Основные газы тропосферы и их роль

Атмосфера обладает сильными окислительными свойствами. Многие экологически важные газы вымываются из атмосферы главным образом в результате окисления: это парниковые газы, такие как метан (CH4), токсичные продукты горения, такие как угарный газ (CO), участники разрушения стратосферного озона, такие как хлорфторуглеводороды (HCFCs), и другие. Окисление в тропосфере является особо важным, т.к. тропосфера содержит большую часть массы всей атмосферы (около 85%), а также, потому что газы попадают в атмосферу с земной поверхности, т.е. сначала в тропосферу, а только потом могут переноситься в стратосферу и выше. Газ, содержащий больше всего окислителя – молекулярный кислород, является практически химически инертным, поэтому мало вносит в окислительные свойства атмосферы. С середины 1950х годов стало известно, что гидроксильный радикалOHявляется сильным окислителем. По своим химическим свойствамOHбыстро реагирует с большинством из не радикальных газов и особенно реактивен с молекулами, содержащими Н, образуя водяной пар. Основная продукция ОН в атмосфере происходит в результате реакции водяного пара с возбужденным атомарным кислородом

Критичным для производства OHявляется образование атомовO(¹D). Довольно долго предполагалось, что продукцияO(¹D) в тропосфере является пренебрежимо малой из-за почти полного поглощения жесткой УФ радиации стратосферным озоном в УФ-В и УФ-С спектральных диапазонах. Полагалось, что окисление газов с поверхностным источником, таких какCOиCH4 ,требует переноса в стратосферу, где достаточноOHс последующими реакциями:

Этот механизм подразумевал долгое атмосферное время жизни COиCH4 ,т.к. воздуху требуется время для переноса из тропосферы в стратосферу, а стратосфера содержит только около 15% общей массы атмосферы. Исходя из этих положений, в середине ХХ века предполагалось, что накоплениеCOв тропосфере выбрасываемое двигателями внутреннего сгорания скоро станет глобальной проблемой загрязнения воздуха.

Однако в начале 70х годов было обнаружено, что достаточное количество OHв действительности образуется в тропосфере в результате фотолиза озона, что приводит к значительному окислению таких газов какCOandCH₄ еще в тропосфере. Вычисление скорости образованияO(¹D) на уровне моря приведено на рисунке 11-1 как функция потока солнечной радиации, сечения поглощения озона и квантового выходаO(1D) в спектральном диапазоне от 280 до 340 нм. Из-за противоположного направления спектральной изменчивости этих параметров образованиеO(¹D) в тропосфере происходит в узком спектральном диапазоне между 300 и 320nm. Радиация меньших длин волн не проникает в тропосферу, а радиация больших длин волн приводит к образованиюO(³Р). Однако, хотя скорость образованияO(1D) в тропосфере значительно меньше, чем в стратосфере, это компенсируется для производстваOHбольшим количеством водяного параH2Oв тропосфере (10²-10³ больше чем в стратосфере). Модельные оценки показывают, что сочетание этих факторов приводит к концентрациямOHв тропосфере, достигающим 10⁶ moleculescm^-3, в результате чего тропосферное время жизни СО составляет несколько месяцев и облегчает беспокойство, что содержаниеCOможет достигнуть токсически опасных уровней. Дальнейшие измерения подтвердили, что концентрации ОН в тропосфере достигают именно таких величин и, следовательно, могут оказаться важным окислителем в тропосфере.