Раздел 6 Химические процессы в атмосфере

Тема 6.1 Химические процессы в атмосфере

Основные понятия и термины по теме: атмосфера, биосфера, тропосфера, мезосфера. Состав воздуха, Озоновые дыры. Кислотные дожди.

План изучения темы (перечень вопросов, обязательных к изучению):

1. Строение оболочек Земли.

2. Химический состав воздуха.

3. Озоновые дыры.

4. Загрязнение атмосферы и их источники.

5. Парниковый эффект. Кислотные дожди и их влияние.

Краткое изложение теоретических вопросов:

1. Атмосфера Земли подразделяется на следующие слои.

2. Тропосфера: 6-20 км. (люди).

3. Стратосфера: до 50 км. (метеозонт).

4. Мезосфера: до 85 км. (метеоры).

5. Термосфера: до 700 км. (космические аппараты).

6. Экзосфера: от 10000 км. (начало космического пространства).

Атмосфера (атмос – «пар», сфера – «шар») – газовая оболочка земли.

Тропосфера: 8 -10 км – в полярных широтах;

10 -12 км – в умеренных широтах;

16 -18 км – тропических широтах.

Содержит более 80% атмосферного воздуха и 90% водяного пара. Наблюдается турбулентность, возникают циклоны и антициклоны.

Нормальные условия: плотность 1,2 кг/м , давление 101,35 кПа, температура + 20ºС, влажность 50%.

Стратосфера: начинается от 11 до 59 км.

Характерно изменение tº в слое 11 – 25 км и повышение её в слое 25 -40 км, от -56,5 до 0,8 ºС. На высоте 40 км остается постоянной (до 55 км). Эта область называется стратопаузой. Стратопауза – это граница между стратосферой и мезосферой, t=0ºС.

Мезосфера: начинается от 50 км до 90 км. tº понижается 0,25-0,3 ºС на каждые 100м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Лучистый теплообмен – это сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбужденных молекул и т.д. обуславливают свечение атмосферы.

Термосфера: верхний предел- около 800 км, температура растет до высот 200-300 км, где достигает значений порядка 1500 р, после чего остается почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») – основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород.

Экзосфера: (сфера рассеяния) – на расстояние – 10000 км. ближний космический вакуум, который заполнен сильно разряженными частицами межпланетного газа и главным образом водорода.

2. Химический состав воздуха

Таблица 1. Состав воздуха

Газ	Доля* по объему вблизи поверхности Земли, %	Относительная молекулярная масса	Плотность  по отношению  к плотности  сухого воздуха
Азот (N2)	78,084	28,0134	0,967
Кислород (О2)	20,946	31,9988	1,105
Аргон (Ar)	0,934	39,948	1,379
Углекислый газ (СО2)	0,033	44,00995	1,529
Неон (Ne)	1,818 10-3	20,183	0,095
Гелий (He)	5,239 10-4	4,0026	0,138
Газ	Доля* по объему вблизи поверхности Земли, %	Относительная молекулярная масса	Плотность  по отношению  к плотности  сухого воздуха
Криптон (Kr)	1,14 10-4	83,800	2,868
Водород (Н2)	5 10-5	2,01594	0,070
Ксенон (Хе)	8,7 10-6	131,300	4,524
Озон (О3)	10-6…10-5	47,9982	1,624
Сухой воздух	–	28,9645	1,000

3

Рис. 4 Озоновые дыры

. Озоновая дыра́ — локальное падение концентрации озона в озоновом слое Земли. По общепринятой в научной среде теории, во второй половине XX века всё возрастающее воздействие антропогенного фактора в виде выделения хлор- и бромсодержащих фреонов привело к значительному утончению озонового слоя. Эти полученные научные данные укрепили вывод предыдущих оценок в том, что перевес в пользу научных доказательств свидетельствует о том, что наблюдаемая потеря озона в средних и высоких широтах в основном обусловлена антропогенными хлор- и бромсодержащими соединениями.

Согласно другой гипотезе, процесс образования «озоновых дыр» может быть в значительной мере естественным процессом, и не связан исключительно с вредным воздействием человеческой цивилизации.

Многие не понимают, почему озоновая дыра образуется в Антарктике, когда основные выбросы фреонов происходят в Северном полушарии. Дело в том, что фреоны хорошо перемешаны в тропосфере и стратосфере. В виду малой реакционной способности они практически не расходуются в нижних слоях атмосферы и имеют срок жизни в несколько лет или даже десятилетий. Поэтому они легко достигают верхних слоёв атмосферы. Антарктическая «озоновая дыра» существует не постоянно. Она появляется в конце зимы — начале весны. Причины, по которой озоновая дыра образуется в Антарктике, связаны с особенностями местного климата. Низкие температуры антарктической зимы приводят к образованию полярного вихря. Воздух внутри этого вихря движется в основном по замкнутым траекториям вокруг Южного полюса. В это время полярная область не освещается Солнцем, и там озон не возникает. С приходом лета количество озона увеличивается и снова выходит на прежнюю норму. То есть колебания концентрации озона над Антарктикой — сезонные. Однако, если проследить усреднённую в течение года динамику изменения концентрации озона и размера озоновой дыры в течение последних десятилетий, то имеется строго определённая тенденция к падению концентрации озона.

Последствия разрушения озонового слоя: Ослабление озонового слоя усиливает поток солнечной радиации на землю и вызывает у людей рост числа раковых образований кожи. Также от повышенного уровня излучения страдают растения и животные.

Восстановление озонового слоя:

Х отя человечеством были приняты меры по ограничению выбросов хлор- и бромсодержащих фреонов путём перехода на другие вещества, например фторсодержащие фреоны, процесс восстановления озонового слоя займёт несколько десятилетий. Прежде всего, это обусловлено огромным объёмом уже накопленных в атмосфере фреонов, которые имеют время жизни десятки, и даже сотни лет. Поэтому затягивание озоновой дыры не стоит ожидать ранее 2048 года.

Рис. 5 Загрязнение атмосферы

4. Загрязнение атмосферы — привнесение в атмосферный воздух новых нехарактерных для него физических, химических и биологических веществ или изменение их естественной концентрации.

Основные загрязнители атмосферного воздуха:

Оксид углерода.

Оксиды азота.

Диоксид серы.

Углеводороды.

Альдегиды.

Тяжёлые металлы (Pb, Cu, Zn, Cd, Cr).

Аммиак.

Атмосферная пыль.

Радиоактивные изотопы.

5. Парниковый эффект.

В результате многогранной деятельности человека в атмосфере возрастет содержание многих газов и газообразных примесей. Некоторые из них (в основном диоксид углерода и водяной пар) приводят к нагреванию поверхности Земли. Диоксид углерода и водяной пар пропускают идущий к Земле солнечный свет, нагревающий её поверхность, и экранируют длинноволновое тепловое излучение земли. Так возникает парниковый эффект. Согласно полученным недавно данным с помощью французского - американского спутника "Топекс-Посейдон" уровень мирового океана в последнее время ежегодно поднимается на 1-3мм. Предполагается, что это связано с общим потеплением климата, при чем не только с таянием льдов, но и с термическим расширением воды. Как показывают систематические наблюдения, в последние десятилетия появились признаки общей тенденции - климат на земле теплеет. Ни одна экологическая проблема так не беспокоит ученых, как усиление парникового эффекта, ведущего к глобальному потеплению.

Нагревание атмосферы может привести к ощутимому потеплению и, как следствие, к наводнению от таяния полярных ледников и превращению плодородных почв в пустыню. Такие прогнозы чаще всего связывает с диоксидом углерода, поглощающим солнечную энергию, хотя увеличение содержания в атмосфере других примесей - монооксида и диоксида азота, метана и других - также являются весьма ощутимо и приводят к потеплению.

Возникает ряд вопросов. Каковы будут последствия массового истребления лесов во многих странах на больших площадях? Могут ли твердые частицы и капельки жидкости, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, сократить доступ солнечной энергии и таким образом скомпенсировать потепление за счёт увеличения содержания диоксида углерода, метана и других газов? Ответ на первый вопрос ясен: при массовом уничтожении растительности и в первую очередь лесов нарушиться биогеохимический круговорот углерода, ответ на второй вопрос требует дальнейших исследований. Сравнительно большая концентрация сажи и других аэрозолей обнаружены в арктических районах. Образование таких аэрозолей, известных как "арктический туман", некоторые учёные связывают с возможными атмосферными последствиями испытания ядерного оружия. Гипотеза глобального похолодания - "ядерной зимы", обусловленные образованием сажи в процессе ядерного взрыва заключается в том, что при достаточно большом количестве сажи в атмосфере возможно затемнение солнечного света, что повлечёт за собой снижение температуры и, как следствие, вымерзание посевов в летнее время. Процесс похолодания, вероятно, происходит, но всё - таки в последнее десятилетия преобладает глобальное потепление. Активная промышленная деятельность грядёт к непрерывному возрастанию концентрации диоксида углерода в атмосфере в ХХ веке. Она возросла на 20 % . Если сохранятся современные темпы ростов промышленного производства, то к 30 годам наступающего столетия концентрация углекислоты в атмосфере удвоится.

Нынешние оценки глобального экологического состояния нашей планеты носит дискуссионный характер. Окончательные выводы делать очень опасно. Парниковый эффект существует - это бесспорно. Учитывать его, безусловно, надо, но говорить о неизбежности трагедии не следует. Человек может ещё очень многое предпринять и смягчить последствия происходящего.

Кислотные дожди.

Кислотные осадки - один из ощутимых источников загрязнения окружающей среды. Кислотные соединения преимущественно производные оксидов серы и азота. Они образуются естественным образом: во время грозы, при извержении вулканов в результате жизнедеятельности бактерий. Но всё же основной источник оксидов серы и азота - выбрасываемые газы автомобильного транспорта, теплоэлектростанции, различных плавильных печей и т.п. Систематические наблюдения показывают, что в некоторых местах выпадают осадки, приближающиеся по кислотности к столовому уксусу. Труднее всего оценить непосредственное влияние кислотных осадков на здоровье человека. Особенно большой вред наносится озёрам, вода в которых не содержит щелочных соединений, способных нейтрализовать кислотные осадки. В результате образуются растворы ионов таких металлов, как алюминий и марганец, что влечет за собой подавление роста растений и водорослей, а в некоторых случаях и сокращение или вообще исчезновение популяций рыб. Кислотные осадки приводят к значительному снижению плодородия почвы. В результате окисления почвы резко снижается урожайность культурных растений. Нейтрализация почвы требует существенных материальных и энергетических затрат. Развитие химии атмосферы и окружающей среды, внедрение высокочувствительных приборов для определения примесей в воздухе, изучение кинетики и динамики основных атмосферных реакций создание новых эффективных методов, позволяющих сократить вредные выбросы, приводящие к кислотным осадкам, - вот те важнейшие задачи, от успешного решения которых зависит сохранение естественного состояния окружающей среды. Атмосфера земли содержит одно - и двухатомные молекулы кислорода и О_2, и ещё один аллотроп - озон О₃ . Озон выполняет весьма важную роль естественного фильтра, поглощающего губительное для всего животного коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца.

Разрушение озона осуществляется в результате цепной реакции, в которой одна привесная молекула озона, прежде чем, чем попадает в более плотные слои атмосферы и достигнет поверхности Земли вместе с осадками.

Существуют два основных вида источников оксида азота в стратосфере. Первый из них - естественный - обусловливается бактериями : в природе оксиды азота образуются в основном в виде N₃O при жизнедеятельности почвенных и морских бактерий . Такое относительно инертное соединение медленно поднимается в атмосфере, где в результате поглощения ультрафиолетового излучения образуются оксиды азота NO и NO₂ . Второй источник - различного рода газы искусственного происхождения , а также газы, образовавшиеся при ядерных взрывах.

Ученые - естествоиспытатели своевременно подготовили необходимую и научно обоснованную базу для законодательных актов, ограничивающих примечание хлорфторметанов. Для их замены в холодильных камерах, кондиционерах воздуха и т.п. химическая промышленность синтезирует вещества, которые легко разрушаются и не наносят вреда окружающей среде. Последовательное рациональное решение проблемы сохранения озонового слоя - один из характерных примеров научного подхода в анализе реального состояния атмосферы и поиске путей предотвращения потенциальной угрозы окружающей среде без введения.

Лабораторные работы²:

• Определение химического состава атмосферы.

• Измерение уровня углекислого газа.

• Механизм образования кислотных дождей.

Задания для самостоятельного выполнения:

1. Подготовить сообщение и электронную презентацию на тему «Атмосфера», «Атмосфера и климат», используя различные (печатные, электронные и др.) источники информации, в работе дать информацию о новых технологиях покорения атмосферы человеком и его влияние на атмосферу в целом. Особое место в докладе уделить глобальной проблеме загрязнению атмосферы.

2. Оформить отчет по практической работе.

Форма контроля самостоятельной работы:

• Сдача отчета по практической работе (ПР).

• Защита презентации и сообщения.

Вопросы для самоконтроля по теме «Атмосфера».

1. Километраж тропосферы в умеренных широтах?

а) 5 – 6 км;

б) 15 – 20 км;

в) 10 – 12 км;

г) 8 – 10 км.

2. Слово «атмос» переводиться:

а) пар;

б) вода;

в) шар;

г) воздух.

3. tº в стратосфере на высоте 11 – 25 км.:

а) пониженная;

б) повышенная;

в) умеренная;

г) нулевая.

4. Четвертый слой атмосферы:

а) термосфера;

б) экзосфера;

в) стратосфера;

г) тропосфера.

5. О каком слое атмосферы идет речь: газ сильно разряжен, идет утечка его частиц в межпланетное пространство → уменьшение плотности газов, tº понижается.

а) термосфера; б) тропосфера;

в) экзосфера; г) стратосфера.

6. Толщина атмосферы:

а) 20000 – 30000 км;

б) 10000 – 20000 км;

в) 30000 – 40000 км;

г) 40000 – 50000 км.

7. Нормальные условия поверхности Земли:

а) Ƿ = 2,8 кг/м³, Р = 103,5 пКа, tº = +20ºС, влажность 15% ;

б) Ƿ = 1,2 кг/м³, Р = 101,35 пКа, tº = +20ºС, влажность 50%;

в) Ƿ = 1,8 кг/м³, Р = 105, 3 пКа, tº = -5ºС, влажность 75%;

г) Ƿ = 1,4 кг/м³, Р = 101,35 пКа, tº = 35ºС влажность 34%.

7. В нижнем слое атмосферы % воздуха составляет:

а) 90%; б) 100%;

в) 80%; г) 65%.

7. Лучистый теплообмен наблюдается в слое:

а) мезосфера; б) тропосфера;

в) экзосфера; г) стратосфера.

7. Космический аппарат летает в:

а) термосфера; б) экзосфера;

в) тропосфера; г) мезосфера.

Умения, сформированные у студента после изучения раздела:

1. Приводит примеры экспериментов и (или) наблюдений о:

• факторах, загрязняющих воздушную среду;

• образование парникового эффекта.

3. Объясняет прикладное значение важнейших достижений в области естественных наук.

4. Выдвигает гипотезы сохранения воздушных ресурсов и предлагает пути их решения.

5. Работа с естественно-научной информацией, содержащейся в сообщениях СМИ, Интернет - ресурсах, научно-популярной литературе: овладение методами поиска, выделение смысловой основы и оценивание достоверности информации.