые составляющие атмосферы: азот (N2), примерно 78%, кислород (O2) около 21% и аргон (Ar), примерно 1%. В таблице приведены средние концентрации основных газовых составляющих атмосферы.







Основные газовые сотставляющие

%




Азот, N2

78.084%




Кислород, O2

20.946%




Аргон, Ar

0.934%




Водяной пар, Н2О

переменная составляющая;
примерно 0.1 % - 1%

Малые газовые составляющие ppm




Углекислый газ, CO2

383




Неон, Ne

18.
18




Гелий, He

5.24




Метан, CH4

1.7




Криптон, Kr

1.14




Водород, H2

0.55




Таблица 1. Концентрации некоторых газов Н2О, CO2, CH4 заметно варьируются от сезона к сезону и места. Единицы ppm означают количество данных молекул на миллион молекул воздуха. Молекулярная масса воздуха 28.97 g/mol.

Остальную часть около 1% составляют многочисленный малые газовые составляющие, включающие парниковые газы: H2O, CO2, CH4, O3, N2O, NO2, NO, CO, HNO3 - и около тысячи других химических соединений, многие из которых появились в результате человеческой деятельности. Значительные изменения химического состава атмосферы происходили ранее, но на геологических масштабах времени. Однако в последнее время обнаружены существенные изменения концентраций таких важных составляющих атмосферы как: O3, CO2, CH4.

Химические превращения в газовой атмосфере происходят либо при разрыве химических связей в молекулах, обусловленном поглощением солнечного излучения либо при разрыве (образовании новых) химических связей при столкновении молекул. Превращения первого типа называются фотохимическими реакциями и изучаются в атмосферной фотохимии. Химические превращения, инициированные столкновениями молекул, изучаются на основе химической кинетики. Закон сохранения массы является базовым физическим принципом, управляющим поведением реагентов в атмосфере. Для изменения количества одного выбранного реагента в выделенном объеме воздуха можно записать балансные соотношения:



Где ,- скорость вноса реагента в объем и выноса его через границу выделенного объема, , - скорость образования и уничтожения реагента в результате химических процессов происходящих внутри объема. Информативной характеристикой поведения реагента в атмосфере является время его жизни



Основными естественными источниками атмосферных газов являются: биогенные источники, земная кора, океан и непосредственной образование газов в атмосфере в результате химических реакций.
Биогенный источник

Согласно современным гипотезам Земная атмосфера сформировалась под воздействием биоты и ключевые ее компоненты контролируются биотой в процессе фотосинтеза. Реакцию фотосинтеза можно представить в простейшем виде как:

(1)

Где - энергия поглощаемого кванта солнечного света, - газ, -жидкость, - твердая фаза. В результате фотосинтеза из атмосферы удаляется СО2, а в атмосферу поступает О2. n – число атомов, n=6 – глюкоза С6Н12О6

По оценкам около 80% всего СН4 поступает в атмосферу вследствие распада органики под воздействием анаэробных бактерий. Источниками эмиссии метана в атмосферу являются болотные экосистемы, рисовые поля, термиты, жвачные животные, мусорные свалки. Остальные около 20% - это геологический метан, поступающий в атмосферу из разломов в земной коре и в результате утечек при добыче и транспортировке природного газа и нефти.

Биологические процессы под воздействием бактерий преобразуют N2 в NH3 (изначально через мочу животных), в N2O (из-за дыхания бактерий в почве) и NO.

Области океана с высоким содержанием органических веществ, районы апвеллинга, прибрежные воды, солончаковые болота, являются основными источниками эмиссии СS2 и COS в атмосферу. Фитопланктон – основной источник СН3S2CH3, который окисляется до SO2 и затем до сульфатного аэрозоля. При микробиологическом разложении органики в атмосферу выделяется H2S. Такой газ как метил хлорид (CH3Cl), поступает в атмосферу из морской воды, гумуса и при горении биомассы.
Земная кора

Различные газы поступают в атмосферу из земной коры при вулканических извержениях. Это H2O, CO2, SO2, H2S, COS, HCl, HF, HBr, CH4, CH3Cl, H2, CO, а также тяжелые металлы. Из земной коры идет эмиссия газов как He, Ar и радона (Rn), при разложении карбонатов земной коры (CaCO3) в атмосферу поступает углекислый газ.
(2)
Запасы углекислого газа в земной коре примерно в 100 000 больше, чем в его количество в атмосфере Земли. Карбонаты земной коры и морских отложений участвуют в долгопериодном цикле атмосферного CO2.

Океан

Океан является огромным резервуаром растворимых газов, являясь одновременно как источником так поглотителем растворимых газов. Растворимость газов в жидкости (моль/литр) пропорциональна парциальному давлению газа над поверхностью жидкости (закон Генри):
(3)

Где - константа Генри, зависящая от температуры жидкости. Для СО2 константа Генри при комнатной температуре воды равна . Так как его парциальное давление в современной атмосфере , то оцененное таким образом равновесное количество растворенного углекислого газа в верхнем слое океанической воды составляет соответственно или около 0.6 г/м3. Так как константа Генри уменьшается с ростом температуры, то растворимость углекислого газа в океане падает при повышении температуры его поверхности и океан становится источником эмиссии углекислого газа в атмосферу. При понижении температуры океана он становится стоком для атмосферного СО2.
Образование в атмосфере

Непосредственное образование в атмосфере ее химических составляющих может происходить в результате взаимодействия различных атмосферных следовых газов. Такие химические реакции могут быть классифицированы как гомогенные и гетерогенные. К гомогенным реакциям относят такие, в которых все взаимодействующие реагенты находятся в одной фазе. Например, реакция:
,
где все реагенты – газовые составляющие атмосферы является гомогенной газо-фазной реакцией. Гетерогенными реакциями называются такие, когда в реакцию вовлечены реагенты, находящиеся в двух или более фазах. Например, при смешивании в атмосфере капельных жидких неорганических аэрозолей, таких как: или с органическими молекулами, и другими, находящимися в газовой фазе, происходят гетерогенные реакции.
Транспорт реагентов в атмосфере

В результате турбулентных потоков в атмосфере происходит перенос атмосферных компонент, как в горизонтальном, так и вертикальном направлении и их перемешивание. Процесс переноса атмосферных компонент и их перемешивания наиболее быстро протекает в тропосфере в пределах одного полушария, в то время перемешивание между тропосферой и стратосферой, а также между полушариями (северным и южным) протекают существенно медленнее.
Сток реагентов из атмосферы

Финалом жизни химических реагентов в атмосфере является их вывод (сток) из нее. Процесс стока включает трансформацию реагентов в другие и преобразование газ-частица, которые могут происходить в результате как химических, так и физических процессов в атмосфере. Важным процессом вывода газов и аэрозоля из атмосферы является их сток и отложение на земной поверхности и в растительности. Отложение есть двух типов: влажное и сухое. Влажное отложение – вымывание газов и аэрозольных частиц из воздуха облаками и осадками. Сухое отложение – прямой сбор газов и аэрозоля из воздуха растительностью, а также твердой и жидкой поверхностями. Несмотря на то, что сухое отложение по скорости значительно более медленный процесс, чем влажное отложение, он действует постоянно, а не эпизодически как влажное отложение только в процессе выпадения осадков.
OH и его роль в химии атмосферы

Сильным реагентом, участвующим во многих атмосферных реакциях является гидроксил OH. Он образуется в результате фотохимических реакций, как в стратосфере, так и в тропосфере. Он производится при разложении молекулы озона O3 под действием солнечного излучения ультрафиолетового диапазона с и последующим взаимодействии образовавшихся возбужденных атомов кислорода с парами воды:





Средняя концентрация OH в атмосфере . Из-за его сильной реактивности характерное время его жизни в атмосфере . Реакции с гидроксилом, являются основным механизмом стока многих атмосферных газов, он активно взаимодействует почти со всеми газами содержащими H, C, N, O, S. Например, реагируя с CO, он образует CO2 , из NO2 образует HNO3, H2S преобразует в SO2, а SO2 в H2SO4. Основным глобальным механизмом стока OH в тропосфере является окисление CO и CH4. В лиственных лесах OH может реагировать с изопереном C5H8.
Озон – образование, распад, динамическое равновесие

Озон – метастабильное соединение, молекула которого (O3) состоит из трех атомов кислорода O. Он играет важную роль в окислительных процессах и кроме того поглощает ультрафиолетовое излучение, губительно действующее на живые организмы. Атмосферный озон образуется при взаимодействии молекулярного и атомарного кислорода, появляющегося в результате распада молекулы кислорода O2 при поглощении кванта из коротковолновой области ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, для образования озона необходимы две составляющие - кислород и жесткое ультрафиолетовое излучение. В нижней тропосфере много кислорода, но мало жесткого ультрафиолета, в верней стратосфере много жесткого ультрафиолета, но мало кислорода, в результате имеется оптимум, где поддерживается максимальная концентрация озона. Это нижняя часть стратосферы примерно 20-30 км.

Изменение с высотой содержания озона в воздухе особенно интересно. У земной поверхности озон содержится в ничтожных количествах. С высотой содержание его возрастает, причем не только в процентном отношении, но и по абсолютным значе­ниям. Максимальное содержание озона наблюдается на высотах 25—30 км; выше оно убывает и на высотах около 60 км сходит на нет.

Процесс образования озона из кислорода происходит в слоях от 60 до 15 км при поглощении кислородом ультрафиолетовой солнечной радиации. Часть двухатомных молекул кислорода разлагается на атомы, а атомы присоединяются к сохранив­шимся молекулам, образуя трехатомные молекулы озона. Одно­временно происходит обратный процесс превращения озона в кислород. В слои ниже 15 км озон заносится из вышележа­щих слоев при перемешивании воздуха.

Возрастание содержания озона с высотой практически не ска­зывается на доле азота и кислорода, так как в сравнении с ними озона и в верхних слоях очень мало. Если бы можно было со­средоточить весь атмосферный озон под нормальным давлением, он образовал бы слой только около 3 мм толщиной (приведен­ная толщина слоя озона). Но и в таком ничтожном количестве озон важен потому, что, сильно поглощая солнечную радиацию, он повышает температуру тех слоев атмосферы, в которых он находится. Ультрафиолетовую радиацию Солнца с длинами волн от 0,15 до 0,29 мкм (один микрон — тысячная доля миллиметра) он поглощает целиком. Эта радиация производит физиологиче­ски вредное действие, и озон, поглощая ее, предохраняет от нее живые организмы на земной поверхности.

В 1930 г. Чепмэн предложил простейшую схему химических реакций поддерживающих стационарную концентрацию O3 в стратосфере, где кислород участвует в следующих реакциях озонообразования. Реакция диссоциации O2 под воздействием ультрафиолетового солнечного излучения с длиной волны



Реакция взаимодействия атомарного и молекулярного кислорода:



где третья частица, уносящая избыток энергии возбужденного атома кислорода представляет в основном , а также другие молекулярные составляющие атмосферы, реакция фотодиссоциации O3 под воздействием ультрафиолетового солнечного излучения с длиной волны



и реакция комбинации атомного кислорода с озоном с образованием



Вышеприведенные реакции образования и разложения озона называются реакциями Чепмэна, скорость которых зависит от температуры.

Важными озоновыми проблемами современности является антропогенное возмущение стратосферного озона (уменьшение озона в стратосфере Антактиды) и накопление озона в тропосфере.

Похожие:

Курс «Физика и химия атмосферы» Лекция №2 iconПрограмма томск 2011 Программный комитет конференции Сопредседатели
Работа Конференции «фос-2011» и Конференции d (Физика атмосферы) XVII международного симпозиума «Оптика атмосферы и океана. Физика...
Курс «Физика и химия атмосферы» Лекция №2 iconЭлективный курс Бегство от удивления
Данный курс для предпрофильной подготовки учащихся 9-х классов включает вопросы таких школьных дисциплин, как физика, химия, а также...
Курс «Физика и химия атмосферы» Лекция №2 iconПрограмма дисциплины «Химия атмосферы»
«Экология, рациональное природопользование», «Химия»(специализация «Химия окружающей среды») по циклу «Общие профессиональные дисциплины...
Курс «Физика и химия атмосферы» Лекция №2 icon25. 00. 29 Физика атмосферы и гидросферы
Кроме того, она включает экспериментальное и теоретическое изучение строения и физики средней и верхней атмосферы Земли от стратосферы...
Курс «Физика и химия атмосферы» Лекция №2 iconЛекция (биология, химия, физика) для учащихся 10 профильного класса по теме
Цель урока: Вырабатывание единой естественнонаучной картины мира; научиться анализировать
Курс «Физика и химия атмосферы» Лекция №2 iconЧерез кого
Физика (в т ч оптика, акустика, ядерная физика, математическая физика), механика (техническая механика), астрономия, химия и химическая...
Курс «Физика и химия атмосферы» Лекция №2 iconПрограмма «Химия и пища»
Методический журнал «Химия в школе» 2004-2008 г г. Факультативный курс «Химия и пища» С. И. Стройкова, пу №22 г. Кириши Ленинградской...
Курс «Физика и химия атмосферы» Лекция №2 iconЛекция №1 (биология, химия, физика) для учащихся 10 профильного класса по теме
...
Курс «Физика и химия атмосферы» Лекция №2 iconЛекция «Тренды в биоинформатике»
Студенты и аспиранты, обучающиеся по специальностям: биохимия, химия природных соединений, органическая химия, технология производства...
Курс «Физика и химия атмосферы» Лекция №2 iconРабочей программы дисциплины Физическая химия
Изучению курса предшествует следующие дисциплины: неорганическая химия, математика, физика, информатика
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org