2.2. Химические реакции в атмосфере

Реакции, протекающие в атмосфере, можно классифицировать следующим образом [8].

Реакции фотодиссоциации. Фотодиссоциация – это распад молекул с образованием свободных радикалов в результате поглощения фотона. В качестве примеров можно привести следующие реакции:

О₂ + hv → 2О•. (2.14)

Н₂О + hv → Н• + ОН•. (2.15)

НО• + hv → Н• + О•. (2.16)

Реакции фотоионизации. Фотоионизация – это образование ионов из молекул и атомов под действием квантов света. К данным реакциям относятся следующие:

N₂ + hv → N₂⁺ + e^–, (2.17)

О₂ + hv → О₂⁺ + е^–, (2.18)

О• + hv → О⁺ + е^–, (2.19)

NО + hv → NO⁺ + е^–. (2.20)

Реакции между ионами. Реакции диссоциативной рекомбинации – это реакции иона с электронами с образованием нейтральных молекул, которые в разряженных условиях верхней атмосферы будут быстро диссоциировать. Например, следующие химические реакции:

N₂⁺ + е^– → N₂ → N• + N•, (2.21)

O₂⁺ + е^– → O₂ → O• + O•, (2.22)

NO⁺ + е^– → NO → N• + O•. (2.23)

Перенос заряда – это реакция молекулярного иона с нейтральной частицей, сопровождающаяся переносом электрона. Перенос заряда возможен, если энергия ионизации нейтральной молекулы меньше, чем энергия ионизации образующейся. К реакциям с переносом заряда относятся:

N₂⁺ + O₂ → N₂ + O₂⁺, (2.24)

O⁺ + O₂ → O• + O₂⁺. (2.25)

Реакции обмена – это реакции сопровождающиеся разрывом связей. Например, следующие реакции:

N₂⁺ + O• → NО⁺ + N•, (2.26)

O⁺ + N₂ → NО⁺ + N•. (2.27)

За счет всех выше перечисленных реакций в верхних слоях (выше 50 км) атмосфера становится электропроводной, и создаются слои отражающие радиоволны. Это позволяет проводить дальнюю радиосвязь вокруг Земли.

2.3. Состав атмосферы

Исходя из записанных выше реакций, атмосфера представляет собой смесь молекулярных, диссоциированных, ионизированных газов, находящихся на различных высотах, между которыми под действием солнечного излучения происходят постоянные химические реакции, обусловливающие возникновение как более легких, так и более тяжелых частиц. Это приводит к «перемешиванию» атмосферы и к постоянству ее основного состава. Различают постоянные, переменные и случайные составные части атмосферы [9].

Постоянные составляющие. К постоянным составляющим воздуха относятся азот, кислород, инертные газы (табл. 1). По ним состав воздуха в тропосфере, стратосфере и части ионосферы одинаков по всей высоте и над любой точкой поверхности.

Таблица 1

Количественный состав атмосферы по основным составляющим

Компонент	Объемная доля, %	Массовая доля, %
Азот	78,16	75,50
Кислород	20,90	23,20
Аргон	0,93	1,28
Неон и другие инертные газы	0,01	0,02

Переменные составляющие. К переменным составляющим относятся углекислый газ и водяной пар. Их содержание в воздухе меняется.

Содержание углекислого газа изменяется в пределах одной сотой процента в ту и другую сторону от средней величины, которая составляет 0,3% от объема атмосферы. Ежедневно на Земле сжигается несколько миллионов тонн топлива, следовательно, среднее содержание углекислого газа увеличивается.

Важная составная часть атмосферы – водяной пар. Его концентрация составляет около 0,16% от объема атмосферы, колеблясь от 3% у земной поверхности до 0,00002% в Антарктиде. С высотой его количество быстро убывает. В результате конденсации водяного пара в капли образуются облака. Облака, которые обычно закрывают около половины всей поверхности Земли, находятся в тропосфере. В верхней части атмосферы облака редки. Это так называемые перламутровые или серебристые облака.

Случайные составные части. Содержание случайных веществ зависит от источника их выделения, количества выхода в атмосферу, метеорологических условий и от плотности рассматриваемых примесей. Если выделяющиеся примеси легче воздуха, то они быстрее рассеиваются в верхних слоях атмосферы. Тяжелые примеси более длительное время задерживаются у поверхности Земли и могут даже устойчиво заполнять неровности местности (овраги, рвы, впадины).

Случайными примесями являются различные газы, образующиеся в результате жизнедеятельности организмов, разложения органических веществ, пожаров, деятельности вулканов или иных выбросов природных газов в атмосферу, а также газы, образующиеся в результате промышленной деятельности человека. Можно привести следующие примеры случайных газов: сернистый газ, вблизи металлургических заводов; аммиак, образующийся в результате распада органических остатков; радиоактивные примеси.

На высоте 90 км химический состав атмосферы сильно изменяется. Она обогащается легкими газами. Выше 600 км в атмосфере преобладает гелий, а выше 1600 – водород.