Раздел 1. Физико-химические процессы в атмосфере

Атмосфера – это самая легкая из сфер нашей планеты массой примерно 5,1510¹⁵ т и высотой до 1000 км.

С труктуру атмосферы, изменение химического состава и изменение температурных режимов рассмотрим на следующей схеме:

До высоты примерно 80 км происходит активное перемешивание химических компонентов и наблюдается постоянный газовый состав. Характер изменения температуры зависит от особенностей химического состава воздуха. Существует 3 степени вертикальной устойчивости воздуха.

Изотермия – такое состояние, когда температура верхних и нижних слоев примерно одинакова по высоте.

Конвекция – верхние слои воздуха имеют более низкую температуру, чем нижние.

Инверсия – верхние слои воздуха имеют более высокую температуру, чем нижние.

В воздухе, которым мы дышим, находится огромное количество вредных веществ: частицы сажи, асбеста, свинца, пыли, взвешенные жидкие капли углеводородов и серной кислоты, а также оксиды углерода, оксиды азота, оксиды серы и т.д. Все эти загрязняющие вещества, находящиеся в воздухе, оказывают токсическое воздействие на организм человека: затрудняется дыхание, развиваются сердечно-сосудистые заболевания и т.д. В результате воздействия некоторых содержащихся в воздухе веществ подвергаются коррозии различные строительные материалы, в том числе известняк и металлы. Может изменяться и облик местности, поскольку растения очень чувствительны к загрязнению воздуха.

1.1 Химический состав атмосферы

Атмосфера представляет собой смесь газов.

Различают постоянные, переменные и случайные составные части воздуха.

Постоянные компоненты:

N₂ (~ 78%); (75,5 массовых долей)

О₂ (20,95 ~ 21%); (23 массовых долей)

Ar (0,93%); (1,28 массовых долей )

Ne (0,01%); (0,02 массовых долей ) и другие инертные газы (He, Hr, Xe)

Переменные компоненты:

CO₂ (0,02%) (и постоянно повышение)

H₂O (до 4% весовых); О₃

Случайные компоненты: (это относится к приземным слоям атмосферы, прежде всего к воздуху крупных промышленных городов):

Различные газы:

• Хвостовые – стадия производственного процесса (дымовые при сжигании топлива);

• Абгазы – выбрасывание на промежуточных стадиях процесса;

• Газы аспирационных систем – газы из местной вентиляции;

• Вентиляционный воздух – пары или капли жидкостей;

• Твердые примеси (пыль, дым, и др.);

• Микроорганизмы, пыльца растений.

Различные газовые составляющие атмосферы имеют разное время жизни.

• Долгоживущие (10 и > лет) – инертные газы;

• Среднее время жизни – углекислый газ и т.д.;

• Несколько недель или дней – вода, серная кислота и т.д.

Мелкодисперсные частицы на h ~ 20 км живут – 1-2 года; На h ~ 50км – 4-20 лет.

Многие из органических и неорганических составляющих атмосферы входят в состав аэрозолей (взвеси твердых и жидких частиц в газообразной среде) - пыль, дым, туман, облака.

В состав атмосферных аэрозолей входят:

1. соли;

2. кислоты;

3. оксиды;

4. химические соединения внеземного происхождения;

5. органические соединения;

6. биологические компоненты;

7. радионуклиды и др. вещества естественного и искусственного происхождения.

Опасность аэрозолей, в том числе в верхних слоях атмосферы связана с такими факторами как:

1. токсичность многих

2. долгое время существования

3. влияние некоторых не локально, а охватывает всю планету

4. аэрозоли-сульфаты - ядра конденсации, определяют микроструктуру облаков и туманов.

В химических атмосферных процессах принимают участие различные виды атомных и молекулярных частиц.

К особенностям химических процессов в атмосфере можно отнести следующие:

1. Большинство химических реакций инициируется не термически, а фотохимически (квантами света, полученными в результате солнечного излучения);

2. Атмосфера земли – окислительная, за счет О₂; в ней преобладают окислительно-восстановительные (ОВ) процессы, с участием в основном частиц с ковалентным типом химической связи;

3. Для атмосферных процессов характерны цепные реакции (т.е. протекающие в несколько стадий с участием промежуточных продуктов – реакционно-способных частиц);

4. В химических и фотохимических превращениях образуется разнообразные органические и неорганические соединения, в ряде случаев токсичные;

5. Продукты реакции могут переносные на дальние расстояния и длительное время сохранять в атмосфере (например, в виде аэрозолей).