Химический состав тропосферы
(сухой атмосферы)
Газ |
Объемный % |
Газ |
Объемный % |
Азот |
78,09 |
Криптон |
0,0001 |
Кислород |
20,95 |
Ксенон |
0,000008 |
Углекислый газ |
0,03 |
Радон |
6 -КГ18 |
Аргон |
0,93 |
Метан |
0,00015 |
Неон |
0,0018 |
Водород |
0,00005 |
Гелий |
0,00052 |
Закись
азота |
0,00005 |
4-Химические процессы
в тропосфере.
В химических превращениях различных
загрязняющих веществ в тропосфере ключевое
место занимает OH – радикал ,к образованию
которого ведут несколько процессов. Основной
вклад дают фотохимические реакции с участие
озона: O3+h=O2+O
O+H2O=OH+OH
В образовании озона в тропосфере участвуют
оксиды озона:
NO2+ h (L<400нм) =NO+O
O+O2 =O3
О влиянии фотохимических реакций на
содержание озона в тропосфере свидетельствует
50% уменьшение концентрации озона при
солнечном затмении : O3+NO =NO2+O2 O3+NO2 =NO3+O2
В образовании ОН радикалов на высоте
30 км участвуют пары воды:
Н2О+h =H+OH
H2O+O =2OH
Определённый вклад в образование ОН-групп
в тропосфере могут давать реакции фоторазложения
HNO2, HNO3, H2O2
HNO2+h (L<400нм )= NO+OH
HNO3+h (L<330нм)=NO2+OH
H2O2+h (L<330нм) =2OH
В тропосферных процессах гидроксильный
радикал играет ключевую роль в окислении
углеводородов:
RH+OH =HOH+R
R+O2 =RO2
RO2+HOH =ROOH+OH
Наиболее типичным и основным по массе
органических загрязнителем атмосферы
является CH4.Окисление CH4 под действием ОН протекает сопряжённо
с окисление NO. Соответствующий радикально-цепной
механизм включает общую для всех тропосферных
процессов стадию инициирования ОН и цикл
экзотермических реакций продолжение
цепи, характерных для реакции окисления
органических соединений:
ОН+СН4 =Н2О +СН3
СН3+О2 =СН3О2
СН3О2+NО= СН3О+NО2
СН3О+О2 =СН2О+НО2
В результате реакция окисления СН4 в присутствии NО как катализатора
и при воздействии солнечного света с
длиной волны 300-400нм запишется в виде
СН4+4О2 =СН2О+Н2О+2О3
т.е. окисление метана (и других органических
веществ) приводит к образованию тропосферного
озона. Скорость этого процесса тем больше,
чем выше концентрация NО. Расчеты показывают,
что антропогенный выброс NО удваивает
приземную концентрацию О3, а рост утечки СН4 многократно опережающий по темпам
роста другие виды загрязнений тропосферы
приводит к ещё большему увеличению концентрации
О3 по сравнению с переносом О3 из стратосферы.
Рост приземной концентрации озона представляет
опасность для зеленой растительности
и животного мира.
Образующийся при окислении метана формальдегид
окисляется далее радикалами ОН с образованием
СО. Этот канал вторичного загрязнения
атмосферы монооксидом углерода сравним
с поступление СО от неполного сгорания
ископаемого топлива.
ОН+СН2О=Н2О+НСО
НСО+О2 =НО2+СО
Фотохимические процессы в
тропосфере 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 углеводородами,
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).
5-Химические
превращения загрязнений
Существуют три основных
источника загрязнения атмосферы: промышленность,
бытовые котельные, транспорт. Доля каждого
из этих источников в общем загрязнении
воздуха сильно различается в зависимости
от места. Сейчас общепризнанно, что наиболее
сильно загрязняет воздух промышленное
производство. Источники загрязнения –
теплоэлектростанции, которые вместе
с дымом выбрасывают в воздух сернистый
и углекислый газ; металлургические предприятия,
особенно цветной металлургии, которые
выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород,
хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора,
частицы и соединения ртути и мышьяка;
химические и цементные заводы. Вредные
газы попадают в воздух в результате сжигания
топлива для нужд промышленности, отопления
жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки
бытовых и промышленных отходов.
Атмосферные загрязнители
разделяют на первичные, поступающие непосредственно
в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом
превращения последних. Так, поступающий
в атмосферу сернистый газ окисляется
до серного ангидрида, который взаимодействует
с парами воды и образует капельки серной
кислоты. При взаимодействии серного ангидрида
с аммиаком образуются кристаллы сульфата
аммония.
Подобным образом,
в результате химических и фотохимических
реакций между загрязняющими веществами
и компонентами атмосферы, образуются
другие вторичные признаки. Основным источником
пирогенного загрязнения на планете являются
тепловые электростанции, металлургические
и химические предприятия, котельные установки,
потребляющие более 70% ежегодно добываемого
твердого и жидкого топлива. Основными
вредными примесями пирогенного происхождения
являются следующие.
1. Оксид
углерода– получается при неполном
сгорании углеродистых веществ. В воздух
он попадает в результате сжигания твердых
отходов, с выхлопными газами и выбросами
промышленных предприятий. Ежегодно в
атмосферу поступает не менее 1250 млн тонн
этого газа. Оксид углерода является соединением,
активно реагирующим с составными частями
атмосферы, что способствует повышению
температуры на планете, и созданию парникового
эффекта.
2.Сернистый
ангидрид– выделяется
в процессе сгорания серосодержащего
топлива или переработки сернистых руд
(до 170 млн тонн в год). Часть соединений
серы выделяется при горении органических
остатков в горнорудных отвалах. Только
в США общее количество выброшенного в
атмосферу сернистого ангидрида составило
65 % от общемирового выброса.
3. Серный
ангидрид– образуется
при окислении сернистого ангидрида. Конечным
продуктом реакции является аэрозоль
или раствор серной кислоты в дождевой
воде, который подкисляет почву, обостряет
заболевания дыхательных путей человека.
Выпадение аэрозоля серной кислоты из
дымовых факелов химических предприятий
отмечается при низкой облачности и высокой
влажности воздуха. Листовые пластинки
растений, произрастающих на расстоянии
менее 11 км от таких предприятий, обычно
бывают густо усеяны мелкими некротическими
пятнами, образовавшихся в местах оседания
капель серной кислоты. Пирометаллургические
предприятия цветной и черной металлургии,
а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу
десятки миллионов тонн серного ангидрида.
4. Сероводород
и сероуглерод – поступают в
атмосферу раздельно или вместе с другими
соединениями серы. Основными источниками
выброса являются предприятия по изготовлению
искусственного волокна, сахара, коксохимические,
нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы.
В атмосфере при взаимодействии с другими
загрязнителями подвергаются медленному
окислению до серного ангидрида.
5. Окислы
азота– основными источниками
выброса являются предприятия, производящие
азотные удобрения, азотную кислоту и
нитраты, анилиновые красители, нитросоединения,
вискозный шелк, целлулоид. Количество
окислов азота, поступающих в атмосферу,
составляет
20 млн тонн в год.
6. Соединения
фтора– источниками
загрязнения являются предприятия по
производству алюминия, эмалей, стекла,
керамики, стали, фосфорных удобрений.
Фторосодержащие вещества поступают в
атмосферу в виде газообразных соединений
- фтороводорода или пыли фторида натрия
и кальция. Соединения характеризуются
токсическим эффектом. Производные фтора
являются сильными инсектицидами.
7. Соединения
хлора– поступают в
атмосферу от химических предприятий,
производящих соляную кислоту, хлоросодержащие
пестициды, органические красители, гидролизный
спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере
встречается молекулярный хлор и пары
соляной кислоты. Токсичность хлора определяется
видом соединений и их концентрацией.
В металлургической
промышленности при выплавке чугуна и
при переработке его на сталь происходит
выброс в атмосферу различных тяжелых
металлов и ядовитых газов. Так, в расчете
на 1 т передельного чугуна выделяется
кроме 12,7 кг сернистого газа и 14,5 кг пылевых
частиц, содержащих соединения мышьяка,
фосфора, сурьмы, свинца, ртути и редких
металлов, смоляных веществ и цианистого
водорода.
6-Химические
реакции загрязнителей в атмосфере
Попадая в атмосферу,
большинство токсичных химических соединений
претерпевает серьезные изменения под
действием УФ-радиации, влаги, озона и
кислорода воздуха. Продукты этих реакций,
а также исходные соединения (первичные
загрязнители) взаимодействуют между
собой, образуя иногда еще более токсичные
и опасные соединения (вторичные загрязнители).
Примером превращений загрязнителей с
образованием еще более токсичных веществ
может служить взаимодействие оксидов
азота с олефинами, алкилбензолами и альдегидами
под влиянием УФ-радиации, приводящее
к образованию в атмосфере токсичных веществ
Группы ПАН:
Эта чрезвычайно важная фотохимическая реакция,
в которую особенно легко вступают реакционно
способные олефины (этилен, 2-метил-бутен-2,
бутен-2 и др.), приводит к возникновению
токсичных фотооксидантов — родоначальников
смога, вредного для здоровья человека
и повреждающего растительность.
Фотохимические реакции
не являются единственными реакциями в атмосфере.
Там происходят многочисленные превращения
с участием десятков тысяч химических соединений,
течение которых ускоряется радиацией
(солнечная радиация, космическое излучение,
радиоактивное излучение), а также каталитическими
свойствами присутствующих в воздухе
твердых частиц и следов тяжелых металлов.
Значительные изменения претерпевают
попадающие в воздух диоксид серы и сероводород,
галогены и межгалогенные соединения,
оксиды азота и аммиак, альдегиды и амины,
сульфиды и меркаптаны, нитросоединения
и олефины, полиядерные ароматические
углеводороды и пестициды Аккумулируясь
в верхних слоях атмосферы, фтор-хлоруглеводородыфотолитически
разлагаются с образованием оксидов хлора,
которые взаимодействуют с озоном, уменьшая
его концентрацию в стратосфере .Аналогичный
эффект наблюдается и при реакциях озона
с оксидами серы, оксидами азота и углеводородами.
В результате разложения вносимых в почву
азотных удобрений происходит эмиссия
в атмосферу оксида азота NО, который взаимодействует
с атмосферным озоном, превращая его в
кислород. Все эти реакции уменьшают содержание
озона в слоях атмосферы на высоте 20—40
км, которые защищают приземный слой атмосферы
от солнечной радиации высокой энергии.
Подобные превращения приводят к глобальным
изменениям климата планеты.
Взаимосвязь первичных и вторичных загрязнителей
атмосферы и производимые ими эффекты
(влияние на здоровье человека, повреждение
растений и конструкционных материалов,
изменение метеорологической обстановки
и др.) наглядно иллюстрируются схемой
:
Взаимодействие
загрязнителей атмосферы и их воздействие
на окружающую среду.
III-Заключение
Загрязнение атмосферного
воздуха неблагоприятно влияет на организм
человека и требует соответствующего
наблюдения. Иногда химические процессы,
протекающие в тропосфере ,могут служить
причиной не только качественных, но и
количественных изменений в глобальном
составе атмосферы планеты, приводящих
к изменению климата на Земле. Нельзя не
упомянуть и о радиоактивном загрязнении
атмосферного воздуха, которое оказывает
чрезвычайно губительное действие на
большинство живых организмов и растений
Земли и в значительной мере влияет на
состав и атмосферные реакции нерадиоактивных
загрязнителей воздуха. Воздействие излучений
различного вида — от космической и ядерной
радиации до излучений оптических частот
— приводит к образованию в атмосфере
возбужденных молекул и ионов. Последующие химические реакции этих
активных частиц приводят к образованию
в воздушной среде новых химических веществ,
реагирующих между собой и с естественными
загрязнителями атмосферы с образованием
новых, часто весьма токсичных соединений.
Кроме того, процессы, происходящие в атмосфере
под действием радиации, оказывают сильное
влияние на изменение метеорологических
факторов, протекание процессов, связанных
с атмосферным электричеством, распространением
радиоволн и другие геофизические и метеорологические
явления.
IV-Список используемой литературы
1-http://www.biosense.ru
2-http://www.biosense.ru
3-. В. Маврищев. Основы экологии. - Мн.: Интерпрессервис.
- 2005.
4- Хромов С. П., Метеорология
и климатология для географических факультетов,
2 изд., Л., 2003;
5-Веремчук, О.Н., Якимович, Н. К., Жуковский,
А. Т. Основы экологических знаний. Брест:
Изд-во БрГУ, 2006