Круговорот веществ в природе закономерности распределения веществ в окружающей среде. Физико-химические свойства, определяющие перемещение веществ в окружающей среде, страница 17

1)  детяльеностью всех возможных источников примесей

2)  процессами удаления за счет химических реакций и осаждения

3)  турбулентным переносом (диффузией)

С учетом этого для описания изменения концентрации вещества во времени в любой точке атмосферы ________ модель следующего вида:

, где

	Модель турбулентной диффузии

 

С – концентрация компонента в данной точке пространства,

К_х, К_у, К_z – горизонтальные и вертикальные составляющие коэффициента турбулентной диффузии

 - производная изменения концентрации по направления – скорость уноса приходит по направлению, т.е. скорость турбулентной диффузии по направлению

R – общая скорость изменения концентрации за счет химических процессов

Д – то же за счет физических процессов (сухого и влажного оседания)

М – общая скорость изменения концентрации за счет поступления вещества в атмосферу от всех источников.

Применение данного уравнения к реальным процессам весьма затруднительно из-за значительных неопределенностей турбулентного движения примесей и соответственно неопределенности численных значений К и скорости турбулентной диффузии.

Тем не менее при определенных упрощениях данная модель используется для получения аналитических зависимостей изменения концентрации химических веществ в атмосфере, которые лежат в основе расчетов при оценке уровня загрязнения атмосферы химическими веществами.

Химические процессы в верхних слоях атмосферы

Верхние слои атмосферы в значительной мере определяют условия жизни на Земле, поскольку играют роль защитного барьера на пути излучения высокой энергии (чувствительной для живых организмов).

Один из важнейших процессов, протекающих в верхних слоях – диссоциации кислорода с образованием атомарного кислорода, который играет очень большую (основную) роль в химических превращениях в верхних слоях атмосферы. Энергия необходимая для диссоциации = 502 кДж/моль и соответствует верхней границе диапазона излучения 240 нм.

Вследствие этого с высоты ~ 100 км кислород находится как в молекулярной так и атомарной формах. Относительно содержания атомарного кислорода иллюстрирует график – на высоте  ~ 130 км содержание атомарной и молекулярной форм примерно одинаково.

На высоте 80-90 км и выше (в мезо и термосферы)коротковолновые УФ излучения вызывают ионизацию основных компонентов – N₂, O₂, O,  поглощая наиболее коротковолновые излучения ионизирубются:

Образующиеся ионы могут участвовать в реакциях нескольких типов:

 - диссоциативной рекомбинации (захват электроном молекулярных ионов и распад на атомы):

- в реакциях с переносом заряда (взаимодействие с другой молекулой)

 либо возможны реакции:

Следствием наличия в верхних слоях атомарных N и О является образование NO, который также участвует в реакциях рассмотренных типов:

1)  способен поглощать радиацию:

2)  ион NO⁺ также может диссоциативно рекомбинировать:

3)  способен участвовать в реакциях с переносом заряда (принимать заряд)

Ион NO⁺ распадается лишь в результате диссоциативной рекомбинации. В реакциях другого типа он вследствие низкой активности не участвует и поэтому является основные ионным компонентом верхней части термосферы (ионосферы).

На более низких высотах (30-50 км - тратосфера) коротковолновое излучение еще достаточно интенсивно (хотя основная его часть поглощена выше) и также способно вызвать диссоциацию О2 (по реакции (1)):

[правило Хунда (Гунда) – в свободной квантовой ячейке электроны располагаются так, чтобы их суммарный спин был максимальный (отталкивание между неспаренными электронами меньше чем между спаренными, поэтому триплетный более энергетически выгоден чем синглетный)]

В зависимости от величины энергии поглощенного кванта один или оба образующихся атом кислорода могут находится в возбужденном состоянии O (¹Д). Метастабильный O (¹Д) очень активная частица с временем жизни в стратосфере около 110 сек. Его дезактивация (тушение) происходит в результате столкновения и химической реакции с молекулами О₂  или других газов (очевидно, преимущественно азота), а так же с молекулой Н₂О. Эти реакции протекают с высокой скоростью, в каждом случае образуется атомарный О в основном состоянии:

С О₂ а)

Наряду с О (³р) продуктом реакции является синглетный метастабильный молекулярный кислород в низшем (из возможных) электронно возбужденном состоянии [энергия которого превышает энергию основного состояния лишь на 94 Дж]. Синглетный  не отличается высокой реакционной способностью. Для него характерен излучательный переход в основное состояние  и время жизни достаточно велико [он образуется еще несколькими путями – о чем чуть позже]

C другими молекулами б)

                                                                         ^{(перенос избыточной энергии к другой молекуле)}

Образуется возбужденная частица (например, молекула ), для которой характерно тепловое (или излучательное) рассеяние энергии возбуждения

С Н₂О в)        К=2,9*10^-11

Параллельно может идти также реакция с образование гидроксильных радикалов

                                                   К=2,2*10^-10 см/моль

Очень важная в химии атмосферы

Атомарный кислород в основном состоянии О(³р) выполняет очень важную роль, так как участвует в образовании озона как в стратосфере, так и в тропосфере.

В принципе озон – высокотоксичный газ, его токсичность примерно на порядок выше, чем у SO₂. Он к тому же сильнейший окислитель, поэтому в воздухе тропосферы озон представляет высокую опасность для всего живого. Но в стратосфере озон, как отмечалось, выполняет очень важную функцию и снижение его концентрации на этой высоте несет серьезную опасность.

Для характеристики содержания озона в атмосфере используют специальную систему измерения – единицу Добсона (е.Д.). Название это получено от названия спектрометра Добсона, который первоначально применяли для измерения концентрации озона. Спектрометр позволял достаточно точно определить общее содержание озона в столбе воздуха над наблюдателем (над прибором).