Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические процессы в техносфере. Учебное пособие
.pdf
21
белков включаются микроорганизмы, причем этот процесс сопровождается
образованием сероводорода. В аэробной среде происходит дальнейшее окисление
сероводорода до сульфат-ионов или элементарной серы.
Для функционирования экологических систем является важным круговорот
воды в природе (рисунок 1.6). Она испаряется с поверхности природных водных
объектов, почвенного покрова и поступает в атмосферу, где при понижении
температуры конденсируется и выпадает в виде атмосферных осадков, восполняя
затраты воды, которые были связаны с ее испарением. Таким образом, благодаря
уникальному свойству воды при обычных условиях находиться в различных
агрегатных состояниях, количество воды на планете остается величиной постоянной,
изменяется только ее агрегатное состояние.
Рисунок 1.6 – Круговорот воды
Особенностью круговорота воды является взаимодействие в нем всех геосфер
Земли и живых организмов, а также всех водных объектов, а именно: океанов, морей,
рек, подземных и почвенных вод, атмосферных осадков, ледников. При этом
наибольшей скоростью обмена характеризуются атмосферные осадки и речные воды,
замедление процесса круговорота воды наблюдается при таянии ледниковых масс.
22
Кислород – биогенный элемент, в круговороте которого задействованы
атмосфера, гидросфера, литосфера и живые организмы. Характеризуется высоким
содержанием в морской воде (85,8 %), в атмосферном воздухе (21 % по объему), в
земной коре (47,2 % по весу). Расход кислорода на химические и биохимические
процессы, происходящие в окружающей среде, компенсируется образованием
кислорода при фотосинтезе в растениях (рисунок 1.7).
Рисунок 1.7 – Круговорот кислорода
Источником образования кислорода в окружающей среде является не только
фотосинтез в растениях, но и процесс разложения паров воды в верхних слоях
атмосферы под действием солнечного света. Кроме этого, так как кислород входит в
состав воды, он также участвует и в круговороте воды.
Из рассмотренных нами биогенных элементов живые организмы синтезируют
сложные органические вещества, из которых они состоят. Но для жизнедеятельности
организмам необходимы катионы металлов, которые делятся на две группы:
- макроэлементы, которые используются организмами в больших количествах
(калий, кальций, магний, натрий);
-микроэлементы, которые необходимы организмам в малых количествах
(железо, бор, цинк, медь, марганец, молибден, кобальт).
23
Основным источником макро- и микроэлементов является выветривание и
разрушение почвообразующих пород, вследствие которого они поступают в почву,
поглощаются и накапливаются в различных частях растений и в процессе
функционирования экосистем мигрируют в другие живые системы.
После гибели организмов происходит минерализация органических веществ, из
которых они состояли, в результате которой катионы металлов поступают в почву.
Почва, в свою очередь, подвергается выщелачиванию дождями, вследствие которого
макро- и микроэлементы распространяются в другие объекты окружающей среды.
1.4 Контрольные вопросы
1 Дать определение техносферы.
2 Что понимается под загрязнением окружающей среды?
3 Какие процессы влияют на распространение загрязняющих веществ в
окружающей среде?
4 Перечислите стадии распространения загрязняющих веществ в объектах
окружающей среды.
5 Что такое адсорбция? Каким уравнением описывается адсорбция
загрязняющих веществ на поверхности почвы?
6 За счет какого процесса происходит массообмен загрязняющими веществами
на границе вода-воздух?
7 Какие процессы влияют на перенос загрязняющих веществ на границе почва-
воздух?
8 Какими показателями характеризуются процессы аккумуляции химических
веществ водными и наземными живыми организмами?
9 Дать определение географического переноса.
10 Что понимается под биотическим переносом химических веществ?
24
2 Физико-химические процессы в атмосфере
2.1 Строение и состав атмосферы
Атмосфера - газовая оболочка планеты. На Земле сформировалась в результате
геологической эволюции и непрерывной деятельности организмов. Состав
современной атмосферы - результат динамического равновесия, поддерживаемого
процессами жизнедеятельности организмов и различными геохимическими
явлениями глобального масштаба.
Основными компонентами атмосферного воздуха являются азот (около 78 %) и
кислород (21 %). Кроме этого, в составе атмосферного воздуха присутствуют
инертные газы (аргон, неон, гелий, криптон, ксенон), метан, углекислый газ, водород,
озон, аммиак, двуокиси серы и азота, закись азота и окись углерода, водяной пар и
взвешенные вещества.
Состав и свойства атмосферы меняются с высотой. Ее давление и плотность
уменьшаются при удалении от Земли, однако до высоты 100 км соотношение азота,
кислорода и благородных газов меняется мало. На расстоянии до 12 км от
поверхности Земли в атмосфере находится слой облаков – скоплений капелек воды
или кристалликов льда. Начиная с высоты 10 км, под действием ультрафиолетового
излучения Солнца молекулы кислорода диссоциируют на атомы:
И кислород О2 превращается в озон О3 – одну из форм существования
кислорода:
25
На расстоянии 25-30 км от поверхности Земли находится озоновый слой,
характеризующийся высокой концентрацией озона, который поглощает около 97 %
ультрафиолетового излучения Солнца, представляющего опасность для всех живых
систем. Невозможно было бы существование жизни на нашей планете, если бы
озонового слоя не было.
При удалении от поверхности планеты на 40 км и выше в атмосфере
наблюдается увеличение содержания атомов кислорода, на высоте 150 км - в
атмосфере присутствует только атомарный кислород.
Распад молекул азота на атомы происходит на расстоянии 200 км от
поверхности Земли. В более высоких слоях атмосферы содержатся легкие атомы
водорода и гелия, которые легко преодолевают силу притяжения Земли и
рассеиваются в космическом пространстве.
Для видимого света, который является основной частью солнечного излучения,
атмосфера прозрачна. Но молекулы диоксида углерода, воды, метана и других
органических веществ обладают свойством поглощать инфракрасную часть
теплового излучения Земли. Этим свойством обладают и облака, которые
препятствуют рассеиванию теплового излучения планеты.
Таким образом, атмосфера Земли – это воздушная оболочка планеты, которая
препятствует рассеиванию тепловой энергии, благодаря чему тепло сохраняется,
повышается ее средняя температура, смягчается различие между температурами в
ночное и дневное время суток.
Но так как в атмосфере температура на разных высотах не стабильна, а
изменяется с высотой, то для нее характерна слоистая структура (рисунок 2.1).
Атмосфера включает в себя пять слоев, а именно: тропосферу, стратосферу,
мезосферу, термосферу и экзосферу.
26
Рисунок 2.1- Строение атмосферы
Каждый из слоев атмосферы характеризуется определенными свойствами
(таблица 2.1).
Таблица 2.1 – Характеристика слоев атмосферы и их свойств
Слой атмосферы
Характеристика
Тропосфера
Это нижняя часть атмосферы до высоты 10-15 км, в которой
сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха. Для нее
характерно, что температура здесь изменяется от 70 °С до минус 70
°С, она с высотой падает в среднем на 0,6°/100 м (в отдельных
случаях распределение температуры по вертикали варьирует в
широких пределах). Давление воздуха на верхней
границетропосферы соответственно ее высоте в 5-8 раз меньше, чем
у земной поверхности. Поэтому основная масса атмосферного
воздуха находится именно в тропосфере. Процессы, происходящие
27
Продолжение таблицы 2.1
Слой атмосферы
Характеристика
Тропосфера
в тропосфере, имеют непосредственное и решающее значение для
погоды и климата у земной поверхности.
Стратосфера
Располагается над тропосферой до высоты 50-55 км,
характеризующаяся тем, что температура изменяется от минус 70 °С
до 10 °С, то есть в ней температура растет с высотой. На высоте 2530 км располагается озоновый слой. Переходный слой между
тропосферой и стратосферой толщиной 1-2 км носит название
тропопаузы.
Мезосфера
Слой атмосферы на высотах от 40 - 50 до 80 - 90 км. Характеризуется
понижением температуры с высотой, изменяется от 10 °С до минус
70 °С или минус 80 °C.
Газовый состав мезосферы, как и расположенных ниже
атмосферных слоёв, постоянен и содержит около 80 % азота и 20 %
кислорода. Метеориты начинают светиться и, как правило,
полностью сгорают в мезосфере.
Термосфера
Верхняя часть атмосферы, над мезосферой, характеризуется очень
высокими температурами, которые изменяются в интервале от
минус 70 °С до 1500 °С, и потому носит название термосферы. В
ней различаются, однако, две части: ионосфера, простирающаяся от
мезосферы до высот порядка тысячи километров, и лежащая над нею
внешняя часть - экзосфера, переходящая в земную корону.
Ионизация в ионосфере обязана своим существованием действию
ультрафиолетовой радиации Солнца. Ее поглощение молекулами
атмосферных газов приводит к возникновению заряженных атомов
и свободных электронов. Колебания магнитного поля в ионосфере и
полярные сияния зависят от колебаний солнечной активности.
Экзосфера
Располагается выше 800 - 1000 км и постепенно переходит в
межпланетное пространство. Температура изменяется в интервале
от 1500 °С до 2000 °С. Скорости движения частиц газов, особенно
легких, здесь очень велики, а вследствие чрезвычайной
разреженности воздуха на этих высотах частицы могут облетать
Землю по эллиптическим орбитам, не сталкиваясь между собою.
28
Таким образом, 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
соответственно к постоянству ее основного состава.
2.2 Фотохимические реакции
Из-за высокой солнечной активности в атмосфере создаются условия для
протекания фотохимических процессов, в которых принимают участие компоненты
атмосферного воздуха и загрязняющие вещества, поступающие в атмосферу в
результате антропогенного воздействия. Рассмотрим некоторые из них.
Фотохимические реакции – это химические реакции, протекающие под
действием света. Основным источником радиации, поступающей на Землю, является
Солнце. Лучистая энергия представлена в виде потока световых квантов или фотонов,
испускаемого данным источником радиации и распространяющегося со скоростью
света.
Кроме этого, источником энергии для осуществления фотохимических реакций
является космическое излучение, которое представляет собой потоки гамма-частиц и
рентгеновского излучения, обладающие большой проникающей способностью, что
позволяет им пронизывать все слои атмосферы и ионизировать атомы и молекулы
газообразных веществ, входящих в состав атмосферного воздуха.
К основным типам фотохимических процессов относятся следующие реакции.
Фотоионизация – процесс отрыва электрона от атома или молекулы и
образование в результате этого катион-радикалов под действием энергии фотонов
коротковолнового излучения. Она наблюдается при энергиях фотонов, равных или
превышающих энергию ионизации.
29
Фотодиссоциация – распад молекулы по какой-либо связи на радикалы, атомы
или ионы, например:
Преддиссоциация – разновидность фотодиссоциации, при которой после
поглощения фотона молекула первоначально оказывается в стабильно возбужденном
состоянии, а из него переходит в диссоциативное возбужденное состояние, например:
Распад (отщепление, фрагментация) – разложение на молекулярные
фрагменты, сопровождающиеся перегруппировкой связей, например:
Окислительно-восстановительные фотохимические реакции, в основе
которых лежит фотоперенос электрона (это перенос электрона под действием света
от молекулы-донора Д к молекуле-акцептору А).
Фотосинтез. Механизм процесса фотосинтеза заключается в поглощении
растениями углерода, входящего в состав углекислого газа. Кванты света,
разрывающие в молекуле углекислого газа химическую связь между кислородом и
углеродом, способствуют образованию углеводородов, которые в живом организме
подвергаются окислению. Процесс фотосинтеза можно представить уравнением
следующей реакции:
30
В отличии от других фотохимических реакций фотосинтез способствует
процессу накопления в растениях солнечной энергии в виде энергии химических
связей. Именно таким образом живые организмы пополняет запасы свободной
энергии, которая им необходима в процессе жизнедеятельности.
Фотохимические реакции кислорода. Молекулы кислорода под действием
солнечного света переходят в возбужденное состояние и становятся достаточно
активными участниками фотохимических реакций, к числу которых относятся
ионизация, диссоциация. Так, в верхних слоях атмосферы кислород под действием
ультрафиолетовых лучей трансформируются в озон, поведение которого в атмосфере
во многом определяется антропогенным воздействием.
Образование молекул озона в атмосфере можно схематично представить в виде
ряда реакций:
Одним из сильнейших окислителей является атомарный кислород, который
образуется под действием солнечного излучения на молекулу диоксида азота,
относящегося к одному из основных загрязнителей атмосферного воздуха:
Нитриты, содержащиеся в атмосферном воздухе в адсорбированном состоянии
на поверхности частиц пылевого аэрозоля, под действием солнечного света могут
разлагаться на гидроксид-радикал (
) с большим запасом энергии, поэтому
являющийся сильным окислителем:
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]