Общая характеристика атмосферы

ХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ В АТМОСФЕРІ

1. Загальна характеристика атмосфери

2. Чинники формування складу атмосферного повітря

3. Хімія верхніх шарів атмосфери

4. Хімія нижніх шарів атмосфери

5. Роль води в атмосфері

Атмосферні процеси займають важливе місце у формуванні кліматичних умов на Землі, в кругообігу речовин і забезпеченні стійкості біосфери. Стан атмосфери визначає тепловий і радіаційний режим на поверхні Землі. Хімічний склад повітря чинить безпосередній вплив на живі організми, що використовують для дихання атмосферний кисень і споживать воду, що поступає з атмосферними опадами.

Общая характеристика атмосферы

Атмосфера - це газова оболонка Землі. Її товщина (1000-1500 км - обмежена магнітопаузою) в середньому складає одну четвертую від радіусу Землі, а щільність в тисячу разів менше щільності води. Атмосфера є найменшою з геологічних резервуарів Землі. Її маса 5,15 · 10¹⁵ т (маса ядра – 1,90 10²¹, мантії – 4,00. 10²¹, кори – 2,4 ·10¹⁹, гідросфери – 2,4 ·10¹⁸ т).

Через відносно невеликі розміри атмосфера з усіх оболонок Землі найбільш чутлива до забруднення - навіть невеликі кількості забрудників можуть привести до значної зміни її стану.

Атмосфера - безперервна і найбільш рухлива із земних оболонок. Час перемішування атмосфери дуже малий. Це приводить, з одного боку, до розсіювання забрудників і послаблення їх дії, але з іншого боку, забруднення поширюються на великі території, змінюється склад атмосфери в цілому, виникають глобальні екологічні проблеми.

Нижня межа атмосфери співпадає із земною поверхнею. Різко вираженої верхньої межі атмосфера не має - вона поступово переходить в міжпланетний простір. За висоту верхньої межі умовно приймають 1000 км над поверхнею Землі.

Практично уся маса атмосфери (99 %) зосереджена в 40-кілометровому приземному шарі (90 % - в 30-кілометровому), на приземний шар заввишки 5,5 км доводиться 50 % усієї маси атмосфери.

У міру віддалення від поверхні Землі змінюються параметри атмосфери - тиск, температура, газовий склад (мал. 1). Зі збільшенням висоти тиск нестримно падає, і на висоті близько 50 км зменшується до 1 мм рт. ст. Із-за стисливості атмосфери на малих висотах тиск зменшується набагато швидше, ніж на великих, що описується барометричним рівнянням

р_Н = p₀: exp (-H/a),

де р_Н – тиск на висоті Н; р₀ – тиск на поверхні Землі; а - міра швидкості, з якою тиск падає з висотою (в нижній тропосфері приблизно 8 км).

Залежність температури атмосферного повітря від висоти над поверхнею Землі має складний характер, з максимумами і мінімумами (таблиця. 1). Характер температурної залежності визначає виділення в атмосфері по висоті декількох шарів, розділених вузькими перехідними зонами (паузами). Тропосферу і стратосферу відносять до нижніх шарів атмосфери, інші - до верхніх.

Зміна з висотою температури і тиску в атмосфері

Залежність температури атмосферного повітря від висоти над

Характер зміни температури в атмосфері залежить від особливостей хімічного складу повітря в різних атмосферних шарах. Пониження температури в тропосфері пов'язане зі зменшенням змісту в повітрі водяної пари, що найбільш інтенсивно поглинає теплове випромінювання Землі. Збільшення температури в стратосфері відбувається внаслідок протікання циклу екзотермічних фотохімічних реакцій утворення і руйнування озону. У мезосфері майже повна відсутність водяної пари і озону призводить до пониження температури повітря, а в іоносфері температура збільшується знову за рахунок реакцій, що відбуваються під дією жорсткого ультрафіолетового випромінювання Сонця.

Зміна температури в атмосфери

В цілому, область нижче 90 км характеризується інтенсивним перемішуванням (у горизонтальному напрямі - за рахунок обертання Землі, у вертикальному - за рахунок конвекції і турбулентного перемішування). Вище 120 км перемішування настільки слабке, що молекули газів розділяються гравітацією.

Середня молярна маса повітря в області інтенсивного перемішування така ж, як на рівні моря і складає 28,96 г/моль, а на висотах більше 90 км різко зменшується (на висоті 500 - 1000 км домінують водень і гелій).

Найбільш екологічно важливими компонентами атмосфери є наступні:

1) вода, що відбиває і поглинає теплове випромінювання Землі і тим самим зберігає температуру в нижніх шарах атмосфери;

2) озон, що поглинає жорстке ультрафіолетове випромінювання Сонця, захищаючи біоту і нагріваючи стратосферу;

3) вуглекислий газ, що відбиває тепло Землі і створюючий парниковий ефект.

Структура атмосфери

Как видно из рисунка, в зависимости от характера изменения температуры в атмосфере различают следующие основные слои:

¾ тропосферу (близько 80% маси атмосфери). Тут живуть більшість організмів;

¾ стратосферу (близько 20% маси). Тут знаходиться так званий озоновий шар;

¾ мезосферу (близько 0,3%). Тут спостерігається світіння атмосфери;

¾ термосферу (близько 0,05% маси). Тут йде іонізація повітря;

¾ екзосферу. Тут знаходиться межа газів, звідки йде їх витік в космос, в першу чергу водню.

6. Фактори формування складу атмосферного повітря

Баланс газів в ній підтримується за рахунок постійних процесів їх вступу і використання, наприклад, організмами, у тому числі людиною. Зокрема, на згорання палива йде до 25% кисню, що виділяється рослинами. Але їх кількість увесь час скорочується, а отже, скорочується і виділення кисню, і поглинання вуглекислого газу. В результаті тільки за минуле століття зміст останнього зріс на 10-15% і продовжує лінійно рости.

Склад атмосфери знаходиться в стані динамічної рівноваги, що складається під впливом діяльності живих організмів, геохімічних явищ і господарської діяльності людини. Атмосфера є нерівноважною хімічною системою, про що свідчать істотні відмінності спостережуваних концентрацій її компонентів і розрахованих рівноважних значень. Середній склад атмосферного повітря (фон, в середовищі якого відбуваються хімічні атмосферні процеси) представлений в таблиці. 2.

Середній склад сухого незабрудненого атмосферного повітря*

Атмосферу можна розглядати як резервуар, що має джерела і стоки речовин. Багато компонент атмосфери знаходяться в стійкому стані, який характеризується балансом між джерелом газу для атмосфери і стоком його з атмосфери:

Fвх = Fвих = А / τ,

где Fвх., Fвих – потоки речовини; А - загальна кількість газу в атмосфері, τ - час перебування газу в атмосфері (середньостатистичний час знаходження молекул в атмосфері з моменту вступу з джерела до моменту виводу з атмосфери в результаті хімічного перетворення або осадження на поверхню Землі).

Час перебування речовини - важливе поняття, що грає центральну роль в хімії довкілля: речовини з великим часом перебування можуть накопичуватися у відносно великих концентраціях в порівнянні з речовинами з меншим часом перебування; при високому значенні часу перебування внаслідок ефективності перемішування проявляється висока постійність концентрацій газу в атмосфері по усій земній кулі.

Відповідно до величиною часу перебування компоненти атмосфери умовно розділяють на три групи:

• стійкі компоненти (час перебування до декількох тисяч років): N2, O2, Ar і інші благородні гази;

• нестійкі компоненти (час перебування порядку 4 – 25 лет): CO2, CH4, N2O;

• сильноизменяющиеся компоненти (час перебування порядку 2 – 10 діб): SO2, NO2, NO, NH3, H2S, HCl та ін.

Оскільки на долю нестійких і сильнозмінних компонентів доводиться менше 0,1 % складу атмосфери, концентрації цих газів можуть легко змінюватися в результаті діяльності людини. Речовини, склад яких сильно змінюються, до того ж мають ту особливість, що незважаючи на свою малу концентрацію можуть помітно впливати на фізичний і хімічний стан атмосфери. Їх висока реакційна здатність може привести до накопичення продуктів реакцій, здатних впливати на якість атмосферного повітря. Значення часу перебування слідових компонентів атмосфери приведені в табл. 3.

Час перебування слідів газів в природному повітрі

Джерела атмосферних газів можуть бути розділені на три основні категорії: геохімічні, біологічні, антропогенні.

Поиск по сайту: