РЛекция 3 2011г Химические процессы в верхних слоях атмосферы и их природа
Атмосфера Земли представляет собой динамичную и чрезвычайно сложную физико-химическую систему, структура которой обусловлена комплексом внешних и внутренних воздействий.
1.Диффузия
Стратификация является ее основным признаком, который, как и для других геосфер является следствием гравитационной дифференциации. Диффузное разделение (более тяжелые газы накапливаются внизу, более легкие -наверху) за длительный период существования планеты привело к тому, что нижняя часть атмосферы имеет двухкомпонентный азот-кислородный состав, а на высоте 500 - 1600 км основным компонентом атмосферы становится гелий. а выше его место занимает водород. Однако на распределение газов в атмосфере влияют и законы теплового движения (броуновского, конвективного), силы Кориолиса, приливное воздействие Луны и Солнца. Ее пронизывает излучение Солнца и испускаемые им частицы высокой энергии, а также космическое излучение. Этот поток энергии оказывает заметное химическое воздействие на атмосферу. А сама атмосфера отфильтровывает определенные диапазоны излучения, поэтому земной поверхности достигает не весь солнечный спектр. На свойства атмосферы значительное воздействие оказывают процессы происходящие на самой Земле: вулканизм, дегазация недр, жизнедеятельность биоты, и наконец, человек с его искусственно созданной системой техногенеза.
И хотя на верхние зоны атмосферы приходится лишь небольшая часть ее массы, они в значительной мере определяют жизнь на поверхности Земли, защищая нашу планету от потока лучей и града частиц высоких энергий. Но в результате такого воздействия молекулы и атомы атмосферы подвергаются различным химическим превращениям, которые мы и рассмотрим далее.
2.Фотодиссоциация
Солнце испускает лучистую энергию в смеси различных длин волн, а следовательно и энергии.. Коротковолновое излучение в ультрафиолетовой области спектра и рентгеновские лучи обладает высокой энергией, вызывающей химические реакции, которые могут быть каскадными. При этом энергия фотона (Е = hn) должна быть достаточна для разрыва химической связи в молекуле и инициирования процесса. Кроме того, молекулы должны поглощать фотон, энергия которого должна превращаться в какую-либо иную форму.
- Фотодиссоциация молекулы кислорода: наиболее важная реакция для обеспечения жизни на Земле -
О2 (г) + hn® 2 О (г) . (1)
Максимальная энергия, которая необходима для такого превращения, равна 495 кДж/моль. Можно выполнить нетрудный расчет и определить, что любой фотон с длиной волны менее 242 нм имеет достаточную энергию для этой реакции (чем короче волна, тем выше энергия).
К нашему счастью, молекулы О2 поглощают большую часть коротковолнового излучения с высокой энергией, прежде чем оно достигнет нижней части атмосферы. При этом образуется атомарный кислород. На высотах около 400 км диссоциировано 99% молекул кислорода, на долю молекул О2 остается тлько 1%. Ниже на высоте 130 км содержание О2 и О одинаково. На меньших высотах доля молекулярного кислорода возрастает.
Фотодиссоциация азота
Энергия диссоциации молекулы N2 очень велика, значит, разорвать молекулу могут только фотоны с чрезвычайно высокой энергией.. Таких фотонов в солнечном спектре немного, да и молекула азота плохо поглощает фотоны, даже если их энергия окажется достаточной. Вследствие такого процесса атомарного азота в атмосфере очень мало.
Фотодиссоциация воды. Концентрация паров воды значительна вблизи поверхности Земли, но быстро уменьшается с высотой. На высоте 30 км (стратосфера) паров воды три молекулы на миллион молекул смеси. Однако, оказавшись в верхних слоях, вода подвергается фотодиссоциации:
Н2О (г) + hn®= Н (г) + ОН (г); (2)
ОН (г) + hn®= Н (г) + О (3)