Химия окружающей среды

1.Физико-химические основы функционирования атмосферы.

Атмосфера — газовая оболочка земли — имеет массу около 5,15-10¹⁵ т. Верхняя ее граница, где происходит рассеивание газов в межпланет­ное пространство, находится на высоте примерно 1000 км над уровнем моря. В приземном слое толщиной 5,5 км сосредоточена половина, а в слое толщиной 40 км — более 99% массы всей атмосферы.

Если мысленно представить разрез атмосферы по вертикали и проследить за изменением таких параметров, как давление, температура, газовый состав, то можно увидеть, что с увеличением высоты давление стремительно падает и на высоте 50 км уменьшается до 1 мм рт.ст. Из-за сжимаемости атмосферы на малых высотах давление уменьшается гораздо быстрей, чем на больших.

Температурная зависимость гораздо сложней, имеются максимумы и минимумы. По характеру изменения температуры с увеличением высоты можно выделить несколько слоев, разделенные узкими переходными зонами — так называемыми паузами.

Нижний, примыкающий к земле слой — тропосфера — характеризуется средним вертикальным градиентом температуры 6 град/км. Высота верхней границы тропосферы меняется от 8 км в полярных широтах атмосферы в ночное время, когда земная поверхность излучает энергию в космическое пространство и не получает солнечной энергии, например в пустынях, где концентрация паров воды чрезвычайно мала, днем жарко, а ночью холодно.

Уменьшение концентрации водяного пара, поглощающего тепловое излучение земной поверхности, с изменением высоты является одной из основных причин снижения температуры в тропосфере.

Решающее влияние на тепловой режим стратосферы оказывает содержание в ней озона. Нагревание воздуха стратосферы происходит вследствие поглощения озоном ультрафиолетовой радиации Солнца.

В мезосфере концентрации озона и паров воды ничтожны, поэтому температура в ней ниже, чем в тропосфере и стратосфере. Рост температуры в термосфере связан с поглощением жесткого УФ - излучения Солнца молекулами и атомами кислорода и азота.

УФ - излучение, поглощаемое озоном в стратосфере, хотя и играет важное значение для поддержания жизни на земле, не вносит большого вклада в полную энергию, получаемую извне. Основная часть энергии проходит через верхние слои и частично поглощается в тропосфере парами воды, углекислым газом и другими так называемыми парниковыми газами, а также аэрозолями и частицами пыли.

Радиация, поглощенная поверхностью земли, возвращается в атмосферу в виде длинноволнового инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 16,7—7,6 мкм с широким максимумом в области 12 мкм, а также расходуется на испарение воды и создание конвективных турбулентных потоков воздуха. Конденсация паров воды сопровождается выделением теплоты, идущей на разогрев тропосферы.

Лишь небольшая часть тепловой энергии, излучаемой земной поверхностью, проходит через атмосферу и рассеивается в космосе. Основное количество ее поглощается молекулами воды и углекислого газа, что приводит к дополнительному нагреву воздуха.

Количество солнечной энергии, поступающей в атмосферу, зависит от угла падения солнечных лучей на земную поверхность, в результате чего атмосфера в различных районах Земного шара нагревается неравномерно. Особенно большие различия температуры у поверхности наблюдаются между полярными и экваториальными областями. Эта неравномерность служит главной причиной общей циркуляции атмосферы, представляющей собой сложную крупномасштабную систему воздушных течений над Земным шаром. Вследствие такой циркуляции сглаживается градиент температуры атмосферного воздуха в различных районах.

Кроме крупномасштабных воздушных течений в низших слоях атмосферы возникают многочисленные местные циркуляции, связанные с особенностями нагревания атмосферы в отдельных районах. Вследствие образования различных воздушных течений в атмосфере происходит перемешивание больших масс воздуха и перемещение на значительные расстояния различных химических соединений, выделяемых различными источниками на поверхности земли.

На распространение воздушных масс и содержащихся в них примесей большое влияние может оказывать развитие температурных инверсий, препятствующих вертикальному движению воздуха. Такие инверсии периодически возникают у земной поверхности по разным причинам. Часто инверсия возникает в результате натекания теплого воздуха на нижерасположенные холодные слои. Приземные инверсии с толщиной до нескольких сотен метров обычно наблюдаются в безветренные ночи при сильном охлаждении поверхности Земли и прилегающего слоя воздуха.