Лекция № 2 ФизиКо-химические процессы в атмосфере

Атмосфера имеет ряд присущих только ей особенностей по сравнению с другими компонентами биосферы: высокую подвижность, изменчивость составляющих ее компонентов, своеобразие физико-химических процессов.

С остояние атмосферы определяет тепловой режим поверхности Земли. Озоновый слой атмосферы защищает нашу планету от воздействия ультрафиолетового излучения Солнца.

Наблюдаемые признаки наступающего глобального экологического кризиса проявляются в виде кислотных дождей, парникового эффекта, озоновых дыр и загрязнения поверхности планеты супертоксичными продуктами антропогенной деятельности.

К вредным веществам, загрязняющим атмосферу и являющихся источником различных процессов, протекающих в ней и оказывающих влияние на климат, тепловой режим и экологическую обстановку как в региональном, так и в планетарном масштабах, относятся:

- атмосферная пыль;

- газы;

- пары.

2.1 Пыли и аэрозоли

Интерес к химическому составу и физико-химическим свой­ствам аэрозолей связан с их участием в ряде важнейших процес­сов, протекающих в атмосфере. В их числе, прежде всего, следует упомянуть влияние на формирование радиационного режима пла­неты. Аэрозоли, в зависимости от размера и состава частиц, вно­сят существенный вклад в отражение, рассеяние и поглощение коротковолновой радиации Солнца и восходящего потока тепло­вого излучения подстилающей атмосферу поверхности. Поэтому изменение содержания взвешенных частиц в атмосфере может вызывать значительные климатические изменения.

За последние двести лет на Земле неоднократно происходили события, красноречиво свидетельствующие о влиянии аэрозоль­ной составляющей на климат планеты. Например, при извержении вулкана Тамбора в Индонезии в 1815 г. температура воздуха в летние месяцы в Западной Евро­пе и на востоке США понизилась на 1-2,5 ^ОС (этот год получил название "год без солнца"). Серьезные последствия для климата всего Северного полушария имело катастрофическое извержение вулкана Крака­тау в 1883 г., в ходе которого в атмосферу было выброшено около 19 км^З пепла и другого веществ. Пепел был заброшен на высоты до 80 км, а выпадение его было зарегистри­ровано на площади 825 тыс. км². Гораздо менее мощное изверже­ние вулкана Агунг (о-в Бали, Индонезия) в 1963 г. привело к уменьшению температуры подстилающей поверхности в северных внетропических широтах на 0,6 ^ОС.

Кроме прямого влияния на распределение потоков радиации, аэрозоли, очевидно, оказывают заметное косвенное воздействие на климатическую систему Земли. Например, отмеченное в пери­од с 1963 по 1967 г. уменьшение скорости прироста концентрации важнейшего парникового газа СО₂ имело вероятной причиной уменьшение температуры морской поверхности и увеличение сто­ка диоксида углерода в океаны. Последнее было связано с падени­ем уровня достигающей земной поверхности интегральной сол­нечной радиации вслед за извержением вулкана Агунг.

Аэрозоли играют важную роль и при формировании другой глобальной характеристики атмосферы - ее гидрологического ре­жима. Частицы определенного размера и химического состава слу­жат ядрами, на которых происходит конденсация водяного пара и кристаллизация воды. В данном случае роль аэрозолей состоит в том, что в их присутствии конденсация молекул Н₂О происходит при невысокой относительной влажности, тогда как в чистом, не содержащем частиц воздухе для образования жидко-капельной фазы требуется значительное пересыщение водяного пара.

На поверхности частиц происходит конденсация не только во­ды, но также многих других компонентов атмосферы - соедине­ний тяжелых металлов, неорганических и органических газов и паров малолетучих соединений. Поскольку время жизни аэрозолей относительно невелико, имеет место постоянный поток сорбиро­ванных компонентов на подстилающую поверхность. Следователь­но, сорбция с последующей коагуляцией и седиментацией частиц­ – это важнейший путь самоочищения атмосферного воздуха (и в то же время - загрязнения элементов подстилающей поверхности).

С другой стороны, поверхность твердых и внутренний объем жидко-капельных аэрозолей может служить ареной различного рода темновых и фотостимулированных химических реакций, скорости которых во многом определяются каталитическими свойствами поверхности и образующих частицы компонентов. По причине больших трудностей, связанных с эксперименталь­ным изучением гетерогенных процессов на поверхности и в объ­еме частиц, и сложности теоретического описания получаемых результатов эта область атмосферной химии до настоящего вре­мени остается наименее исследованной.

Сложившаяся к настоящему времени номенклатура атмо­сферного аэрозоля отражает одновременно их происхождение (механизм генерации) и распределение по размерам и количест­ву частиц (их счетной концентрации). В атмосферных науках обычно выделяют три характерных диапазона (моды): частицы с радиусами менее 0,1 мкм, с радиусами от 0,1 до 1 мкм и более крупные частицы.

В метеорологии самые мелкие частицы называют ядрами Айткена. Их появление в атмосфере связано с однородной гомо­- или гетеромолекулярной нуклеацией - образованием новых от­носительно устойчивых частиц из газообразных предшественни­ков. Примером таких процессов может служить образование мельчайших частиц сажи при горении природного газа или час­тиц голубоватой дымки, возникающей часто над массивами хвой­ных лесов в жаркую безветренную погоду в результате окисления выделяемых растениями терпеновых углеводородов С₁₀Н₁₆.

Вторую моду образуют аэрозоли, иногда называемые части­цами Ми (по имени исследователя, создавшего теорию рассеяния света такими частицами). Они возникают главным образом за счет коагуляции уже существующих частиц ядерной моды или их роста в результате гетерогенной. конденсации различных газов (например, паров воды). Поэтому эту моду называют также коа­гуляционной или конденсационной.

Частицы с радиусами более 1 мкм появляются в атмосфере чаще всего в результате процессов разрушения (дисnерсии) кон­денсированной фазы. Это продукты эфлоресценции (испарения воды брызгами морской воды), мелкая фракция вулканического пепла, выбрасываемого в атмосферу при взрывном диспергиро­вании расплавленной магмы за счет спонтанного выделения из нее пузырьков газа, а также поднимаемая ветром в атмосферу минеральная пыль. Преимущественно к дисnерсионной моде от­носятся также биогенные по своему характеру частицы – главным образом фрагменты растительных тканей.

Таким образом, атмосферный аэрозоль - продукт сложной совокупности химических, физических и биологических процес­сов. Основные пути его образования показаны на рис. 2.1.

Таким образом, под атмосферным аэрозолем понимают совокуп­ность взвешенных частиц с размерами, превышающими молеку­лярные, т. е. с радиусом более 10^-9 м.

Любая двухфазная система, в которой одна фаза дисперсионно распределена в другой, называется коллоидной системой.

Аэрозоли – коллоидные системы, в которых дисперсной средой служит, как правило, воздух, а дисперсной фазой являются взвешенные жидкие или твердые частицы.

По происхождению аэрозоли делят на две группы:

- диспергационные аэрозоли – аэрозоли, образующиеся при измельчении твердых или жидких материалов;

- конденсационные аэрозоли – аэрозоли, образующиеся при конденсации пересыщенных паров или при взаимодействии газов с образованием нелетучих продуктов.

Диспергационные аэрозоли с твердыми частицами называют пылями.

Конденсационные аэрозоли с твердой или смешанной дисперсной фазой называются дымом.

Диспергационные и конденсационные аэрозоли с жидкой фазой называют туманами.

Атмосфера Земли представляет собой гигантскую коллоидную систему со всеми характерными для них особенностями, определяемыми главным образом наличием развитой межфазной поверхности раздела и высоким значением удельной свободной энергии.

Рисунок 2.1 – Пути образования и удаления, а также модальное распределение частиц тропосферного аэрозоля