1.2. Микрокомпонентные примеси в атмосфере

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

F_вх ⁼ F_вых = А/t,

где F_вх и F_вых - 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 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 накоплений 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.

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:

О_3(г) + hν → О_2(г) + О_(г) (1.2)

О_(г) + Н₂О(г) → 2ОН_(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:

NO_2(г) +ОН_(г) → НNО_3(г)

Газы, у которых низкие скорости реакций с радикалом ОН*, имеют большое время пребывания в атмосфере. В табл. 2 показано, что COS, N₂0 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 Оз по реакции

О_2(г) + О_(г) → О_3(г) (1.5)

и отвечать за истощение озонового слоя стратосферы.

Таблица 2

Время пребывания следов газов в естественной атмосфере

По Brimblecombe (1986)

	Время пребывания	Концентрация, 10-7 %
Диоксид углерода Оксид углерода Метан	4 года 0,1 года 3,6 года	360000 100 1600 1
Муравьиная кислота Азотистый ангидрид Оксид азота Диоксид азота Аммиак Диоксид серы Сероводород Сероуглерод Серооксид углерода Диметилсульфид Метилхлорид Хлороводород	10 дней 20-30 лет 4 дня 4 дня 2 дня 3-7-дней 1 день 40 дней 1 год 1 день 30 дней 4 дня	1 300 0,1 0,3 1 0,01 -0,1 0,05 0,02 0,5 0,001 0,7 0,001

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 CО₂ 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.