Хімія верхніх шарів атмосфери

Верхні шари атмосфери значною мірою визначають умови життя на поверхні Землі. Вони грають роль захисного бар'єру на шляху випромінювань і часток високої енергії. Сонячна радіація здійснює іонізацію земної атмосфери на висотах від 50 до 1000 км над поверхня Землі, створюючи так звану іоносферу Землі, що складається з позитивно заряджених іонів і електронів. У іоносфері Землі у міру видалення від поверхні виділяють іоносферні шари D (нижче 100 км), E (близько 100 км), F (близько 300 км). Просторовий розподіл іонів і електронів в іоносфері залежить від сонячної активності, а також від пори року і часу доби.

Розглянемо послідовно ці шари.

ТЕРМОСФЕРА

У екзосфері газів мало, вони надзвичайно розріджені і тому не мають вирішального значення для хімії атмосфери. Тут переважно знаходяться атоми водню, гелію, а нижче - кисню.

Хімічні процеси в атмосфері починаються приблизно з висоти 250 км, коли концентрація газів (N₂ і О₂) досягає 10^-9 см³ і відбувається помітне поглинання жорсткої ультрафіолетової складової сонячного випромінювання. Активно здійснюється поглинання набагато нижче 90-100 км.

Основні типи реакцій в термосфері наступні:

а) гомолітичний розпад молекул O₂ (дисоціація):

O₂→ 2O (<240 нм)

О₂ + hν → O (¹D)+ O (³P), (λ < 242 нм)

(реакція йде і у зворотному напрямі з виділенням тепла);

б) В іоносфері на висотах 90 - 200 км основними первинними іонами є іони N₂⁺, O₂⁺, O⁺, що утворюються в результаті поглинання, нейтральними частками N₂, O₂, і O найбільш короткохвильового випромінювання (80 - 135 нм) з наступною іонізацією:

N₂ + hν → N₂⁺ + ē

O₂ + hν → O₂⁺ + ē

O + hν → O⁺ + ē

в) Заряджені частки в іоносфері зникають в результаті реакцій диссоціативній рекомбінації (відновлення):

N₂⁺ + ē → N + N

O₂⁺ + ē → O + O

NO+ + ē → N + O

Іоны O+, N2+, O2+ вступають в екзотермічні реакції з нейтральними частками, в результаті яких відбувається перенесення заряду, яке може супроводжуватися розривом зв'язку (таблиця. 4)

г) перенос заряду:

д) обмін (реакції з розривом зв’язку):

Для відновлення частки NO⁺ потрібно висока енергія, тому NO⁺ накопичується у верхніх шарах термосферы, які називаються іоносферою.

На висоті до 90 км поглинається значна частина короткохвильового УФ, хоча основна реакція, відповідальна за це, йде нижче.

МЕЗОСФЕРА. СТРАТОСФЕРА. ЦИКЛ ОЗОНУ

У мезосфері йдуть складні фотохімічні процеси за участю вільних радикалів і збуджених часток, що визначають світіння атмосфери. З висоти близько 50 км і до 20 км включно протікають реакції за участю кисню, Чепмена (мал. 7), що відносяться до циклу.

Цикл Чепмена - процеси утворення і розкладання озону. Основні реакції утворення озону в цьому циклі:

(реакція починається в термосфері, вона оборотна; утворення атомарного оксисену проходить на висоті 90-250 км O₂→ 2O)

Зірочка (*) означає активовану частку.

Нестабільна молекула озону у збудженому стані (O₃*) перетворюється на стабільну молекулу озону в результаті реакції з так званою третьою часткою, якою виступають молекули кисню і азоту, що містяться в повітрі в найбільшій кількості:

O₃*+ M → O₃ + M* + 107 кДж

На висоті 20-25 км в стратосфері знаходиться максимальна кількість озону. Багато реакцій циклу Чепмена протікають з виділенням тепла, яке призводить до росту температури у вказаних шарах. Разом з процесом утворення озону в атмосфері відбувається його витрачання в реакції взаємодії з атомарним киснем:

O3 + O → 2O2 + 391кДж

а також основна реакція циклу Чэпмена, важлива для збереження життя на Землі, оскільки вона йде з поглинанням основної долі жорсткого УФ:

Остання реакція вносить в стік озону з атмосфери найбільший вклад. Ця реакція протікає не лише в стратосфері, але і у верхніх шарах тропосфери, у тому числі і тоді, коли утворення озону в результаті фотохімічної реакції вже не відбувається.

В результаті усіх реакцій за участю озону в стратосфері встановлюється деяка його стаціонарна концентрація, визначувана співвідношенням швидкостей утворення і витрачання озону. Реакції

O₂ + O(³P) + M → O₃ + M*

O₃ + hν → O₂ + O(³P)

називають нульовим циклом озону.

СТРАТОСФЕРА. ЦИКЛ СІРКИ. КИСЛОТНІ ДОЩІ

У стратосфері найважливішим для екології Землі є цикл сірки, що призводить до утворення сірчаної кислоти і кислотних дощів (мал. 8).

Рис. Цикл сірки

Найважливіші реакції цього циклу, що часто починаються з перетворення карбонілсульфіду (COS) - продукту вулканічної і антропогенної діяльності, а також сірки і сірководню, наступні:

Реакція окислення діоксиду сірки (сірчистого ангідриду SO₂) до триоксиду (сірчаного ангідриду SO₃) протікає тільки в присутності в повітрі окисників: кисню, озону, пероксиду водню. Вона ініціюється сонячним випромінюванням, а сприяє їй наявність каталізаторів оксидів металів і води, розчиняючись в якій сірчаний ангідрид перетворюється на сірчану кислоту.

Кислота, що утворюється в краплях води в хмарах (аерозолях) далі випадає разом з опадами на землю (кислотні дощі). Сірчанокислі (плюс азотнокислі дощі - 30% від усієї кількості кислотних дощів) порушують кислотний і сольовий баланс у водоймах (у кислому середовищі розчиняються мінерали, в результаті у воду переходять важкі метали), руйнують грунт і рослинні тканини, а також покриття (корозія металів) і будови, призводять до захворювань дихальних шляхів і загибелі багатьох організмів.

Поиск по сайту: