Химические процессы в тропосфере

В тропосфере температура воздуха с высотой уменьшается в среднем на 0,5 °C на 100 м. Область от 20 до 150 км называют хемосферой, ибо в ней протекает большинство фотохимических процессов; часть атмосферы от 100 до 400 км называют ионосферой, поскольку здесь господствует ионизация, а еще выше – и диссоциация многих компонентов атмосферы.

Современная атмосфера сформировалась около 2 млрд лет назад и поддерживается биогенными процессами.

Рисунок 10.4 Леса – это «легкие планеты»

За последние 100 лет изменение атмосферы составило по кислороду ^*) 0,01–0,02 % в сторону уменьшения. За последние 50 лет в среднем количество кислорода ежегодно уменьшается на 10 млрд т, и его использовано столько же, сколько за последний миллион лет. Это во многом связано с техногенной деятельностью человека. Так, пробег автомобиля от Москвы до Санкт-Петербурга требует такого объема кислорода, который необходим для дыхания человека в течение года. Действительно, при сжигании 1 л бензина в двигателе внутреннего сгорания расходуется до 1,5 кг кислорода, если углеводородное горючее сгорает до CO₂ и H₂O. К сожалению, часть горючего при переходных режимах работы двигателя сгорает не полностью или окисляется только до CO. Автомобильный транспорт служит основным источником загрязнения воздуха больших городов и прилегающих территорий. Поскольку на одну весовую часть горючего приходится до 15 весовых частей воздуха, то кроме CH_x и CO в атмосферу выбрасываются продукты окисления атмосферного азота, в основном NO и NO₂.

^*) Масса кислорода в современной атмосфере составляет 1,5 ∙ 10¹⁵ т.

Некоторые сорта бензина содержат в качестве антидетонационной добавки тетраэтилсвинец Pb(C₂H₅)₄. Поэтому и по сию пору автомобильный выхлоп служит основным источником загрязнения атмосферы свинцом и его соединениями. В промышленных районах и вдоль дорог содержание свинца в 25–30 раз больше, чем в сельской местности.

Твердое топливо, особенно низкосортные каменные угли и некоторые мазуты, при сжигании загрязняет атмосферу оксидами серы SO_x, если не использовать химические поглотители. Так, обработка токсичных газов гашеной известью или известняком позволяет поглотить до 90 % SO₂:

Нарушение кислородного баланса связывают с уменьшением площади «легких планеты», вызванным нерациональной вырубкой лесов Сибири и Южной Америки, загрязнением мирового океана.

В тропосфере фотохимические процессы ограничены реакцией

Возбужденные молекулы, теряя энергию при столкновении с другими молекулами, повышают температуру тропосферы примерно на 20°. Повышение содержания CO₂ лежит в основе парникового эффекта.

В нижних слоях атмосферы процессы с участием солнечного излучения и продуктов автомобильных выхлопов обусловливают образование «фотохимического смога», основу которого составляет пероксоацетилнитрат (ПАН).

Смог начинает развиваться с появлением первичных продуктов, загрязняющих атмосферу, которые сами по себе могут быть неядовитыми и неактивными в химическом отношении.

Атмосфера постоянно пополняется газами биохимического происхождения, образующимися при разложении микроорганизмами продуктов растительного и животного происхождения: CH₄ и другие углеводороды, CO₂, N₂, H₂S, H₂, O₂. Под воздействием на горные породы высоких температур и давлений в атмосферу поступают газы химического происхождения (CO₂, H₂S, H₂, CH₄, CO, N₂, HCl, HF, NH₃, SO₂), а также продукты вулканического происхождения и, наконец, газообразные продукты радиоактивного распада (He, Ar, Kr, Xe, Rn).

Химия атмосферы

Масса атмосферы составляет 9∙10^–5 % от массы Земли; ее состав приведен в табл. 10.1. На рис. 10.2 схематически изображено ее строение до высоты 100 км. Выше 100 км примерно до 1000 км простирается экзосфера, ниже – термосфера (85–100 км), мезосфера (50–85 км), стратосфера (10–50 км), и самый нижний слой составляет тропосферу (до 10 км). 90 % массы всей атмосферы сосредоточено в слое до 16 км, выше 100 км находится одна миллионная часть всей массы атмосферы.

Газ Содержание, об. % Газ Содержание, об % N2 78,09 Kr 1,0∙10–4 O2 20,95 CH4 1,4∙10–5 Ar 0,93 H2 5,0∙10–6 CO2 0,03 Xe 8,0∙10–5 Ne 1,8∙10–4 NOx 5,0∙10–5 He 5,24∙10–4 O3 1,0∙10–6

Таблица 10.1 Химический состав сухого воздуха тропосферы *)

^*) Средняя молекулярная масса сухого воздуха равна 28,97.