Общая химия. Избранные главы - Вольхин В.В.
ISBN 5-88151-282-0
Скачать (прямая ссылка):
Всё многообразие взаимосвязей в окружающей среде, осуществляемых за счет физических, химических, геохимических и биологических процессов, и связанный с ними перенос энергии и вещества принято выражать в форме циклов. Например, выделяют биогеохимические циклы веществ или элементарные циклы воды, углерода, азота, кислорода, фосфора, серы и др. Природные циклы подразделяют также на экзогенные и эндогенные. Первые из них связаны с жизнедеятельностью организмов и осуществляются преимущественно на поверхности Земли под действием солнечного излучения. Вторые протекают за счет энергии, выделяемой из недр Земли. При обсуждении процессов в окружающей среде мы ограничимся экзогенными циклами.
Исследование кругооборота веществ в окружающей среде дает много полезной информации о взаимодействии между ее разными природными сферами. Но особенности нарушений, происходящих в окружающей среде под влиянием антропогенных факторов, более удобно изучать применительно к отдельным ее природным сферам. Поэтому в первую очередь важно ознакомиться с процессами, протекающими раздельно в атмосфере, гидросфере или литосфере (преимущественно в почве). В соответствии с задачами данной главы, при обсуждении проблемы антропогенного воздействия на окружающую среду особое внимание будем уделять химическим превращениям, в том числе происходящим с участием микроорганизмов.
Знакомясь с химией атмосферы, гидросферы и почвы, будем опираться на те положения фундаментальной химии, которые изложены в предыдущих главах. Так, термодинамика реакций не зависит от того, в какой системе протекают реакции -в химической или биохимической (с участием микроорганизмов). Но следует обратить внимание на некоторые особенности природных химических процессов. Они могут протекать как быстро, так и очень медленно - в соответствии со шкалой геологического времени. Осаждение веществ в лабораторных условиях обычно осуществляется при сильном пересыщении растворов, а выделение твердой фазы в природной среде, как правило, происходит при слабом пересыщении жидкой или газообразной среды. Существуют и другие особенности «природной» химии. Процессы в атмосфере протекают при низких концентрациях веществ, а процессы в водных средах и в почве обычно осложнены присутствием биосферных компонентов. Многие процессы в природе происходят на границах раздела фаз: жидкость - газ, твердое тело -газ, твердое тело - жидкость.
284
В. В. Вольхин. Общая химия
6.2. Химические процессы в атмосфере
Общая характеристика атмосферы. При обсуждении глобальных проблем охраны окружающей среды особое внимание уделяется атмосфере. Именно с процессами в атмосфере связывают такие явления, как усиление «тепличного» эффекта, ослабление защитной способности озонового слоя, кислотные дожди. Существуют опасения, что неблагоприятные экологические последствия этих явлений могут существенно усилиться в недалеком будущем, что обусловлено высокой чувствительностью процессов в атмосфере к антропогенным загрязнениям. Возникает вопрос: почему же атмосфера так быстро реагирует на поступление в нее ряда загрязнений?
Атмосфера по сравнению с гидросферой и литосферой является наименьшим резервуаром для веществ. Ее масса составляет лишь около одной миллионной доли от общей земной массы, хотя и достигает 5,15•1O15 т. Вместе с тем атмосфера активно участвует в обмене веществ с гидросферой и литосферой. Так, при общем содержании воды в атмосфере около 15?1O3 кмъ перенос ее через атмосферу превышает 35•1O3 /ш3 в год, что свидетельствует об активном взаимодействии атмосферы и гидросферы. В атмосферу поступает большая масса твердых, жидких и газообразных загрязняющих веществ, которые образуются в результате естественных процессов, а также являются продуктами деятельности человека.
Именно атмосфера принимает на себя весь поток достигающих Земли космических и солнечных излучений. В атмосфере интенсивно протекают фотохимические реакции с участием многих неорганических и органических веществ. Реакции эти многообразны, и их влияние на окружающую среду неодинаково. Но обобщение наблюдаемых эффектов не возможно без отнесения их к отдельным слоям атмосферы. Поэтому вспомним некоторые сведения о структуре атмосферы. Схема, отражающая структуру нижней части атмосферы, приведена на рис. 6.1.
Космические лучи и солнечное излучение высокой энергии (к < 100 нм) задерживаются в верхних слоях атмосферы (> 200 км). Лучи ультрафиолетовой области спектра (преимущественно 270...33O нм) поглощаются в значительной мере в стратосфере (преимущественно в верхней ее части) за счет взаимодействия с озоном. Стратосферу преодолевают, в основном, излучения с меньшей энергией {X > 330 им). Однако не вся энергия этих излучений достигает поверхности океана или земли. Часть излучений рассеивается в тропосфере частицами пыли, отражается и поглощается облаками. Вода является особенно хорошим поглотителем инфракрасного излучения. В конечном итоге лишь около половины солнечной энергии достигает поверхности земного шара, что составляет 600...70O Вт/м2, а в безоблачный летний полдень -до 1 кВт/м2. Максимальная интенсивность излучения у поверхности Земли приходится на интервал длин волн 300...500 им. Часть этого излучения поглощается почвой и массой воды и в той или иной мере используется в процессе фотосинтеза, но некоторая ее часть отражается обратно в атмосферу уже в форме инфракрасного излучения. Именно с этой частью излучения связан «тепличный» эффект. Он заключается в поглощении некоторой доли отраженного инфракрасного излучения в тропосфере молекулами диоксида углерода. Такой процесс протекает в естественных условиях и вносит существенный вклад в формирование теплового баланса Земли. А экологическая проблема обусловлена тем, что сложившийся тепловой баланс нарушается
