Атмосфера так же и наиболее подвижный компонент биосферы, в силу чего многие процессы, протекающие в ней приобретают глобальный характер.
Химические процессы в атмосфере обусловлены 3-мя факторами:
- воздействием на вещество солнечного излучения, вызывающего фотохимическое превращение веществ;
- наличием в атмосфере активного компонента – кислорода, обуславливающего окислительные реакции;
- присутствием в атмосфере воды, с которой многие вещества могут реагировать.
Таким образом, очевидно, объектом рассмотрения, применительно к анализу физико-химических процессов в атмосфере в первую очередь должны быть наиболее характерные для этой среды фотохимические превращения, окислительные и реакции веществ с водой.
Ведущим фактором, определяющим течение атмосферных процессов является солнечная радиация.
Солнечное излучение имеет широкий спектральный диапазон – от ионизирующего g-излучения (10-11 – 10-8 см) до радиоволн (103 - 105 см). Однако мощность проникающего в атмосферу излучения в разных диапазонах различна. В суммарно солнечной энергии более 99,9% приходится на диапазон от УФ (180-400 нм) до ИК излучения (1-500 мкм), в т.ч. на видимый диапазон (400-760 нм) приходится до 50% энергии, причем максимальная интенсивность излучения приходится на спектральный участок около 470 нм. Таким образом атмосфера взаимодействует главным образом с этим видом излучения.
Мощность солнечного излучения, поступающего на Землю (достающего до Земли) составляет ~ 1,8*1017 Вт. Примерно 70% этой энергии отражается атмосферой в Космос, 15% атмосферой поглощается и остальная часть достигает земной поверхности.
[Цифры в разных источниках относительно распределения энергии разные]
Радиация, поступающая на Землю, включает 2 составляющих:
- прямая радиация (излучение идущее непосредственно от Солнца);
- рассеянная (диффузная) радиация – излучение их множества точек в атмосферу в результате рассеяния прямого излучения молекулами газов и паров, аэрозольными частицами, каплями воды
Соотношение между этими величинами ~ 2:1
Солнечное излучения, достигающее поверхности Земли, нагревает ее. Как всякое нагретое тело, земная поверхность излучает энергию в ИК диапазоне. Выделившаяся энергия теплового излучения Земли расходуется:
- на нагрев атмосферы
- конвективное движение масс воздуха
- испарение воды.
В конечном итоге энергия, затраченная на испарение воды, так же идет на разогрев атмосферы, поскольку при конденсации воды, включенной в круговорот, тепло выделяется в окружающую среду (т.е. в атмосферу).
Состав, строение и свойства атмосферы
Состав
Атмосфера (газовая оболочка Земли) содержит ~ 5,15*1015 тонн воздуха.
Основные компоненты атмосферного воздуха – N2, O2 (в сумме > 99%)/ Кроме них в заметном количестве присутствуют Ar (0.93%) и CO2 (~0.035 % объема). Другие естественные примеси (He, H2, Ne, Kr, CH4) содержатся в воздухе в концентрации 0,001 – 0,0001% (об.). Перечисленные вещества присутствуют в атмосфере в постоянных концентрациях. Для множества других примесей в атмосфере характерна изменчивость концентрации во времени и в разных частях.
Важнейшим компонентом атмосферы являются пары воды, определяющие тепловой режим атмосферы.
Концентрация водяного пара переменна и по высоте, и широте. Основная масса паров воды сосредоточена в нижних слоях атмосферы (тропосфере) вблизи поверхности земли, их концентрация легко уменьшается с высотой.
В нижних слоях наблюдается так же большой широтный разброс концентрации паров воды - от тысячи долей % в арктических районах, до % в тропиках.
Единицы измерения концентраций примесей
Для измерения содержания примесей в атмосфере помимо % (объемных) часто используют другие единицы измерения содержания газообразных компонентов в смеси.
В частности широкое распространение получили единицы концентрации миллионные (миллиардные) доли - млн-1 (млрд-1) – часть на миллион (миллиард) – в англоязычном выражении ppm (ppb) – количество объемов примеси в 1 млн (млрд) объемов смеси – т.е.1 м3 /106м3 (или 10-6 м3/м3).
Очевидно взаимосвязь ppm с % объемн:
Так же для выражения массовой концентрации примесей используется единицы м2/м3 ( и реже мкг/м3) - в них выражают ПДК загрязняющих веществ в воздухе, дают оценку уровня загрязнения атмосферы.
В практике достаточно часто возникает необходимость пересчета значений концентраций, выраженных в ppm, в массовые (мг/м3) и наоборот. Пересчет производится по формуле:
, где
, 
- концентрация, выраженная
соответственно в м.д. и мг/м3
- молекулярная масса
вещества,
- мольный объем
Формула легко выводится, если в заданной массовой концентрации содержания вещества в мг перевести в единицы объема (м3)
-
 |
1 мг/м3 =n*ppm
1ppm=1 мг/м3
= 
При н.у. (Т=273 К, р=1 ат=101,3 кПа)
В принципе при большой погрешности для типичных условий в атмосфере пересчет концентраций можно производить, подставляю в формулу V0, т.е.
Для получения точного результата расчета необходимо учитывать реальные температуру и давление. Знание мольного объема при фактических условиях определяется из уравнения состояния:
, откуда 
Подставляя реальные значения P, V, T и те же значения при н.у. получаем
, откуда 
И тогда 
Или 
Пример
Порог обнаружения запаха NH3 составляет 32 мг/м3, максимально разовая ПДК в атмосферном воздухе 0,2 мг/м3. Обнаружится ли органолептически (т.е. по запаху) аммиак в воздухе при концентрации 20 ppm. Представляет ли опасность для человека вдыхание воздуха с такой концентрацией аммиака (tвозд = 200С, давление 730 мм.рт.ст.)
Для ответа на вопросы необходимо сравниваемые концентрации привести к одинаковым единицам измерения – очевидно проще это сделать для одной концентрации, выраженной в ppm, переведя ее в мг/м3
Помимо рассмотренных способов выражения концентрации примесей в воздухе иногда используют так называемую «счетную» концентрацию – количество молекул (частиц) вещества в 1 см3 или 1 м3 воздуха (размерность см-3 или м-3, т.е. молекул/см3 (м3). Чаще такой способ выражения концентрации принимают для аэрозольных частиц (количество частиц в 1 см3 и м3)
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.