11

ХИМИЯ АТМОСФЕРЫ

Атмосфера – газовая оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести и принимающая участие в ее суточном и годовом вращении.

Атмосфера – это смесь молекулярных, диссоциированных и ионизированных газов, находящихся на различных высотах, между которыми происходят постоянные реакции, обусловливающие возникновение как более легких, так и тяжелых частиц. Все это приводит к «перемешиванию» атмосферы и к постоянству ее основного состава.

Состав и строение атмосферы

Параметры атмосферы: масса 5,15*10¹⁵ т, высота – 50–55 км – стратосфера, 2000–3000 км – экзосфера.

По физическим свойствам атмосфера имеет ярко выраженное слоистое строение (рис.11) и подразделяется на несколько сфер:

Тропосфера – это нижняя часть атмосферы, в которой сосредоточено более 75 % массы всей атмосферы (5*10¹⁸ кг). Ее высота определяется интенсивностью вертикальных (восходящих или нисходящих) потоков воздуха, вызванных нагреванием земной поверхности. Поэтому на экваторе она простирается до высоты 16–18 км, в умеренных широтах – до 10–11 км, а на полюсах – до 8 км. Отмечено закономерное понижение температуры воздуха с высотой – в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м.

Высота 11,8 км принимается за среднюю границу тропосферы, называемую тропопаузой, которая находится на экваторе на высоте 16–18 км, над умеренными широтами – до 10–12 км, а на полюсах – 8–10 км.

Стратосфера – располагается выше тропосферы до высоты 50–55 км. В стратосфере находится 20 % всей массы атмосферы. Температура у ее верхней границы повышается, что связано с наличием здесь пояса озона на высотах 20–30 км в зависимости от широты. Наличие озонового слоя имеет исключительное значение для живых организмов Земли.

Мезосфера – верхняя граница этого слоя располагается до высоты 80 км. Главная ее особенность – резкое понижение температуры до – 75–90°С у ее верхней границы. Здесь фиксируются серебристые облака, состоящие из ледяных кристаллов.

Верхней границей мезосферы является мезопауза, в зоне которой температура достигает ~190 К (–83°С).

Ионосфера (термосфера) – располагается до высоты 800 км, для нее характерно значительное повышение температуры (более 1000°С). Под действием ультрафиолетового излучения Солнца газы находятся в ионизированном состоянии. С ионизацией газов связано свечение газов и возникновение полярных сияний. Ионосфера обладает способностью многократно отражать радиоволны, что обеспечивает дальнюю радиосвязь на Земле.

Экзосфера – располагается выше 800 км и простирается до 2000–3000 км. Здесь температура превышает 2000°С. Скорость движения газов приближается к критической величине 11,2 км/с. Господствуют атомы водорода и гелия, которые образуют вокруг Земли корону, простирающуюся до высоты 20 тыс. км.

Температурные характеристики слоев представлены в табл.:

Табл. Характеристика слоев

Слой	Т,ºС (нижняя граница слоя)	Т,ºС (верхняя граница слоя)	Градиент температур, ºС	Высота, км
Тропосфера	15	-56	-6,45	0-11
Стратосфера	-56	-2	+1,38	11-50
Мезосфера	-2	-92	-2,56	50-85
Термосфера	-92	1200	+3,11	85-100

Роль атмосферы на планете переоценить трудно: человек ежедневно потребляет 12–15 кг воздуха, вдыхая ежеминутно 5–100 л, может прожить без воздуха около 5 минут.

Состав атмосферы находится в состоянии динамического равновесия, складывающегося под воздействием деятельности живых организмов, геохимических явлений и хозяйственной деятельности человека. Атмосфера является неравновесной химической системой, о чем свидетельствуют существенные отличия наблюдаемых концентраций ее компонентов и рассчитанных равновесных значений. Средний состав атмосферного воздуха в целом представлен в табл.:

Табл. Компонентный состав атмосферы

Квазипостоянные компоненты	Концентрация, об. %	Активные примеси (микрокомпоненты)	Концентрация, об. %
Азот	78	Вода	0-7
Кислород	21	Диоксид углерода	0,01-0,1
Водород	0,5*10-4	Озон	1*10-4
Аргон	0,93	Диоксид серы	1*10-4
Неон, ксенон, криптон	2,5*10-3	Метан	1,6*10-4

Время пребывания вещества – важное понятие, играющее центральную роль в химии окружающей среды: вещества с большим временем пребывания могут накапливаться в относительно больших концентрациях по сравнению с веществами с меньшим временем пребывания; при высоком значении времени пребывания вследствие эффективности перемешивания проявляется высокое постоянство концентраций газа в атмосфере по всему земному шару.

В соответствии с величиной времени пребывания компоненты атмосферы условно разделяют на три группы:

• устойчивые компоненты (время пребывания до нескольких тысяч лет): N₂, O₂, Ar и другие благородные газы;

• неустойчивые компоненты (время пребывания порядка 4 – 25 лет): CO₂, CH₄, N₂O;

• сильноизменяющиеся компоненты (время пребывания порядка 2 – 10 суток): SO₂, NO₂, NO, NH₃, H₂S, HCl и др.

Поскольку на долю неустойчивых и сильноизменяющихся компонентов приходится менее 0,1 % состава атмосферы, концентрации этих газов могут легко изменяться в результате деятельности человека. Сильноизменяющиеся вещества к тому же обладают той особенностью, что несмотря на свою малую концентрацию могут заметно влиять на физическое и химическое состояние атмосферы. Их высокая реакционная способность может привести к накоплению продуктов реакций, способных влиять на качество атмосферного воздуха.

Однако по химическому составу вся атмосфера Земли подразделяется на нижнюю – гомосферу (до 100 км), имеющую состав, сходный с приземным воздухом, и верхнюю – гетеросферу, неоднородного химического состава. Гетеросфера находится настолько высоко (сотни километров), что давление здесь крайне низкое. Граница, которая разделяет эти две части, называется турбопаузой.

Источники атмосферных газов могут быть разделены на три основные категории:

1. Геохимические

• Почвенная эрозия и выветривание горных пород приводят к поступлению в атмосферу относительно инертных в химическом отношении твердых частиц почвы и пород в виде пыли.

• В результате капельного уноса влаги с поверхности океана в атмосферу поступают растворенные в морской воде соли. В отличие от частиц пыли морские брызги характеризуются довольно высокой реакционной способностью, в частности, являясь одним из источников атмосферного хлороводорода:

NaCl + H₂SO₄ → HCl + NaHSO₄

• В верхних слоях атмосферы источником частиц металлов являются метеоры.

• Вулканическая деятельность является источником поступления в атмосферу частиц вулканической пыли и вулканических газов, содержащих SO₂, CO₂, HCl, HF.

• В атмосферу с поверхности Земли поступают газообразные продукты радиоактивного распада элементов горных пород – радиоактивных изотопов калия, радия, урана и других.

2. Биологические

В отличие от геохимических биологические источники (за исключением лесных пожаров) дают относительно небольшой по объему вклад в поток веществ, поступающих в атмосферу, однако играют важную роль в биогеохимическом круговороте веществ.

• Лесами выделяется большое количество следовых органических веществ (терпены, органические кислоты, альдегиды и др.), придающих лесному воздуху особый аромат. Лесные пожары являюся источником твердых частииц сажи.

• Мощным источником газов является деятельность микроорганизмов. Процессы микробиологического разложения органического вещества в анаэробных условиях (влажные почвы, пищевой тракт животных) продуцируют метан. Гидролиз мочевины, содержащейся в моче животных и накапливаемой в почвах, дает аммиак и углекислый газ

• Биохимические реакции с участием микроорганизмов служат также источником поступления в атмосферу оксида азота (II), свободного азота, аммиака. Результатом деятельности океанических микроорганизмов являются такие соединения, как диметилсульфид (CH3)2S и карбонилсульфид COS, хлористый метил, бром- и йодсодержащие органические соединения.