Содержание
Атмосфера – смесь газов
Состав воздуха изучен довольно давно. В 1756 г. М.В. Ломоносов установил, что при прокаливании металлов к ним присоединяется какая-то часть воздуха. Это газ кислород. Он был открыт в 1774 г. англичанином Джозефом Пристли.
М.В. Ломоносов
Джозеф Пристли
Антуан Лавуазье
При испытании оставшейся части воздуха оказалось, что горящая свеча там гаснет, мыши гибнут. Этот газ был назван «безжизненным», или азотом (приставка «а» означает «без», «зоо» – жизнь). В 1774 г. французский учёный Антуан Лавуазье изучил основные части атмосферы и дал им названия. Так доказали, что в ней содержится кислород и азот. Впоследствии обнаружили, что, кроме этих двух составляющих, там присутствует углекислый газ, пары воды, инертные газы.
Постоянные компоненты воздуха
| Название газа | Доля в воздушной смеси по объёму, % |
| Азот | 78,09 |
| Кислород | 20,95 |
| Инертные газы | 0,94 (включая 0,93% аргона) |
| Углекислый газ | 0,03 – 0,04 |
| Пары воды и примеси | 0,03 |
Кроме постоянных компонентов, в атмосфере могут находиться примеси-загрязнители: сернистый газ, угарный газ, избыток углекислоты и другие. Они выделяются при горении лесов, извержении вулканов, биохимических реакциях.
Но прежде всего это пыль. Особенно её много в приземном слое. Даже после дождя в 1 см3 воздуха насчитывается до 30 тыс пылинок. Они образуются в результате распада горных пород, эрозии почв, извержения вулканов, лесных и торфяных пожаров, работы промышленных предприятий, транспорта.
При сильном ветре морские брызги быстро испаряются, оставляя в атмосфере крошечные частицы соли. Случайные примеси приносят и вихри. Вместе с дождём на землю выпадают частички песка, пепла, мела, отходов производства.
Функции
Воздух представляет собой смесь газов в определённых пропорциях. В процессе развития жизни на Земле все организмы приспособились именно к такому составу атмосферы и очень чутко реагируют на его изменения.
Особое значение имеет кислород как главный компонент биологического окисления. Для поддержания обмена веществ требуется непрерывная его доставка в ткани и клетки.
Атмосферный азот служит источником соединений, необходимых для питания растений, а углекислый газ – для осуществления процесса фотосинтеза.
Атмосфера оказывает не только прямое влияние на живые организмы, но и косвенное, поскольку от неё зависит характер солнечной радиации, достигающей поверхности Земли, климат и другие факторы, регулирующие существование биосферы. Она охраняет животный и растительный мир от губительного влияния космического излучения.
Воздух является одной из главных частей механизма, контролирующего круговорот воды, кислорода, азота, углерода. Через воздушную оболочку проникают солнечные лучи – источник жизни. Атмосфера прозрачна для электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от 0,3 до 0,52 нм, в которых заключено 82% всей энергии солнечных лучей, а также для радиоволн с длиной от 1 мм до 30 м. Жёсткое коротковолновое излучение – рентгеновские и гамма-лучи – поглощается всей толщей атмосферы и не доходит до поверхности Земли.
Таким образом, атмосфера – регуляторный механизм биосферы.
Это и надёжная защита нашей планеты от метеоритов. Не будь её, они сыпались бы как дождь. Пока метеориты летят через воздух, они встречают его сопротивление, раскаляются и сгорают. Это явление называется «звёздный дождь» или «падающие звёзды».
Без атмосферы не могут существовать живые организмы. Человек усилием воли может не дышать лишь несколько секунд, вот почему, вспоминая о чём-то важном, мы говорим: «Это надо нам как воздух».
В философском аспекте воздушная оболочка планеты – это небо, вдохновляющее поэтов и художников, влияющая на наше настроение. Неспроста влюблённые мечтают именно под звёздами!
Особое значение имеет озон О3, интенсивно поглощающий коротковолновые ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 0,29 нм. При этом он сильно разогревается и препятствует потере тепла нижними слоями атмосферы. Таким образом, атмосфера защищает жизнь на планете. Вместе с тем она пропускает инфракрасное излучение солнца, но благодаря содержащемуся в ней озону, углекислому газу и водяному пару непрозрачна для ИК-лучей Земли.
Если бы эти газы не содержались в атмосфере, Земля превратилась бы в безжизненный шар, средняя температура на поверхности которого была бы – 23 °С, в то время когда она фактически равна +14,8 °С.
Строение
Верхние слои атмосферы самые разрежённые: частички газов, входящих в её состав, находятся друг от друга на больших расстояниях. В нижних слоях воздух более плотный. Основная часть образующих воздушную оболочку газов (почти 90%) располагается в нижнем, прилегающем к земной поверхности, слое. Он называется тропосферой (от греч. «тропос» – поворот).
В тропосфере протекает жизнь человека, животных, растений. Верхняя граница тропосферы над экватором находится на высоте 16-17 км, над полюсами она ниже – на высоте 8-9 км. Здесь содержится почти вся атмосферная влага. Именно в тропосфере формируются облака, несущие дождь, снег, град, а также происходит непрерывное движение воздушных масс, образуется ветер.
Над тропосферой до высоты 50-55 км простирается стратосфера (от лат. «стратум» – слой). Там воздух находится в разрежённом состоянии. Здесь практически отсутствует водяной пар, поэтому не образуется облаков.
Озоновый экран
На высоте от 20 до 50 км в стратосфере есть слой озона. Это газ с запахом свежести. Его можно ощущать после грозы. Связано это с тем, что под действием электрических разрядов кислород превращается в озон. В атмосфере он находится в очень разрежённом состоянии. Наибольшая его концентрация на высоте 20-25 км образует слой, называемый озоновым экраном.
Он, словно щит, оберегает всё живое от солнечной радиации, задерживая самую губительную его часть – ультрафиолетовые лучи. Полное исчезновение озонового слоя привело бы к гибели всех живых существ на Земле.
В стратосфере озон образуется и разрушается, но количество его остаётся относительно постоянным. Однако в последнее время отмечается сокращение этого газа в стратосфере.
Тому есть как минимум две причины:
В атмосферу поступает повышенное количество газов, содержащих азот, которые, вступая в соединение с озоном, разрушают его, тем самым меняя сложившееся в природе равновесие.
Особенности химии тропосферы
До пограничного слоя между тропосферой и стратосферой доходит излучение с длиной волны менее 300 нм. Основные компоненты воздуха с ним не взаимодействуют, в тропосферных фотохимических реакциях участвуют так называемые малые газовые составляющие (МГС). Именно МГС в наибольшей степени подвержены антропогенным воздействиям.
Ключевая роль в процессах окисления принадлежит не молекулярному кислороду, а кислородсодержащим частицам, присутствующим в относительно небольших количествах. Молекулы и радикалы-окислители, образующиеся в реакциях, инициируемых солнечным излучением, называются фотооксидантами: O3, O˙, HO˙, HOO˙, R˙ и др.
Рассмотрим некоторые из них.
Ключевую роль в химических превращениях в тропосфере играет гидроксидный радикал HO˙. Его концентрация составляет (0,5-5) ·106 см — 3, время жизни 1 с.
Он поступает в нижние слои двумя путями:
1) Взаимодействием молекул воды, метана и водорода с участием атомарного кислорода, образующегося при фотодиссоциации (разрушении под действием квантов света) кислорода, озона, оксидов азота:
H2O + O˙ = 2 HO˙
CH4 + O˙ = CH˙3 + HO˙
H2 + O˙ = HO˙ + H˙
2) Фотодиссоциацией перекиси водорода, азотной и азотистой кислоты при длине волны равной 340 нм
H2O2 + hɣ = 2HO˙
HONO2 + hɣ = HO˙ + NO˙2
HONO + hɣ = HO˙ + NO˙.
Удаление данного радикала из атмосферы происходит взаимодействием с угарным газом, метаном, оксидом азота (II).
Концентрация пероксидного радикала в тропосфере составляет 107-108 см – 3, время жизни 1 мин. Он образуется, когда гидроксильный радикал «встречается» с озоном, перекисью водорода, атомарным водородом:
HO˙ + O3 = HOO˙ + O2
HOOH + HO˙ = HOO˙ + H2O
H˙ + O2 = HOO˙
Из всех фотооксидантов в атмосфере Земли озон присутствует в наибольших количествах.
Его источники следующие:
- миграция из стратосферы (приток невелик);
- образование в тропосфере с участием частиц природного и антропогенного происхождения.
Природные частицы – это органические вещества, выделяемые растениями (например, изопреноиды), продукты горения биомассы. Они обусловливают концентрацию озона до 10-40 млрд – 1 (ppb). Антропогенные частицы – оксиды азота, угарный газ, метан – обеспечивают содержание озона до 200 млрд – 1. Концентрация озона в тропосфере возрастает с ростом скорости накопления в ней оксидов азота.
В городах прослеживаются суточные колебания количества озона:
- утром максимальное содержание оксида азота, озона мало;
- днём концентрация газа со свежим запахом достигает максимума.
Механизм образования озона в стратосфере называется «нулевым» циклом, или циклом Чепмена (1930).
При длине волны менее 240 нм протекает фотохимическая реакция:
O2 + hɣ → O˙ + O˙
O˙ + O2 + M = O3 + M˙, где М – третье тело (N2, O2 и проч.).
Разрушается этот газ под действием длин волн менее 310 нм:
O3 + hɣ → O2 + O˙
O˙ + O2 = 2O2 + 392 кДж
Каталитические циклы разрушения озонового слоя
Первые статьи, излагающие теории разрушения озонового экрана, появились в 1970-е гг. В 1995 г. Нобелевская премия по химии была вручена американцам Ш. Роуленду и М. Молина, а также П. Крутцену из Германии.
Ш. Роуленд
М. Молина
П. Крутцен
Общая схема этого процесса выглядит так:
2O3 + hɣ = 3O2.
Механизм данной реакции следующий:
X˙ + O3 = XO˙ + O2
O3 + hɣ = O2 + O˙
XO˙ + O˙ = X˙ + O2
Существуют разные циклы окисления озона:
- Азотный (частицы-участники: N˙, NO˙, NO˙2, HNO3 и др.);
- Хлорный (частицы-участники: Cl˙, ClO˙, HCl, ClOO˙);
- Бромный (частицы-участники: Br˙, BrO˙, BrOO˙, HBr и др.);
- Водородный (частицы-участники: H˙, H2, HO˙, HOO˙, H2O, H2O2).
В качестве примера рассмотрим реакцию с хлором:
Cl˙ + O3 = ClO˙ + O2
O3 + hɣ = O2 + O˙
ClO˙ + O˙ = Cl˙ +O2.
Суммарно: 2О3 + hɣ = 3O2.
Источниками хлора могут быть:
Выведение из цикла:
Cl˙ + CH4 = HCl + CH˙3
NO2 +ClO˙ = ClONO2.
Закисляют атмосферу оксиды серы и азота.
Диоксид серы имеет два вида источников:
- Естественные (около 40% поступления серы в атмосферу):
а) микробиологические превращения;
б) морские аэрозоли;
в) вулканическая деятельность;
г) лесные пожары.
- Антропогенные (более 60% поступления серы):
а) сжигание ископаемого топлива;
б) металлургия;
в) производство и использование серной кислоты.
У растений диоксид серы SO2 разрушает хлоропласты и другие клеточные органеллы. Интенсивность фотосинтеза при этом снижается в 1,5 -2 раза. Особенно чувствительны к этому газу хвойные. При концентрации одной части SO2 на миллион частей воздуха у пятилетних елей происходит пожелтение и опадение хвои всего за два месяца.
Классификация процессов окисления МГС на примере серы
| Название | Пример |
| Газофазное | В стратосфере окислителем служит атомарный кислород
SO2 + O˙ ↔ SO3 |
| Жидкофазное в растворе после абсорбции в каплях влаги | SO2 (раств.) + H2O2 = H2SO4 |
| Твёрдофазное на поверхности твёрдых частиц после адсорбции | Диоксид серы адсорбируется на частицах пыли, содержащих оксиды металлов: алюминия, хрома.
SO2 → SO3 (под действием катализатора Fe2O3) |
Первый путь предпочтителен в дневное время, второй становится главным в дождливую погоду и при высокой влажности, третий играет существенную роль в сильно запылённом воздухе.
Источниками выбросов диоксида азота в тропосферу являются:
Рассмотрим первые два этапа окисления МГС для монооксида азота.
Днём газофазный процесс идёт по радикальному механизму:
NO + HOO˙ = NO2 + HO˙
NO2 + HO˙ = HNO3 (азотная кислота).
Ночью – за счёт взаимодействия с озоном:
NO2 + O3 = NO˙3 +O2
NO2 + NO˙3 = N2O5
Окисление диоксида азота в жидкости протекает следующим образом:
2NO2 + H2O2 = 2HNO3.
Таким образом, тропосфере отведена роль глобального окислительного резервуара.
Биогеохимические циклы
Постоянство газового состава атмосферы – важнейшее условие существования и развития жизни. Кислород расходуется на дыхание человека, животных, растений и микроорганизмов, гниение, горение, хозяйственную деятельность человека. Тем не менее, содержание его в атмосфере остаётся примерно одинаковым. Значит, есть процессы, в результате которых запасы этого газа пополняются.
Главный из них – фотосинтез в растениях. В зелёных листьях под действием солнечного света из углекислоты и воды образуются органические соединения и кислород. Зелёные растения ежегодно поглощают 6-7 % углекислого газа атмосферы. Растения – главный поставщик кислорода на планете. Ежегодно они выделяют около 4600 млрд т кислорода.
Видео: Атмосфера – газовая оболочка небесного тела
Вопросы и ответы
Тропосфера. На метеорологических станциях всего мира несколько раз за сутки измеряют температуру и влажность воздуха, скорость и направление ветра, облачность и многие другие показатели. Они закладываются в ЭВМ. Сюда же поступают данные от метеорологических спутников Земли, специальных кораблей и самолётов. Анализируя все эти параметры, синоптики предсказывают погоду.
Тем, что в цикле Чепмена часть УФ-излучения Солнца превращается в тепловую энергию (выделяется 392 кДж).
На высоте ниже 20-25 км недостаточно ультрафиолета для фотодиссоциации молекулы кислорода. На высоте выше 50 км из-за разрежённости атмосферы мала вероятность столкновения возбуждённой молекулы озона с молекулами «третьего тела».
По модельным расчётам, 1 атом хлора может разрушить до 10 тыс молекул озона, тогда как 1 атом брома – до 100 тыс молекул.
Нет. Естественное загрязнение атмосферы можно рассматривать как фактор, способствующий её регуляторной функции. Поэтому «загрязнение» является условным. В атмосфере пыль создаёт ядра конденсации, без которых было бы невозможно образование осадков: снега и дождя.
В результате увеличивающегося сжигания топлива и уменьшения площадей, занятых земной растительностью, фотосинтетическая генерация (химическая реакция восстановления кислорода из углекислого газа) в настоящее время уменьшилась на 30% по сравнению с предысторическим периодом. Ежегодная убыль кислорода составляет 31,63 мдрд т. Если учесть, что в атмосфере содержится 1200 трлн т этого газа, то его количество уменьшается на 0,0025% в год. Казалось бы, это очень мало, но очевидно, что в конце концов встанет вопрос о введении ограничений на потребление кислорода.
