13

Хімічна екологія атмосфери

1. Будова атмосфери, її утворення й еволюція.

2. Джерела забруднення атмосфери.

1. Будова атмосфери, її утворення й еволюція.

Атмосфера — це могутня газова оболонка Землі, що характеризується різко вираженою неоднорідністю будови і складу. Її маса складає 5 ∙10¹⁵ т. Дев'ять десятих цієї маси зосереджено в самому нижньому шарі товщиною в 17 км, хоча в цілому ознаки чітко фіксуються і на висоті 20 тис. км від поверхні Землі.

Сучасну атмосферу, імовірно, варто розглядати як споконвічну, оскільки її стан відрізняється від первинного тільки видаленням водню і гелію, зміною молекулярного складу в результаті фотосинтезу і помітним переходом Карбону (головним чином у вигляді кальцій карбонату) у земну кору.

До висоти 1000 км атмосферу підрозділяють на чотири внутрішні оболонки і зовнішню-екзосферу:

• Тропосфера (8-10 км)(16-18км),тропопауза-220 К

• Стратосфера (25-нижня,50-55 км-верхня), 35-озоновий шар; стратопауза-273 К

• мезосфера (80 км), мезопауза- 190 К

• термосфера (іоносфера) (170 км)

• екзосфера починається з 1000 км

Продовженість тропосфери- 8—10 км у полярних областях і 16—18 км біля екватора. Ця частина атмосфери як найбільш щільна безпосередньо граничить з поверхнею океану і суші, обумовлюючи тим самим визначений обмін речовин.

Температура тут зменшується з 290 К з висотою до 6°С на кожен кілометр. Верхня границя тропосфери представлена шаром, звичайно називаним «тропопаузою», температура в якому складає ~215-220 К.(-53⁰С)

Стратосфера, розташована над тропосферою, також підрозділяється на дві зони:

• нижню, з температурою, характерною для тропопаузи, і сягаючої висоти 25 км

• верхню, що простирається до висоти 50 км і називану областю інверсії.

У цій області температура починає зростати і, досягаючи 273-275 К, залишається незмінної аж до висоти 55 км. Ця вузька область постійної температури, називана стратопаузою, є верхньою границею стратосфери.

В стратосфері на висоті близько 35 км розташований озонний захисний шар, що визначає верхню межу життя в біосфері.

Вище стратопаузи розташовується мезосфера, що досягає висоти 80 км від рівня моря, що характеризується продовженістю 25 км. У мезосфері відбувається зниження температури з висотою. Верхньою границею мезосфери є мезопауза, у зоні якої температура досягає —180-190 К (-100⁰С).

Після мезопаузи температура в атмосфері знову зростає.

Ця область потужністю 90 км називається термосферою. У верхній частині термосфери температура досягає 1000 К. Термосферу часто називають ще іоносферою.

Граничні поверхні між різними шарами атмосфери відіграють важливу роль, оскільки вони зумовлюють дуже повільне перемішування сусідніх шарів, і, відповідно, також вкрай повільне перемішування забруднень.

Майже до висоти 90 км відносний склад атмосфери сталий, а середня молекулярна маса- 28.96 а.о.м. Вище 90 км середня молекулярна маса повітря різко зменшується, що відповідає істотній зміні складу атмосфери: на великих висотах пнрнважають частинки, на які слабко діють сили гравітації.

Зовнішньою оболонкою атмосфери є екзосфера, що починається з висоти 1000 км і простирається на величезні відстані, поступово переходячи в міжпланетний простір. Екзосфера є областю диссипації атмосферних газів. Диссипація — це процес подолання атомами й іонами поля притяжіння Землі. У результаті диссипації не тільки Земля, але й інші планети (Меркурій, Марс) повинні були втратити ту чи іншу кількість атмосферних газів.

Явище диссіпації пов'язане із зростанням розрідженості атмосфери при збільшенні висоти. Унаслідок цього зіткнення атомів стають усе рідше, а величина вільного пробігу значно зростає. Так, наприклад, на висоті 100 км величина вільного пробігу складає 10 см, а на висоті 220 км досягає 870 м. Кінетична енергія при таких зіткненнях стає настільки великою, що температура в термосфері піднімається на сотні градусів. Якщо швидкість атомів і іонів при зіткненні перевищує 11 км/с, то атоми й іони можуть легко залишити поле притяжіння Землі.

Внаслідок вбирання атмосферними частинками енергії Сонця спостерігається дисоціація та іонізація атомів і молекул. Наприклад, молекула кисню дисоціює на атоми:

О₂(г) + hν = 2О.

Перебіг такого типу процесів накопичення легших частинок спричинює зменшення середньої молекулярної маси атмосфери у найвищих її шарах.

Вищі шари атмосфери першими стикаються з величезною руйнівною силою випромінювання і частинками високої енергії, які прилітають із космосу. Випромінювання з високою енергією здатне спричиняти хімічні перетворення, зокрема фотодисоціацію молекул кисню, тобто, дисоціюючи, молекули кисню „гасять” космічні , γ-, рентгенівські та частину ультрафіолетових променів з високою енергією. Так, на висотах порядку 400 км близько 99% кисню перебуває у дисоційованому стані.

Азот в атмосфері не відіграє ролі. подібної до ролі кисню. Його молекула дуже міцна, вона погано вбирає фотони і тому у високих шарах атмосфери атомів Нітрогену утворюється дуже мало.

Важливим фотохімічним процесом у верхніх шарах атмосфери є фотодисоціація молекул води.

Н₂О + hν = ^.Н (г) + ^.ОН(г)

^.ОН(г) + hν = ^.Н (г) + ^.О^. (г)

Процес фотодисоціації води міг відіграти велику роль на ранніх стадіях історії Землі, коли ще не була сформована киснева атмосфера.

Ракети, запущені в 60-х роках убік Місяця, дали досить надійну інформацію про те, що Земля в радіусі 20 тис. км оточена іонізованим газом. Очевидно, це та область, у якій відбувається обмін між земною і космічною газоподібною речовиною. З кінетичної теорії газів випливає, що температура газу теоретично визначається середньою енергією руху складових його часток.

В міру видалення від Землі середня швидкість часток зростає і для міжзоряного газу досягає величин, що відповідають температурам порядку 10000°С. Це, однак, не означає, що таку температуру показав би термометр, поміщений у міжзоряний простір. Навпаки, він показав би дуже низьку температуру, близьку до —270 °С. Термометр реєструє не енергію руху кожної окремої частки, а загальну енергію, що повідомляється йому ударами навколишніх часток. Таких ударів за одиницю часу, звичайно, тим більше, ніж значніше число молекул в одиниці об'єму газу. Кожен кубічний сантиметр повітря біля поверхні Землі містить 27∙10¹⁸ молекул. Тим часом, кубічний сантиметр міжзоряного простору містить усього лише кілька часток. Саме тому міжзоряний простір одночасне і винятково «холодний» і надзвичайно «гарячий».

Існують підстави затверджувати, що «верхня границя атмосфери» — це чисто умовне поняття, оскільки на якій би висоті ми ні брали цю границю, завжди можна буде сказати, що вище цієї границі знаходиться об’єм повітря не менший, ніж нижче неї, тому що щільність повітря убуває з тиском.

Теоретично, можна очікувати, що гази в атмосфері повинні розподілятися відповідно до їхньої молекулярної маси (більш важкі внизу, більш легкі вгорі). Виходячи з цього, очікується, що на висоті 100 км атмосфера буде складатися з 95,6% водню, 3% азоту, 1,3% гелію і 0,11% кисню, а на висоті, що перевищує 100 км,—винятково з водню. Тим часом, у дійсності це зовсім не так.

Вивчення спектрів північного сяйва і власного світіння нічного неба показало, що на висотах понад 100 км завжди присутні лінії і смуги, що відносяться до азоту і кисню, а поглинання водню не вдавалося знайти. З цим погоджуються і результати прямого аналізу, проведеного на різних висотах. Виявилося, що повітря в межах помилки досліду (0,1%) завжди те саме. Розходження розрахункових і експериментальних даних у свій час поряснювали тим, що до складу повітря входить який-небудь легкий невідомий газ, називаний тоді (1910 р.) геокоронієм. Зелена лінія з довжиною хвилі 5577А, що спостерігається в північних сяйвах, приписувалася саме геокоронію.

Однак пізніше з'ясувалося, що дана лінія походить зі спектрів атомів Оксигену. Відповідно до отриманих пізніше данних, атмосферний азот і кисень на висотах, що перевищують 50 км, диссоціюють під дією сонячного випромінювання на атоми. Більш того, у найвищих шарах атмосфери короткохвильове випромінювання Сонця викликає навіть іонізацію атомів, так що на цих висотах знаходиться іонізований газ, що нагадує плазму й обумовлює поширення хвиль в атмосфері.

Таким чином, атмосфера — це як би «жива» система газів, що знаходяться під перемінним випромінюванням Сонця, що проникає на різні висоти і здійснює різні дії над цими газами.

Іншими словами, атмосфера — це суміш молекулярних, диссоційованих і іонізованих газів, що знаходяться на різних висотах, між якими відбуваються постійні реакції, що обумовлюють виникнення як більш легких, так і важких часток. Усе це приводить до «перемішування» атмосфери і відповідно до сталості її основного складу.

Розглядаючи питання складу атмосфери, варто звернути увагу на наступні обставини.

По-перше, найбільше повно на сьогодні вивчений нижній шар атмосфери — тропосфера.

По-друге, удосконалювання методів газового аналізу може привести до виявлення додаткових, практично непомітних компонентів повітря.

По-третє, основні складові частини атмосфери варто підрозділяти на три групи: постійні, перемінні і випадкові.

До першої групи відносяться кисень (21% по об’єму), азот (близько 78%) і інертні гази (близько 1%). Вміст цих складових частин практично не залежить від того, у якому місці поверхні земної кулі узята проба сухого повітря.

До другої групи відносяться карбон діоксид (0,02—0,04%) і водяна пара (до 3%).

До третьої групи відносяться випадкові компоненти, визначені місцевими умовами. Так, поблизу металургійних заводів повітря часто містить сульфур діоксид ; у місцях, де відбувається розпад органічних залишків, — амоніак і т.д. Варто підкреслити також, що в повітрі атмосфери наших днів утримується величезна кількість різноманітних техногенних домішок — твердих, рідких, газоподібних. Середня молекулярна маса сухого повітря, що випливає зі складу, дорівнює 28,966.

Маса кисню в атмосфері складає 1,5∙ 10¹⁰ т, азоту—4 ∙10¹⁰ т, аргону—16∙ 10¹² т, вуглекислого газу—2,З ∙ 10¹² т.

У результаті складної і постійної взаємодії тропосфери з гідросферою і літосферою вона увесь час щось втрачає і щось одержує.

Походження атмосфери нерозривно пов'язано з утворенням Землі. Однак на сьогодні вже немає підстав приймати припущення , що раніше висувалося про те, що атмосфера, як і океан, поступово з'явилася на поверхні Землі протягом геологічної історії. Наявні дані вказують на те, що океан і атмосфера існували ще до того, як земля сформувалася в планету.

На сьогодні віддається перевага тому, що еволюція атмосфери відбувалася під впливом наступних факторів:

1) аккреції (гравітаційний захват речовини з настипним падінням її на космічне тіло під дією гравітаційних сил) речовини міжпланетного простору;

2) виділення газів при вулканічній діяльності;

3) хімічної взаємодії газів атмосфери з компонентами гідросфери і літосфери;

4) дисоціації молекул повітря під впливом сонячного ультрафіолетового і космічного випромінювання;

5) біогенних процесів у живій речовині біосфери:

6) антропогенної діяльності ноосфери.

Існує підстава вважати, що первинна атмосфера Землі була багата СО₂ і бідна О₂. Потім у результаті фотодисоціації води в атмосфері з'явився кисень, кількість якого почала особливо інтенсивно рости в результаті біогенних процесів з моменту зародження життя на Землі (~3 млрд. років тому). Близько 500 млн. років тому кількість кисню в атмосфері було багато більше, ніж зараз, але згодом у результаті інтенсивної вулканічної діяльності знизилося до сучасного. Що ж стосується вуглекислого газу, те тут картина зворотня. Спочатку вміст СО₂ в атмосфері на порядок перевищував сучасний рівень, потім зменшився в такому ступені, що 500 млн. років тому він став помітно нижче сучасного рівня і досяг його лише значно пізніше.

Уявлення про еволюції земної атмосфери найбільше повно погоджуються з більшістю геологічних і біогеохімічних даних, якими володіє сучасна наука. І хоча багато деталей цієї еволюції залишаються ще непізнаними, сам факт тривалого і складного розвитку атмосфери, що знаходиться в багатоплановій взаємодії з літосферою, гідросферою і біосферою, залишається незаперечним.