Состав воздуха в приземном слое

Компонент	Содержание, %
Азот N2	78,084
Кислород O2	20,948
Аргон Ar	0,934
Диоксид углерода CO2	0,033
Неон Ne	0,001818
Гелий He	0,000524
Метан CH4	0,0002
Криптон Kr	0,000114
Водород H2	0,00005
Оксид азота (1) N2O	0,00005
Ксенон Xe	0,0000087

Примечание. Озон O₃, диоксид серы SO₂, оксид азота NO₂, аммиак NH₃, оксид углерода СО присутствуют в качестве примесей, и их содержание может меняться.

Кроме главных газов в воздухе присутствуют и различные следовые газы, время жизни которых приведено в таблице 55.

Хотя на верхние зоны атмосферы приходится лишь небольшая часть ее массы, эти верхние слои в значительной мере определяют жизнь на поверхности Земли. Они защищают нашу планету от потока лучей и града частиц высоких энергий. В результате такого воздействия молекулы и атомы подвергаются химическим превращениям. Диффузное разделение (более тяжелые внизу, более легкие наверху) за длительный период привело к тому, что на высоте 500 – 1000 км элемент гелий становится основным компонентом атмосферы. Гелиевая корона Земли простирается примерно до 1600 км, а выше 2000 – 3000 км преобладает водород.

Фотохимические реакции в атмосфере. Фотохимическими называются все реакции, в которых энергия, необходимая для их протекания или возбуждения, вводится в реакционную среду в форме электромагнитных колебаний – видимого света, ультрафиолетовых лучей или, реже, инфракрасных лучей.

Еще в 1817 году Ф. Х. Гроттус установил, что химически активен лишь тот свет, который поглощается реакционной средой. Фотохимическое действие света заключается в том, что атомы или молекулы реагирующего вещества, поглощая кванты света, возбуждаются, т.е. увеличивается их внутренняя энергия и, в зависимости от количества поглощенной энергии, они подвергаются диссоциации, либо ионизации.

Образующиеся в процессе ионизации молекулярные (NO⁺) и атомарные (О⁺) ионы существуют миллионные доли секунды, обладают чрезвычайной реакционной способностью и при столкновении с другими частицами немедленно с ними реагируют. При этом возможны многочисленные варианты.

Рассмотрим реакции, происходящие в верхних слоях атмосферы, где основными ее компонентами являются кислород и азот.

Под действием ультрафиолетового излучения могут происходить реакции ионизации, диссоциации, переноса заряда, рекомбинации, обменные реакции и реакции аллотропического видоизменения.

1. Реакции ионизации:N₂ + hν → N₂⁺ + ē

O₂ + hν → O₂⁺ + ē

NO + hν → NO⁺ + ē

В процессе реакций ионизации при поглощении кванта УФ излучения происходит только ионизация молекулы, а связь между атомами молекулы не разрывается.

2. Реакции диссоциации:

H₂O + hν → H⁺ + OH^-

OH^- + hν → H + O

O₂ + hν → 2O

В процессе этих реакций связи между атомами молекулы разрываются и атомы, составляющие молекулу, становятся самостоятельными частицами.

3. Реакции переноса заряда:

О ⁺ + О₂ → О + О₂⁺

e

N₂⁺ + NО → N₂ + NO⁺

e

Когда молекулярный или атомарный ион сталкивается с какой-либо нейтральной частицей, между ними может произойти перенос электрона. Такие реакции возможны, если энергия ионизации молекулы, теряющей электрон, меньше энергии ионизации молекулы или атома, приобретающих электрон.

E(NO) = 890 кДж/моль, а E(N₂) = 1495 кДж/моль

Реакция переноса заряда не сопровождается разрывом химической связи, осуществляется только перенос электрона от одной частицы к другой.

4. Реакции рекомбинации:N₂⁺ + ē → N + N

NO⁺ + ē → N + O

O₂⁺ + ē → O + O

Если молекулярный ион сталкивается с электроном, то наиболее вероятна рекомбинация иона с электроном, сопровождающаяся диссоциацией иона. Такие реакции называются реакциями диссоциативной рекомбинации. Атомарный азот в верхних слоях атмосферы образуется исключительно в результате такой реакции.

4. Обменные реакции:

O⁺ + N₂ → N + NO⁺

N₂⁺ + О → N + NO⁺

Обменные реакции протекают в атмосфере достаточно легко и результатом этих реакций, чаще всего, является образование молекулярного иона окиси азота (NO⁺). Поскольку энергия ионизации иона окиси азота (NO⁺) одна их самых низких из всех частиц находящихся в верхних слоях атмосферы, ионы окиси азота практически не могут ничем нейтрализоваться, поэтому этот ион является многочисленным в ионосфере.

4. Реакции ассоциации (аллотропического видоизменения):

О ₂ + О О₃

Реакции аллотропического видоизменения являются реакциями, в результате которых из одного и того же химического элемента образуется несколько простых веществ, способных к длительному существованию. Подобно обычному кислороду озон является простым веществом.

Если химический элемент способен существовать в нескольких различных формах, то их называют аллотропическими видоизменениями данного элемента. Кроме озона и кислорода, аллотропическими видоизменениями, например углерода, являются углерод, графит, алмаз.

В мезосфере и стратосфере (это высоты примерно от 50 до 150 км) концентрация молекулярного кислорода превышает концентрацию атомарного, поэтому атомы кислорода часто сталкиваются с молекулами кислорода, что приводит к образованию озона.

Эта реакция обратима и, если молекула озона не отдаст часть своей энергии путем столкновения с другой молекулой, например, азота или кислорода, то молекула озона распадется. Молекулы озона под влиянием силы гравитации постоянно опускаются в стратосферу, где молекул азота и кислорода существенно больше и, естественно, у молекул озона гораздо больше шансов «выжить».

Все эти химические процессы, в основном, осуществляются в термосфере и, поскольку в результате этих процессов образуются ионы, термосферу еще называют ионосферой. Молекулы азота, кислорода, окиси азота и атомы кислорода взаимодействуют с наиболее жесткой частью ультрафиолетового излучения в диапазоне 80-135 нм и поглощают его. Таким образом в ионосфере отфильтровывается наиболее губительная для всего живого коротковолновая часть ультрафиолетового излучения.

В стратосфере озоновый слой, образовавшийся из молекул озона, опустившихся из термосферы, практически полностью поглощает длинноволновую часть ультрафиолетового излучения:

O₃ + hν → O₂ + О

Озоновый слой не является чем-то постоянным. Какая-то его часть постоянно разрушается, и в то же время он пополняется за счет оседания новых молекул озона из вышележащих слоев атмосферы, т.е. он находится в динамическом равновесии.

Ряд химических процессов, происходящих в атмосфере, существенно сдвигают это равновесие в сторону уменьшения озона.

Установлено, что окись азота (NO) и фреоны активно разрушают озон:

O₃ + NO → NO₂ + O₂;

CCl₂F₂ + hν → CClF₂⁺ + Cl^-

Cl + O₃ → ClO + O₂.

Эти реакции мы рассматривает потому, что в результате антропогенной деятельности в атмосферу выбрасывается огромное количество окиси азота и фреонов. Например, сверхзвуковые самолеты выбрасывают в атмосферу до 1 миллиона тонн окиси азота в год (18 г на 1 кг топлива); сжигание топлива автомобилями и другими двигателями внутреннего сгорания – до 3 миллионов тонн окиси азота в год.

Проблема истощения озонового слоя возникла со времени открытия британцами в 1985 году озоновой дыры (существенного уменьшения количества озона) над Антарктикой, а позже над Арктикой. Основной опасностью сокращения уровня озона в озоновом слое следует считать изменение температурного режима планеты и увеличение интенсивности жесткого ультрафиолетового излучения (УФ-Б), которое губительно действует на живые организмы. Было установлено, что одной из главных причин разрушения озонового слоя являются химические вещества, выбрасываемые в атмосферный воздух в результате антропогенной деятельности. Наиболее опасными веществами являются хлорфторуглероды (ХФУ), которые, являясь стойкими в тропосфере, разрушаются в стратосфере под действием ультрафиолетового излучения с образованием свободного радикала хлора, который, вступая в реакцию с молекулой озона, разрушает ее. Наиболее угрожающим является то, что озоновую дыру обнаружили в «мертвой зоне», где озон мог только сохраняться и накапливаться, но никак не уменьшаться. Наблюдения и исследования этого явления позволили установить, что это стало следствием накопления в атмосфере озоноразрушающих веществ и метеорологических условий, характерных для Антарктики в этот период.

Истощение озонового слоя может привести к негативным последствиям на всей планете. Примером сложившейся опасности служит эксперимент, проведенный в США на одном из островов Карибского бассейна. Эксперимент заключался в распылении над озоновым слоем вещества, которое полностью связывает озон. В результате за несколько часов воздействия УФ-Б все живое на острове было уничтожено. Исключение составили несколько черепах, которых предохранил панцирь.

В сентябре 1985 года в рамках ЮНЕП была принята Венская конвенция об охране озонового слоя, которая вступила в силу 22 сентября 1988 года. Ее целью является защита здоровья людей и окружающей среды от неблагоприятного воздействия изменений состояния озонового слоя. Положениями конвенции предусматривались исследования, обмен информацией и сотрудничество заинтересованных сторон. Указан также перечень веществ, влияющих на состояние озонового слоя.

Продолжением работы над сохранением и слежением за состоянием озонового слоя Земли стал Монреальский протокол 1987 года, который был принят в сентябре 1987 года. Целью протокола является обеспечение охраны озонового слоя путем принятия превентивных мер по надлежащему регулированию всех глобальных выбросов веществ, разрушающих озоновый слой, с целью добиться в конечном итоге их устранения.

Основой для реализации мероприятий согласно протоколу является уменьшение, а во многих случаях и прекращение производства и потребления озоноразрушающих веществ (в основном к ним относятся различные виды фреонов) путем замены их на другие, не влияющие на состояние озонового слоя, вещества. В протоколе указан список основных производимых в мире классов и видов озоноразрушающих веществ с расчетными коэффициентами озоноразрушительной способности, указаны сроки уменьшения и прекращения их производства и/или потребления.