Модуль № 1. Физико-химические процессы в атмосфере

Понятие о геосферах. Атмосфера и ее основные функции в биосфере. Состав и строение атмосферы, температурный профиль и атмосферные циркуляции. Фотохимические процессы в атмосфере. Кинетика фотохимических реакций, роль электронно-возбужденных состояний. Солнечное излучение, радиационный баланс планеты, альбедо, климат и парниковый эффект. Энергетическая и спектральная характеристики солнечного излучения. Космическое излучение. Особенности взаимодействия излучения с веществом. Фотохимические процессы в верхних слоях земной атмосферы. Ионосфера Земли. Озоновый слой и поглощение УФ-излучения. Фотохимические процессы в тропосфере. Микропримеси в тропосфере: источники, стоки, времена жизни. Свободные радикалы. Механизмы превращения органических соединений. Трансформация соединений серы и азота в тропосфере. Фотохимический смог. Трансграничный перенос загрязняющих атмосферу соединений. Кислотные дожди и их влияние на свойства геосфер и биоты. Проблемы трансграничного переноса в России. Дисперсные системы в атмосфере. Классификация аэрозолей. Источники образования и пути вывода аэрозолей. Распределение частиц по размерам. Конденсация паров воды в атмосфере.

Задачи к первому учебному модулю

Задача № 1. Среднее время пребывания SO₂ в атмосфере составляет 3-7 суток, оцените скорость его поступления в атмосферу, если средняя концентрация SO₂ в тропосфере 0,05 мкг/м³. В оценках принять: высота тропосферы 11 км, радиус Земли – 6400 км.

Задача № 2. Среднее время пребывания оксидов азота в тропосфере равно 4 суткам. Оцените содержание оксидов азота в тропосфере, если суммарная скорость эмиссии из антропогенных источников составляет по экспериментальным оценкам 110 млн т/год.

Задача № 3. Оцените время жизни NH₃ в тропосфере по отношению к процессам трансформации и выведения, если общее содержание в тропосфере 1 млн ^. т, а скорость поступления в тропосферу – 70 млн т/год.

Задача № 4. Рассчитайте концентрацию атомов Ar на высоте 25 км. (Доля атомов Ar в приземном слое воздуха равна 1%, k_б = 1,38 ^. 10^–23 Дж/К).

Задача № 5. На какой высоте концентрация молекул азота уменьшится в n раз по сравнению с концентрацией в приземном слое воздуха?

Задача № 6. Оцените, во сколько раз частота дыхания на высоте над уровнем моря в 8000 м должна быть больше по сравнению с нулевой отметкой над уровнем моря, чтобы исключить кислородное голодание.

Задача № 7. Рассчитайте, во сколько раз давление в приземном слое воздуха больше, чем на высоте 10 км.

Задача № 8. Оцените минимальную концентрацию молекул О₃ в озоновом слое, необходимую для ослабления потока УФ-излучения Солнца в 1000 раз. Сечение фотопоглощения на длине волны 254 нм равно 7,8 ^. 10^–18 см², а средняя толщина озонового слоя, приведенная к нормальным условиям, составляет 2,5 мм.

Задача № 9. Вычислите скорость фотодиссоциации молекул О₂ на высоте 50 км в континууме Герцберга, если константа скорости фотодиссоциации равна 1,5 ^. 10⁹ с^–1.

Задача № 10. Определите скорость реакции

О(¹D) + О₂  О(³Р) + О₂

на высоте 30 км, если константа скорости процесса равна 7 ^. 10^–17 м³/с, а концентрация атомов О(¹D) составляет около 10¹⁵ частиц/м³.

Задача № 11. Константы скорости взаимодействия молекулы озона и радикала ОН^ с углеводородами терпенового ряда (С₁₀Н₁₆) составляют 10^–17 см³/с и 5 ^. 10^–11 см³/с, соответственно. Оцените вклад каждого канала в разложение углеводородов, если средняя концентрация последних на высоте 10 км составляет 0,001 мкг/м³, а концентрация радикалов ОН^ и молекул О₃ равны, соответственно, 10⁶ и 2,5 ^. 10¹² частиц/см³.

Задача № 12. В вентиляционных выбросах содержится аэрозоль серной кислоты со средним диаметром частиц 20 мкм/плотности воздуха и аэрозоля серной кислоты составляет, соответственно, 1,29 и 4,78 кг/м³, вязкость воздуха – 18,26 ^. 10^–6 кг/с ^. м ². Долетают ли частицы аэрозоля до крыши близлежащего здания, если расстояние до него 50 м, разность высот источника выбора и крыши здания – 50 м, скорость ветра – 3 м/с.

Задача № 13. Рассчитайте концентрацию NO и NO₂ в стратосфере, если их взаимную природную трансформацию ограничить следующими реакциями:

М + NO + O^  NO₂ + M

NO₂ + O^  NO + O₂

[M] = 10¹³ частиц/см³, к₁ = 8 ^. 10^–32 см⁶/с, к₂ = 10^–12 см³/с

Задача № 14. Если размер частицы больше величины среднего свободного пробега молекулы газа, то скорость ее осаждения описывается уравнением Стокса:

где r и  – радиус и плотность частицы;

 – динамическая вязкость воздуха (1,81 ^. 10^–4 Пуаз при 20⁰С);

g – ускорение свободного падения.

Оцените верхний предел скорости осаждения сферических частиц аэрозоля радиусом 20 мкм в нижней тропосфере и на высотах стратопаузы.

Задача № 15. Скорость образования озона в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей составляет 10 млн. мол. О₃/(см^{3 .} с) в слое толщиной 10 км от поверхности Земли. Концентрация озона в этом слое составляет 5 ^. 10¹⁷ мол. О₃/см³. Можно ли объяснить образование озонового слоя радиационно-химическими реакциями, инициируемыми космическими лучами?

Задача № 16. Пользуясь данными таблицы 1, рассчитайте концентрацию паров H₂SO₄ в приземном слое воздуха и рН осадков на расстоянии 100 км от источника выброса, если концентрация SO₂ в источнике выброса равна 5 мг/м³. В расчетах принять скорость ветра – 9 м/с.

Таблица 1. Значения коэффициентов скорости трансформации

Соединение	Коэффициент скорости, К1(к1), ч–1
	окисление до H2SO4(HNO3)	вымывание осадками	поглощение подстил. поверхностью	нейтрализация	взаимодействие с органическими соединениями	выведение в атмосферу
SO2	0,027	0,01	0,015	–	–	0,052
H2SO4	–	0,0125	0,025	0,027	–	0,0654
Соли H2SO4	–	0,0125	0,025	–	–	0,0375
NOх	0,12	0,01	0,01	–	0,025	0,165
HNO3	–	0,0125	0,015	0,035	–	0,0625

Задача № 17. Оцените распределение SO₂ и H₂SO₄ в приземном слое воздуха по мере удаления от источника выброса при постоянной скорости ветра 10 м/с, если концентрация SO₂ в устье источника выброса равна 2 мг/м³ (таблица 1).

Задача № 18. Оцените концентрации NO₂ и HNO₃ в зависимости от расстояния от источника выброса, если содержание NO₂ в устье источника выброса равно 0,5 мг/м³, скорость ветра постоянна и равна 5 м/с (таблица 1).

Задача № 19. Оцените время полувыведения в процессе коагуляции аэрозольных частиц радиусом (r) 0,3 мкм. В оценках принять: среднюю длину свободного пробега  = 90 нм, концентрацию частиц n = 10¹¹ м^–3. k = 1,38 ^. 10^–23 Дж/К, вязкость среды  = 18,27 ^. 10 кг/м^{2 .} с.

Задача № 20. При отсутствии возмущений концентрация О₃ в стратосфере в полярных областях максимальна по сравнению со средними и тропическими широтами, и составляет 45 ^. 10¹² см^–3. Оцените, во сколько раз происходит ослабление потока УФ-квантов света на длине волны  = 254 нм (сечение фотопоглощения на данной длине волны озоном имеет величину 7,8 ^. 10^–18 см²), если толщина слоя озона, приведенная к нормальным условиям, составляет около 4 мм.

Задача № 21. Наиболее сильный эффект истощения озонового слоя наблюдался весной 1987 года, когда в отдельных областях антарктической атмосферы общее количество озона падало до 100 единиц Добсона (е.Д.). Во сколько раз произошло уменьшение общего содержания О₃ в атмосфере в этот год?

Задача № 22. Рассчитайте эффективную температуру приземного слоя воздуха без учета влияния атмосферы. В расчетах принять: интенсивность солнечного излучения на верхней границе атмосферы 1400 Дж/м^{2 .} с, средняя величина альбедо земной поверхности 0,33, константа Стефана – Больцмана 5,67 ^. 10^–8 Вт/(м^{2 .} К⁴). Найденное значение сравните со средней наблюдаемой температурой земной поверхности и объясните различие в величинах.

Задача № 23. По содержанию основных компонентов стратосфера полностью гомогенна, но на высоте 25-30 км она содержит незначительное по абсолютной величине количество озона (объемная доля около 10 млн^–1). Благодаря значительному сечению поглощения в УФ-области спектра, а максимум сечения поглощения приходится на 255 км и составляет 8 ^. 10^–18 см², озоновый слой практически полностью поглощает излучение в области длин волн УФ-излучения солнца в максимуме сечения поглощения озоновым слоем Земли.

Задача № 24. Среднее содержание О₃ в стратосфере на высотах 25-30 км составляет 10 млн^–1, а в тропосфере – в среднем около 0,04 млн^–1. Опишите механизмы образования озона на разных высотах: в тропосфере и стратосфере, функции озона в разных слоях атмосферы. Укажите источники и стоки озона в атмосфере и стратосфере.

Задача № 25. Стратосферный озон ослабляет поток УФ-излучения солнца в невозмущенных условиях примерно в 6650 раз. Сечение фотопоглощения озона в максимуме (на длине волны 254 нм) составляет 7,8 ^. 10^–18 см². Рассчитайте концентрацию озона и толщину озонового слоя, необходимую для ослабления УФ-излучения солнца в указанное число раз.

Задача № 26. В таблице 2 приведены значения коэффициентов Генри (К_Г) для некоторых газов при 25^оС. Пользуясь данными таблицы, перечислите соединения, которые будут находиться в атмосфере преимущественно в растворенной форме (обоснуйте выбор соответствующими реакциями).

Таблица 2. Значения коэффициентов Генри (К_Г) для некоторых газов при 25^оС

Молекула	КГ, моль/(л . Па)	Молекула	КГ, моль/(л . Па)
О3	9,4 . 10–3	H2S	0,099
О2	1,6 . 10–3	SO2	1,23
NO	1,9 . 10–3	H2O2	105
NO2	7 . 10–3	HO2	105
HNO2	48,6	HCl	2,0
HNO3	2,1 . 105	CH2O	30
NH3	57,9	ПАН (пероксиацетилнитрат)	4,0

Задача № 27. Известно, что сродство гемоглобина к СО (эффективность связывания СО гемоглобином) примерно в 300 раз больше, чем сродство к кислороду. Рассчитайте максимально допустимое содержание СО в приземном слое воздуха, чтобы исключить отравление организма. Найденное значение сравните с нормируемым (ПДК = 3 мг/м³).

Задача № 28. Ниже приведены признаки отравления при различном содержании комплекса гемоглобина с СО (Hb ^. СО). Оцените, что произойдет с Вами, если Вы находитесь в производственном помещении, где концентрация СО составляет 40 мг/м³.

Концентрация СО в воздухе, млн–1 (объемные части)	Содержание Hb . СО в крови, %	Клинические симптомы
60	10	Ослабление зрения, легкая головная боль
130	20	Боли в голове и теле, утомляемость, временная потеря сознания
200	30	Потеря сознания, паралич, наруше-ние дыхания и жизнедеятельности
660	50	Полная потеря сознания, паралич, прекращение дыхания
750	60	В течение часа наступает летальный исход

Задача № 29. Среднее время пребывания SO₂ в атмосфере составляет 5 суток. Оцените скорость его поступления в атмосферу, если средняя концентрация SO₂ в тропосфере 0,05 мкг/м³ (принять, что высота тропосферы 11 км, радиус Земли – 6400 км).

Задача № 30. Рассчитайте, во сколько раз давление в приземном слое воздуха больше, чем на высоте 10 км.

Задача № 31. Рассчитайте толщину озонового слоя, необходимую для ослабления потока УФ-излучения солнца в 6600 раз, если сечение фотопоглощения на длине волны 254 км равно 7,8 ^. 10^–18 см², а средняя концентрация О₃ в озоновом слое примерно 10 млн^–1.

Задача № 32. Рассчитайте эффективную приземную температуру приземного слоя воздуха без учета влияния атмосферы. в расчетах принять: интенсивность солнечного излучения на верхней границе атмосферы 1400 Дж/м^{2 .} с, средняя величина альбедо земной поверхности 0,33, константа Стефана – Больцмана 5,67 ^. 10^–8 Вт/(м^{2 .} К⁴).

Задача № 33. Пользуясь данными таблицы 1(модуль 1), рассчитайте концентрацию паров H₂SO₄ приземном слое воздуха на расстоянии 100 км от источника выброса, если концентрация SO₂ в устье источника выброса равна 5 мг/м³, а средняя скорость ветра – 9 м/с.