Вопросы для проверки знаний. Упражнения

1. Объясните причины возникновения стационарного электрического поля у поверхности Земли.

2. Почему напряженность электрического поля падает с высотой?

3. Какие виды электрических разрядов возникают в атмосфере?

4. Как возникают линейные и внутриоблачные молнии?

5. Какие объекты называют шаровыми молниями?

6. В чем сущность огней Эльма?

Глава 4. Процессы выделения и поглощения атмосферных газов

Состав атмосферы сохраняется практически постоянным, что обеспечивается равновесием процессов ввода и вывода атмосферных газов.

Процессы ввода в атмосферу газов включают:

1. вулканическую деятельность;

2. дегазацию гидросферы;

3. биохимические процессы;

4. природные и техногенные химические процессы;

5. испарение воды с поверхности суши и водоемов.

Процессы вывода атмосферных газов включают:

1. рассеивание газов в космическое пространство;

2. растворение в гидросфере;

3. биохимические процессы;

4. природные и техногенные химические процессы;

5. конденсацию паров воды.

§ 11. Процессы ввода газов в атмосферу

Вулканическая деятельность;

Дегазация выходящей на поверхность магмы до сих пор остается основным источником молекулярного азота, инертных газов, галогеноводородов, например хлоро- и фтороводорода и оксида серы (IV). Магматические источники являются локальными. Это, прежде всего, жерла вулканов и специфические горные районы.

Небольшие количества инертных газов (гелия, аргона и радона) выделяются с тех участков поверхности планеты, которые содержат следы радиоактивных урана, тория и калия.

Дегазация гидросферы.

Атмосфера находится в постоянном взаимодействии с водами рек, морей, океанов, подземных водоносных горизонтов, ледников.

Гидросфера без подземных вод и ледников содержит 13,710²⁰ кг воды. В этой массе воды среднее содержание газов составляет всего 20 см³/л.

Подземные воды имеют массу 10²⁰ кг или примерно 7% массы всей гидросферы. Несмотря на такое соотношение количества воды в гидросфере и под землей, из общей массы растворенных газов в воде масса газов, растворенных в подземных водах, видимо, превышает массу газов, растворенных в водах Мирового океана, и приближается к массе наземной атмосферы.

Этому факту есть объяснение. При движении вглубь Земли повышается давление и растворимость газов в воде растет. В подземных водах на глубинах от 1 до 4 км давление очень высокое, и в 1 л способно раствориться до 500 см³/л газов. В некоторых районах Западной Сибири обнаружены подземные воды с содержанием газов 1000 – 1500 см³/л.

После подземных вод следующими по массе составляющей гидросферы являются лед и снег. Основная масса льда и снега (приблизительно 0,2610²⁰ кг воды) заключена в ледниках. Ледниковые льды, например антарктический ледниковый покров, толщина льда в котором местами превышает 4 км, также содержат растворенные газы, но их количество незначительно.

Та часть атмосферы Земли, в которой образуются дождевые и снеговые облака, роса, туманы, изморозь  еще одна сфера, содержащая воду в различных фазовых состояниях. Воды немного, всего 1,410¹⁵ кг, но в атмосфере она все время возобновляется и перемещается вместе с воздушными массами быстрее, чем вода в реках. В считанные дни атмосферный водяной пар может обогнуть весь земной шар.

Вода океанов и морей, подземные воды, снежно-ледовые образования озер, рек, атмосферы находятся в непрерывном движении. В таком же движении находятся газы, содержащиеся в воде. Кислород и углекислый газ, растворенные в водах Мирового океана, обеспечивают существование в нем живых организмов.

Высокая растворимость углекислого газа в воде определяется его взаимодействием с водой:

СО₂(г) + Н₂О(ж) ⇄ Н₂СО₃(р-р) ⇄ Н⁺(р-р) + НСО₃^(р-р).

Если принять во внимание равновесие

СО₂(в атмосфере) ⇄ СО₂(в гидросфере),

становится понятной роль воды как гигантского источника углекислого газа. Вероятно, глобальная циркуляция вод океанов, насыщенных газами, является решающим фактором изменения климата на Земле.

Биохимические процессы

Биохимические процессы окисления-восстановления сопровождаются поглощением и выделением газов в атмосферу. Основным источником поступления кислорода в атмосферу являются живые организмы, осуществляющие процесс фотосинтеза. В первичной стадии фотосинтеза выделяется кислород:

Фотосинтез

6СО₂(г) + 6Н₂О(ж) ⇄ С₆Н₁₂О₆ (р-р) + 6О₂(г).

Клеточное дыхание

«Сжигание» органических веществ в результате клеточного дыхания, а также окисление органических веществ до неорганических при участии аэробных микроорганизмов приводит к поступлению в атмосферу углекислого газа.

Органическое вещество (С, О, Н, N, P, S)

При гниении, брожении в отсутствии кислорода разложение органического вещества происходит с участием анаэробных бактерий:

 NH₃ + H₂S + PH₃ + СН₄ + Н₂О.

Тогда главным образом образуются летучие гидриды: сероводород H₂S, аммиак NH₃, фосфин PH₃ и метан. Так происходит с белками и нуклеиновыми кислотами, содержащими азот, фосфор и серу.

Природные и техногенные химические процессы.

Поток солнечной энергии обеспечивает протекание химических реакций в атмосфере. О некоторых природных химических процессах образования газообразных веществ уже говорилось. В стратосфере под действием ультрафиолетового излучения образуется озон:

О₂  2О,

О₂ + О  О₃.

Грозовые разряды в тропосфере поставляют в атмосферу озон по вышеуказанной схеме и оксид азота по реакциям:

N₂ + О = NО + N,

N + О₂ = NО + O.

Техногенные выбросы газов в атмосферу разнообразны и зависят главным образом от процессов сжигания моторного топлива и топлива (каменный уголь, мазут, природный газ), используемого на тепловых электростанциях. При сжигании на электростанциях и в бытовых газовых горелках природного газа, основным компонентом которого является метан, образуются значительные количества углекислого газа:

СН₄(г) + 2О₂(г) = СО₂(г) + 2Н₂О(ж).

Сжигание каменного угля и мазута на электростанциях приводит к выбросу в атмосферу кроме углекислого газа, значительных количеств оксидов серы SO₂ и азота NO и NO₂. Это связано с окислением содержащихся в каменном угле и мазуте серо- и азотсодержащих органических примесей.

S и N – содержащие органические

вещества

+ хО₂(г) = СО₂(г) + Н₂О(ж) + SO₂(г) + NO(г) + NO₂(г).

В дизельных и бензиновых двигателях внутреннего сгорания температура сгорания топлива достигает 2000 ⁰С. При такой температуре азот и кислород воздуха реагируют с образованием оксида азота.

Состав и количество выбросов в атмосферу из основных источников загрязнения определяется стандартными методами. Используют понятие «факторы выбросов», характеризующие количество поступающего в атмосферу загрязняющего вещества в результате действия источника загрязнения [1]. Обычно факторы выброса выражают в виде массы или объема выделившегося вредного вещества на единицу массы или объема исходного компонента, единицу расстояния или продолжительности какого-либо процесса. Например, оценивают количество выделившегося оксида серы на 1 тонну сожженного каменного угля, или количество оксидов азота, получающихся в двигателе автомобиля на 1 км его пробега, или количество летучих органических соединений, испаряющихся из резервуара с бензином в течение суток. Полученные экспериментальным путем факторы выбросов умножают на производительность устройств или периодичность технологического процесса, что позволяет определить общее количество выбросов за определенный промежуток времени (табл. 6).

Т а б л и ц а 6