Химические и физические процессы проходящие в атмосфере

В атмосфере протекает множество природных процессов, физических явлений, определяющих облик земли, влияющих на все стороны существования человечества. В атмосфере наблюдаются:

• теплообмен;
• испарение и выделение влаги;
• массоперенос;
• присутствие примесей;
• оптические феномены;
• акустические явления;
• электрические разряды;
• магнитные поля;
• распространение электромагнитных колебаний;
• протекание всевозможных химических реакций;
• сгорание небесных тел;
• другие процессы.

Кроме того атмосфера постоянно взаимодействует с Землей, на нее влияют рельеф поверхности, наличие крупных акваторий, хозяйственная деятельность человека, случайные флуктуации различных геофакторов.

Природные явления в атмосфере подчиняются фундаментальным законам физики и химии в классической интерпретации.

1. Физические процессы в атмосфере
   • Атмосфера и солнечные лучи
   • Озоновая проблема
   • Что видят глаза в атмосфере
   • Акустика и атмосфера
2. Химические процессы в атмосфере
   • Химические превращения естественного происхождения
3. Заключение

Определение и генезис атмосферы

Чтобы изучать объект, надо ему дать определение, и, хотя бы в общих чертах представлять, как он возник. Под атмосферой в науке понимают окружающий нашу планету воздушный слой, удерживаемый гравитацией Земли. Формирование атмосферы зависело от становления Земли, она возникла, примерно 4,5 млрд. лет, когда планета преобразовалась в твердое тело.

В результате активной вулканической деятельности происходил постоянный выброс из недр Земли азотсодержащих газов, оксида углерода, углеводородов, в основном метана, воды в парообразной фазе.

Под влиянием ультрафиолетовых частот солнечного излучения вода разлагалась на свои составные элементы, аммиак продуцировал азот и водород. Водород поднимался в верхние слои, более тяжелые кислород и азот накапливались около земли.

Газовая оболочка земли ─ итог миллиардов лет геологической эволюции нашей планеты и деятельности экосистем. Они в свою очередь сами зависят от атмосферы, находясь с ней в сложной взаимосвязи. Состав сегодняшней атмосферы сформировался на основе динамического равновесия геохимических факторов и жизнедеятельности организмов.

Свойства и состав атмосферы по мере удаления от Земли меняются по вертикали, постепенно приближаясь к межзвездному веществу. Значимые изменения начинаются на высоте 11−12 тыс. км., воздушный слой до этой условной отметки называют тропосфера, он оказывает самое непосредственное влияние на планету и жизнь ее обитателей. Общая масса атмосферы оценивается в 5,2─5,3.10¹⁸ кг.

Состав газовой оболочки земли

Атмосфера является колоссальным химическим реактором для веществ, находящихся в ней. Из-за быстро меняющихся условий система находится в метастабильном состоянии. Тем не менее, основные компоненты, их концентрации остаются постоянными, по мнению, ученых в течение последних 50-ти млн. лет.

В первом приближении состав воздуха содержит:

В микроскопических долях, измеряемых в PPB (particles per billion), количество данных частиц на миллион частиц воздуха в объеме присутствуют:

• углекислый газ (CO2) – 383
• неон (Ne) − 18,2
• гелий (He) − 5,2
• метан (CH4) − 1,7
• криптон (Kr) − 1,1
• водород (H2) − 0,6.

Содержание этих веществ разнится от времени года и региона. Молекулярная масса воздуха 29 g/mol. В атмосфере присутствуют бесчисленные следы еще тысяч химических соединений.

Превосходящий по содержанию другие элементы азот образовался в процессе окисления первоначальной смеси аммиака (NH₄) и водорода кислородом. Содержание последнего начало возрастать, так как 3 млрд. лет назад активизировался фотосинтез вследствие появления большой массы растительного мира.

Инертные газы пополнили газовую оболочку Земли благодаря активности вулканов, и распаду радиоактивных элементов. Содержание благородных газов в атмосфере меньше, чем в космическом пространстве, видимо, они туда мигрируют. СО₂ появился из недр извергающихся вулканов и, как продукт разложения биомассы.

Структура атмосферы по высоте

Атмосфера неоднородна по вертикали, поэтому ее физические параметры зависят от высоты, прежде всего, распределения температуры и массы.

Различают несколько наиболее важных областей, на которые делят атмосферу:

• Тропосфера. Примыкающий к Земле слой до 12 км толщиной (в тропической зоне до 18), где сконцентрировано порядка 80% массы, и находится весь водяной газ. В тропосфере зарождаются туманы, облака, возникают осадки, грозовые явления. Следует подчеркнуть, солнечные лучи легко преодолевают тропосферу, нагревая поверхность земли. Сам нижний слой газовой оболочки нагревается от Земли. Поэтому температура с увеличением высоты падает.
• Стратосфера. Характеризуется низкими температурами на высоте 20 км, примерно, минус 56°С. Интересно, что, начиная с 25-ти километровой отметки, температура в стратосфере растет, достигая на 50 км положительных значений. Сказывается поглощение квантов энергии ультрафиолетового спектра, нагревающей воздух.
• Мезосфера. Температура около 90 км достигает 90°С, главенствует турбулентное перемешивание. Среда достаточно однородна, тяжелые и легкие газы не разделены.

Выше мезосферы располагается термосфера, подразделяющаяся на ионосферу и экзосферу. Для ионосферы присущи высокая степень разреженности воздуха и чрезвычайно сильная ионизация. Носители зарядов ─ атомарный кислород, электроны, реактивный свободный радикал окись азота (NO). Отмечаются случайные скопления электронов, называемые электронными облаками. Именно в этой области возникают знаменитые полярные сияния. Температура в ионосфере поднимается до 1000°С на высоте 800 км.

Экзосфера, начинающаяся выше 1000км, плавно трансформируется в межпланетное пространство. Разреженность газа здесь столь высока, а скорость его частичек огромна, что они облетают землю по эллиптической траектории, словно микроскопические спутники. Некоторые частички обладают второй космической скоростью и покидают земную атмосферу, рассеиваясь во Вселенной.

Физические процессы в атмосфере

При всех обстоятельствах в атмосфере, как и везде, действуют фундаментальные законы нашей Вселенной ─ закон сохранения массы и энергии, а также две базовые константы — скорость света и постоянная Планка.

Через газовую оболочку вокруг земли происходит взаимодействие планеты и космоса, заключающееся в обмене материей и энергией. Свое влияние мироздание осуществляет через физические поля, во многом определяющие свойства, состав, структуру атмосферы.

• Электромагнитные колебания.
• Гравитационное воздействие.
• Магнитные поля
• Потоки элементарных частиц, которые на основе принципа корпускулярно-волнового дуализма можно рассматривать как сверхвысокочастотный диапазон электромагнитных волн.

Атмосфера и солнечные лучи

Солнце имеет критически важное значение для выживаемости человечества, поэтому важно изучать его влияние на атмосферу и какие при этом происходят процессы.

В атмосферу поступает электромагнитный спектр солнечного излучения, от радиоволн до жестких рентгеновских лучей. Начинает он свою деятельность выше 1500 км, вступая в схватку с атомами водорода. Солнечные лучи отнимают у него единственный электрон, превращая в одинокий положительно заряженный ион, он же элементарная частица протон. Поскольку атмосфера на таких уровнях разрежена атакующая солнечная радиация почти не теряет энергии.

Но, проникнув на высоту 300 км, она встречает стойких бойцов. Ей последовательно противостоят атомы кислорода, азот, окись азота, последний рубеж держит О₂. На высоте около 120 км солнечная армия остается без свирепого ультрафиолета с длиной волны 100─1020 А (ангстрем). Он растратил энергию на ионизацию, и его поглотили.

Одновременно задерживаются рентгеновское излучение(30-100 А). Часть рентгеновских лучей поддерживает ионизацию ионосферы в промежутке 90─130 км. Другая часть формирует ценой жизни нижний уровень ионосферы на высотах в районе 60 км. Полностью победить нейтральные частицы не удается, помимо ионизации идет обратный процесс их рекомбинации из ионов и электронов.

Ниже 100 км молекулы кислорода, подвергаясь диссоциации, поглощают электромагнитные волны длиннее 1020 А до 1760. Ниже 80 км, распадаясь на атомы, кислород не пропускает волны до 1925 А.

Несколько иной механизм взаимодействия газовой оболочки и солнечных лучей возникает на высотах от 20 до 30 км (зависит от широты). Там возникают условия для образования слоя озона (О3) путем соединения атомарного и молекулярного кислорода. К счастью для биоценоза озон эффективно поглощает солнечные лучи с длиной волны до 3100 А. Они примыкают к видимой части спектра, относятся к мягкому ультрафиолету, но для жизни остаются смертельно опасны. Их энергия идет на распад молекул озона.

Озоновая проблема

Над некоторыми областями земной поверхности отмечено уменьшение толщины озонового слоя, самое большое над Антарктидой. Это серьезная опасность для биологических существ.

Озон погибает, не только противостоя, ультрафиолету, но и чисто химическим путем. Различают водородный, азотный и галогенный цикл реакций, приводящих к уничтожению озона. Интенсивное развитие химической промышленности, особенно использование фреонов, привело к большим выбросам галогенов, прежде всего, хлора, нарушившими устоявшееся равновесие. Галогенный цикл начал уничтожать озон, приводя к образованию озоновых дыр. Впрочем, существуют иные мнения, связывающие вопрос исчезновения озона с циклическим характером природных процессов.

Что видят глаза в атмосфере

Без воды нет биологической жизни, но без нее невозможно представить и атмосферу. В разных модификациях люди могут непосредственно наблюдать ее в атмосфере. Ниже всех располагается туман ─ микроскопические капельки влаги, а при низких температурах льда. Он стелется по земле. В небе мы каждый день видим облака, состоящие из воды. Их классифицируют следующим образом.

Слоистые облака это, по сути, туман, воспаривший вверх. Они могут образовываться на высоте от 30 метров. Кучевые облака отличаются белоснежностью, формируются в холодной части циклона. Дождевые облака обладают большой плотностью, темным до черного цветом. Ждите дождя.

Высоко-кучевые образования напоминают соединенные пластины, по краям видно свечение. От них к нам прилетают, кружатся отдельные снежинки. Сквозь облака просматривается Солнце с венчиком.

Перистые облака ─ волокнообразные формирования, напоминающие меридиональную разметку на карте. Состоят из кристалликов люда, поэтому преломленные лучи света рождают оптические иллюзии ─ гало.

Перламутровые облака наблюдаются в полярных широтах. Пары воды собираются вокруг центров конденсации. Такие ядрышки появляются в атмосфере из-за активности вулканов, в частности, выбросов сернокислотного аэрозоля.

На высоте 60─120 км происходит сгорание из-за трения о воздух метеоритных тел ─ космических пришельцев. Образуется метеорный газ, его возбужденные атомы и ионы излучают свечение.

Высоко, до уровня 1000 км, атомарные и молекулярные кислород, азот, водород, гелий, щелочные металлы соударяются с частичками солнечного ветра (элементарные частицы). Возникает полярное сияние.

Акустика и атмосфера

Воздух под воздействием возбудителя колеблется, распространяя звук, передавая акустическую информации. Без атмосферы мы бы не могли наслаждаться пением птиц, восхищаться чарующими мелодиями. Мы бы не слышали друг друга.

Химические процессы в атмосфере

Химические превращения в воздухе обусловлены двумя факторами. В первом случае поглощение энергии электромагнитного спектра солнечного излучения (фотохимия) приводит к распаду и появлению новых химических связей. Изменения второго типа происходят из-за столкновений молекул. Эти закономерности изучает химическая кинетика.

Химические процессы, идущие в атмосфере, условно можно поделить на вызванные естественными причинами и антропогенной природы.

Химические превращения естественного происхождения

В большинстве своем химические реакции в атмосфере возбуждаются под влиянием квантов солнечного света. Если энергия фотона достаточна для разрушения валентных связей внутри молекулы, она распадается. Процесс называется фотодиссоциация. Такой энергией обладает высокочастотное (жесткое) излучение ультрафиолетовой части солнечного спектра.

Особенно активно разрушается кислород с выделением его атомарной формы. Для инициирования процесса нужна не очень высокая энергия 495 кДж/моль, поэтому молекулярный кислород поглощает значительную долю ультрафиолета. На высоте более 400 км практически нет молекулярного кислорода, только его атомарная форма. Иное дело азот. Обладая высокой энергией связи, его молекула чрезвычайно устойчива и в атмосфере концентрация атомов азота пренебрежимо мала.

Пары воды в основном находятся вблизи земной поверхности, куда ультрафиолетовое излучение достигает слабо, растратив себя на разрушение субстанций в верхних слоях. Но малое количество молекул воды на больших высотах также диссоциирует с образованием водорода и гидроксильной группы.

Поскольку в воздушной оболочке земли много кислорода в ней доминируют окислительно-восстановительные реакции. По механизму протекания это многостадийные процессы с формированием и участием промежуточных ионов, способных к химическим
реакциям.

Многие газы, находящиеся в атмосфере, хорошо растворяются вводе, поэтому атмосферная влага имеет большое значение. В химии образования капель и туч большую роль в качестве окислителя играет озон.

Помимо продуктов распада основных элементов, из которых состоит атмосфера (О₂ и N₂), в реакции вступают другие газы, поступающие в атмосферу по естественным причинам.

• вулканические извержения;
• жизнедеятельность биоценоза;
• испарения болот;
• земная кора;
• мировой океан.

Наиболее заметную роль в химических превращениях в воздухе играют гидроксильная группа. Гидроксил получается при фотохимической реакции разложения озона (О₃). За свою короткую жизнь (менее 1 секунды) он вступает в реакции с газами, куда входят Н, С, О, N, S, превращая их в соединения (СО₂, Н₂SO₄, другие), более легко удаляемые из атмосферы.

Химические процессы, возникающие из-за деятельности человечества

Хозяйственная деятельность человека приводит к появлению в атмосфере повышенных концентраций веществ по сравнению с естественным равновесным состоянием.

Проблема загрязнения окружающей среды из-за вредных выбросов в атмосферу является одним из опаснейших вызовов человечеству, угрожающих его существованию. Отмечается три главных источника загрязнения воздуха.

• Отходы промышленности.
• Сжигание теплоносителей в котельных.
• Выхлопные газы двигателей автомобильного транспорта.

Вследствие работы теплоэлектростанций в окружающую среду попадает сернистый газ, углекислый. Металлургические заводы загрязняют среду обитания окислами азота, хлором, сероводородом, аммиаком, соединениями фосфора, ртути, многими иными небезопасными субстанциями.

Это первичные загрязнители, они вступают реакции, образуя вторичные. С большой интенсивностью сернистый газ (SO₂) переходит в серный ангидрид (SO₃), который взаимодействуя с влагой, дает серную кислоту (H₂SO₄). Если серный ангидрид вступит в реакцию с аммиаком (NH₄) в небе мы будем иметь кристаллики сульфата аммония. Выпадающая с осадками серная кислота образует кислотные дожди, сжигающие окрестную листву, вызывающие респираторные заболевания у людей.

При неполном сгорании органического топлива в пространство выбрасывается оксид углерода (СО), знаменитый угарный газ. Он вступает в реакции со многими веществами, образуя продукты, создающие парниковый эффект.

Алюминиевые, заводы, предприятия, производящие удобрения, стекольные фабрики выбрасывают фторсодержащие вещества в газовой фазе. Они сами по себе вредны для здоровья, дальнейшие превращения загрязняют окружающую среду токсическими веществами еще сильнее. Тоже самое с хлором, активно участвующим в образовании паров соляной кислоты. Получаются угрожающие здоровью населения мышьяковистые, фосфорные соединения, вещества содержащие сурьму, свинец, редкие металлы.

Аэрозольное загрязнение

Особый класс представляют взвешенные в воздухе частицы, называемые аэрозолями. Как правило, они получаются в результате взаимодействия частиц между собой и парами воды. В больших количествах их продуцируют теплоэлектростанции ТЭС, химический состав отличается большой вариативностью, можно найти соединения железа, редких металлов, кремния, селена, других элементов периодической таблицы.

Частички взвеси могут также носить органическое происхождение, в частности в пыли находятся ароматические углеводороды (бензол и другие). Кроме того в атмосфере присутствуют свободные радикалы, насыщенные и ненасыщенные углеводороды, чьи гомологические цепочки могут содержать до 13-ти атомов углерода.

Эта масса подвергается процессам окисления, полимеризации, формирует соединения с иными загрязнителями под воздействием солнечной энергии. Углеводороды образуют вещества с оксидами азота, серы, перекисями. Зрительно аэрозоли воспринимаются как смог, дымка, мгла.

Заключение

Возникновение биологической материи, тем более высокоорганизованных форм возможно при сочетании многих факторов. Одной из основополагающих субстанции является подходящая для жизнедеятельности окружающая газовая среда. Атмосфера подательница жизни, ее защитница и фактор эволюции.

В тоже время она хрупка, по незнанию, неразумию, можно легко нарушить ее сбалансированное состояние, тогда мы получим карающего без разбора мстителя. Одна из насущных задач человечества научиться жить в согласии со всем мирозданием и с важнейшей для нас ее частью атмосферой. Человек не навреди миру, в котором живешь.