Хімічний склад атмосфери

Дата добавления: 2014-11-10; просмотров: 2119

Атмосфера є найменшим з геологічних резервуарів Землі. Саме обмежені розміри роблять атмосферу такою чуттєвою до забруднення. внесення навіть невеликих кількостей речовини може призвести до значних змін в фізико-хімічних процесах, що в ній відбуваються. В порівнянні з іншими земними оболонками атмосфера має ряд властивих тільки їй особливостей – високу рухомість, мінливість її компонентів, своєрідність фізико-хімічних процесів.

В атмосфері, яка являє собою суміш газів, діє закон парціального тиску Дальтона. Тому тиск окремих газів в атмосфері буде падати з тією ж швидкістю, що і загальний тиск. Це можна представити у вигляді барометричного рівняння:

р_z=p_o·e (3.2)

де – тиск на висоті z; – тиск біля поверхні землі; H – висота (близько 8,4 км у нижній тропосфері, а також міра швидкості, з якою тиск падає з висотою).

Головними компонентами атмосфери (таблиці 3.2) є азот, кисень і аргон. на їх частку в приземному шарі припадає відповідно 78, 21 і 0,9% (об.). На долю всіх інших компонентів припадає менше 0,1% (об.), але їх роль в загальній динаміці стану атмосфери надзвичайно велика, оскільки вони, незважаючи на незначні концентрації, істотним чином впливають на фізичні властивості атмосфери. Присутність природних домішок в земній атмосфері в кількостях, наведених в таблиці 3.2, не можна розглядати як забруднення, тому що вони є постійними компонентами атмосфери, а їх вміст, зазвичай, у сотні і тисячі разів менший за гранично допустимий.

Об'ємні концентрації компонентів, що постійно містяться в атмосфері, так званих «квазіпостійних», залишаються практично незмінними до висоти 100км. Вміст інших компонентів, „активних” домішок, істотно змінюється залежно від пори року, географічного положення і висоти над рівнем моря.

Зміна складу атмосфери з висотою визначаються двома причинами. По-перше, вона зумовлена дифузійним розділенням: більш легкі молекули і атоми слабше притягаються до Землі. За довгий період часу вони перемістилися у верхні шари атмосфери. Елемент Гелій, вміст якого в атмосфері на рівні моря дуже малий, на висотах від 500 до 1000км стає найголовнішим компонентом атмосфери. Нагадаємо, що на цих висотах взагалі дуже мало атомів або молекул.

Таблиця 3.2 – Природний хімічний склад атмосферного повітря (*)

* концентрації дані в перерахунку на сухе повітря

По-друге, зміна складу атмосфери з висотою викликається хімічними реакціямипід впливом сонячної радіації(рисунок 3.1). Електромагнітне випромінювання Сонця і частинки високої енергії, які викидаються, бомбардують атмосферу і поглинаються нею. Поглинання енергії призводить до дисоціації і іонізації атомів і молекул.

Рисунок 3.1 – Зміна складу атмосфери з висотою

завдяки нерівномірному нагріванню сонячними променями у різних широтах, особливо між полярними і екваторіальними зонами, атмосферне повітря інтенсивно циркулює. Циркуляція повітря усереднює склад компонентів у ньому та сприяє переміщенню як водяної пари з океанів у континентальні райони, так і забруднень на великі відстані.

Тривалість перебування домішок в атмосфері, їх «час життя», залежить від їх хімічної активності, розчинності у воді, розмірів (для аерозолів). Речовини, що мають великий «час життя», добре перемішуються в атмосфері, й таким чином можна очікувати високу постійність їх концентрацій по всій земній кулі. Якщо ж у речовини тривалість перебування в атмосфері мала, висока імовірність її локальних виявлень. Гази з коротким часом перебування в атмосфері легко поглинаються рослинами, твердими речовинами, водою. Але найбільш частою причиною нетривалого перебування домішок в атмосфері є протікання хімічних реакцій. більшість частинок, що утворюються в результаті реакцій, швидко видаляються з атмосфери з дощами й тому мають «час життя» близький до тривалості перебування атмосферної вологи. Водяна пара в атмосфері, як і розчинені в ній гази й аерозолі, характеризуються «часом життя» в атмосфері біля 10 діб. Домішки з великим «часом життя» можуть накопичуватися в відносно високих концентраціях в порівнянні з тими, тривалість перебування яких менше. Але навіть якщо домішки з коротким «часом життя» швидко виводяться з атмосфери, їх висока реакційна спроможність може призвести до накопичення продуктів реакції – вторинних забруднювачів.

Атмосфера поблизу поверхні Землі, як тропосфера, так і стратосфера, містять не тільки гази, а й дрібнодисперсні рідкі і тверді частинки у зваженому стані – аерозолі. В аерозолях міститься основна маса хімічних інгредієнтів, які випадають на поверхню Землі з атмосферними опадами або в результаті процесів седиментації. Характерною властивістю аерозольних систем є їх нестійкість. Седиментація, випаровування, конденсація, електромагнітні поля, броунівський рух – ці різноманітні фізичні фактори можуть призвести до змін в аеродисперсній системі. В свою чергу, прояв кожного з цих факторів залежить від властивостей самих аерозолів.

Поведінка аерозолів в повітряному потоці визначається коефіцієнтом дифузії та швидкістю осадження. важливу роль у виведенні з атмосфери аерозолів, що мають густину помітно більшу за густину повітря і достатньо великі розміри (частинки з радіусом 20мкм і більше) відіграє гравітаційне осідання. Швидкість гравітаційного осідання w_a визначається співвідношенням сил гравітаційного тяжіння й аеродинамічного опору для даної частинки. При визначеному ступені в’язкості середовища аерозолі осідають із швидкістю, яка описується рівнянням Стокса:

(3.3)

де w_a - вертикальна швидкість прямування частинки; g - прискорення сили тяжіння; r_п – густина повітря; r - густина частинки; r - радіус частинки; h - в’язкість середовища.

Для аерозолів з радіусом менше 5мкм процесами седиментації можна знехтувати. Найбільш діюча трансформація таких домішок відбувається при включенні їх у процеси хмаро- і туманоутворення в якості ядер конденсації, а також при поглинанні їх опадами в хмарах і під ними.

Середній час перебування компонентів в атмосфері в умовах динамічної рівноваги можна визначити з рівняння:

τ = А/Q, (3.4)

де τ – час перебування речовини в атмосфері, в одиницях часу; А – кількість речовини в атмосфері, в одиницях маси; Q – швидкість надходження або виведення речовини з атмосфери, в одиницях маси на одиницю часу.

Атмосферне повітря ніколи не буває абсолютно чистим. Загальна кількість забруднювачів, що постійно перебувають в атмосферному повітрі над планетою, складає приблизно 10млн. т, що зумовлено як господарською діяльністю людини, так і процесами, що відбуваються у природі. Частина домішок під впливом сили тяжіння й інших факторів випадає на земну поверхню. Більшість хімічних сполук зазнає серйозних змін під дією УФ-радіації, вологи, озону і кисню повітря. Продукти цих реакцій, а також вихідні сполуки, які безпосередньо викинуті в атмосферу (первинні забруднювачі), взаємодіють між собою й утворюють іноді ще більш токсичні і небезпечні сполуки (вторинні забруднювачі).

Під впливом атмосферних опадів, сонячної радіації, перенесення повітряних мас, взаємодії з гідросферою й літосферою та діяльності мікроорганізмів атмосферне повітря позбавляється від сторонніх домішок. Цей процес називають самоочищенням атмосфери. Проте, в деяких випадках, а саме при низькому природному потенціалі атмосфери щодо самоочищення, в атмосфері переважають процеси накопичення забруднюючих речовин.