Виведення хімічних речовин із тропосфери

Виведення та перетворення хімічних речовин у тропосфері відбувається як хімічним шляхом, так і за рахунок фізичних і фізико-хімічних процесів, таких як вологе та сухе осадження речовин.

Табл.3. Шляхи виведення забруднюючих речовин із тропосфери

Процеси поглинання	Компоненти
Фізичні процеси   Сухе осадження на водну поверхню Сухе осадження на суходіл   Вологе осадження з опадами	SO2, O3, HN03, CO2, H2O2   SO2, O3, HNO3, CO2, H2O2,   HC1, H2SO4, NH3, S02, HNO3, H202 і аерозольні частинки
Хімічні і фотолітичні процеси   Окиснювання з OH-радикалами     Прямий фотоліз   Реакції в хмарах і аерозолях	VOC, CO, S02, N02, H2O2, H2S, DMS...   O3, HCHO,CH3I, H2O2, NO2, NO3   H2SO4, NH3, S02, HNO3, H2O2, N2O5

 

 

Основним типом хімічних реакцій в тропосфері є реакції окислення, які ініціюються вільними радикалами в присутності оксидів азоту та за наявності сонячного світла.

Вільні радикали - це надзвичайно реактивні молекули або атоми з непарним електроном. Саме цим вони і відрізняються від звичайних атомів, або молекул.

Радикали з’являються в атмосфері завдяки фотолізу або хімічним реакціям і реагують з молекулами, атомами, іншими радикалами в довгих серіях ланцюгових реакцій. Вони дуже реактивні і здатні „витягнути” атоми або електрони з інших молекул, щоб заповнити їх зовнішню порожнину в електронній оболонці. Молекула, з якої вилучається електрон, сама перетворюється у новий радикал, який вступає в реакцію з іншою молекулою і т.д. Така ланцюгова реакція відбувається доти, доки не завершиться об’єднанням двох вільних радикалів і утворенням стійкої сполуки.

В хімічних реакціях, які відбуваються в тропосфері, центральна роль належить гідроксильним радикалам (НО ^.).

Гідроксильний радикал – фрагмент надзвичайно стійкої молекули води; до стану якої він постійно намагається повернутися шляхом приєднання атому водню від сусідніх речовин.

Реакції з НО ^. в тропосфері значно пришвидшують швидкість перетворення хімічних речовин, їх розчинність у воді та «вимивання» речовин із атмосфери.

Без гідроксильних радикалів хімічні процеси в атмосфері відбувалися б зовсім по-іншому, що привело б до формування зовсім іншого хімічного складу атмосфери, шкідливого для навколишнього середовища. Адже відбувалося б накопичення забруднюючих речовин та парникових газів в атмосфері.

Дослідження показали, що очищення атмосфери забезпечується доволі незначною концентрацією гідроксильних радикалів, яка в середньому становить близько 10⁶ молекул на см³[Dieter Kley Tropospheric Chemistry and Transport1043 (1997); 276 Science ].

Звичайне співвідношення для НО ^. в сумішах становить від 1 до 4^.10^-14 .

Концентрація НО ^. залежить від концентрації озону, летких органічних сполук (ЛОС), окислів азоту. Процеси дифузного чи адвективного транспортування речовин теж впливають на формування концентрації НО ^. .

Якщо взяти до уваги, що швидкість окислення забруднюючих речовин киснем протікає в атмосфері досить повільно, а їх захоплення водяними краплями незначне, то стає зрозумілим, що реакції з гідроксильними радикалами є основним шляхом виведення шкідливих для навколишнього середовища речовин із атмосфери.

Тропосфера в цілому являє собою окислювальне середовище, в якому завдяки реакціям з гідроксильними радикалами відбувається перетворення газоподібних вуглеводнів (метан та ін.) на альдегіди, а потім на кислоти і, далі, на двоокис вуглецю. Подібні процеси відбуваються і з іншими хімічними речовинами. Так речовини, що містять сірку (наприклад H₂S) окислюються до SO₂ та сірчаної кислоти, а газоподібні сполуки азоту NO_x – до азотної кислоти.

Сухе осадження (подивитися в Израель ) є також одним із шляхів виведення забруднюючих речовин із атмосфери. Це процес прямого переміщення речовин із атмосфери на земну поверхню без участі опадів.

Сухе осадження ефективне в тих випадках, коли існують хімічні або біологічні передумови поглинання атмосферних газів з приземного шару атмосфери. Механізм сухого осадження існує для SO₂, O₃, CO₂ та SO₃, в то время как микробиологические сливы известны для CO і H₂.

Сухе осадження відбувається в три етапи:

- речовини переносяться повітряними потоками в конкретне місце якомога ближче до земної поверхні, де рух повітря має ламінарний характер;

- речовини перетинають поверхню поглинання (наприклад, шляхом дифузії);

- речовини поглинаються стор 326 Вейн

Величина сухого осадження описується напівемпіричним рівнянням

F = -udC,

де F – величина потоку речовин, які знаходяться в атмосферному повітрі на певній висоті над земною поверхнею і їх кількість оцінюється концентрацією С; ud – швидкість осідання речовини.

Величини F і ud в однаковій мірі залежать від висоти з якої надходять речовини.

Інтенсивність поглинання газів чи дрібних аерозольних частинок одиницею поглинальної поверхні прямо пропорційна концентрації газу чи частинок над цією поверхнею [ Fowler D. Removal of sulfur and nitrogen compounds from the atmosphere in rain and by dry deposition// Ecological Impact of Acid Precipitation. -Oslo:Vilkko Trykkeri.-1980. –P.22-32.].

Швидкість осідання(це не зовсім осідання,осадження – це можливо поглинання??) речовини визначається експериментальним шляхом. Експеримент у закритій камері показав, що природні поверхні, такі як лися рослин, є дуже ефективними поглиначами. Наприклад швидкість осадження етену на листі шпинату, трави, оголеному грунті і на воді становить відповідно 74, 150, 27 і 1,6 µms^-1. Для різних вуглеводнів були отримані різні значення величини ud. Так, для алканів (n-гексанів) для вище згаданих поверхней її значення становило відповідно 43, 49, 22 і 3 µms^-1, а для алкінів (ацителен)- 2,65, 16 і 1,6 µms^-1.

Надзвичайно низькі значення цих величин ще раз свідчать про те, що сухе осадження не є головним і важливим шляхом виведення речовин із атмосфери.

Вологе осадження - це процеси виведення речовин із атмосфери під час випадання опадів (вимивання) або під час конденсації водяної пари у хмарах. Воно є ефективним лише для тих речовин (газів), які добре розчиняються у воді. Частинки речовин можуть відігравати роль ядер конденсації водяної пари. Вони також можуть захоплюватися вже утвореними краплями води.

Вологе осадження відбувається в декілька етапів:

1) конденсована в атмосфері вода – «гідрометеор» та хімічна речовина повинні зіткнутися одна з одною;

2) речовина поглинається краплею води;

3) гідрометеор досягає земної поверхні.

Важливу роль для створення передумов вологого осадження газоподібних хімічних речовин відіграє їх перетворення в процесі протікання цілого ряду хімічних реакцій в тропосфері. В результаті цих реакцій утворюються нові хімічні продукти, які можуть бути виведені з атмосфери фізичним шляхом - шляхом вологого осадження.