Общая химия. Избранные главы - Вольхин В.В.
ISBN 5-88151-282-0
Скачать (прямая ссылка):
Химия окружающей среды
285
за счет увеличения содержания в тропосфере CO2, участвующего в экранировании инфракрасного излучения.
На границе тропосферы и стратосферы (узкий приграничный слой называется тропопаузой) температура понижается до -560C Поэтому пары воды сосредоточены, в основном, в тропосфере. Небольшое количество воды в стратосфере находится в виде мельчайших кристалликов льда. На границе между стратосферой и мезосферой (стратопауза) температура повышается преимущественно за счет поглощения ультрафиолетового излучения озоном.
Плотность атмосферы быстро понижается с увеличение высоты, т.е. расстояния от уровня моря. Основная доля массы атмосферы, которая превышает величину 0,99, сосредоточена в ее слое высотой 30 км. При сравнении этого расстояния с диаметром земного шара можно прийти к выводу, что атмосфера представляет собой тончайший слой у поверхности Земли.
Уже отмечалось, что химические реакции, протекающие в разных слоях атмосферы, оказывают неодинаковые влияния на окружающую среду. Поэтому ознакомимся раздельно с реакциями в тропосфере и в стратосфере.
Химические реакции в тропосфере. Важное место занимают реакции окисления разных веществ кислородом воздуха и реакции фотосинтеза. Происходит горение лесов и сжигание ископаемых видов топлива, например каменного угля и природного газа CH4:
Рис. 6.1. Основные области нижней части атмосферы
286
В.В. Вольхин. Общая химия
C0O + 02(Г)-> co2(r)} (6.3)
CH4(D + 2O2(D -+ CO2(D + 2H2O(P). (6;4) ,
В промышленных условиях осуществляются реакции окисления неорганических веществ. Так, при производстве серной кислоты используется реакция
S(D +02(К) -» SO2(D. (6-5)
Имеет также значение реакция окисления азота:
N2(D + O2(D >т°°С > 2NO(D- <6'6>
Молекула N2 является очень прочной вследствие тройной связи N=N, и окисление азота молекулярным кислородом происходит при температурах выше 100O0C
Во всех перечисленных и многих других реакциях окисления происходит поглощение молекулярного кислорода из атмосферы. Но как и на протяжении многих предыдущих веков, атмосфера обогащается кислородом за счет процесса фотосинтеза, протекающего согласно уравнению (6.2) суммарной реакции
CO2(P) + H2O010 CH2O(K) + 02(р).
При фотосинтезе расходуется часть накапливающегося в атмосфере диоксида углерода. Процесс фотосинтеза поддерживает также баланс кислорода в атмосфере, и потери кислорода за счет реакций окисления пока не представляют серьезной опасности для окружающей среды. Однако продукты реакций окисления, например, такие как CO2 и SO2, попадая в тропосферу, оказывают существенное влияние на атмосферные процессы.
Поступивший в атмосферу CO2 остается в ней в среднем 2...4 года. За это время выбросы CO2 продолжаются. Накопление CO2 в тропосфере вызывает «тепличный» эффект, т.е. потепление климата на Земле. Как уже отмечалось, этот эффект связан с поглощением инфракрасного излучения молекулами CO2, что предотвращает потерю земной поверхностью значительной доли энергии, которая иначе рассеялась бы в окружающем пространстве.
В настоящее время среднее содержание CO2 в атмосфере составляет около 0,035 %. Существуют разные прогнозы о развитии «тепличного» эффекта. Многое зависит от усилий человечества по ограничению выбросов CO2 в атмосферу. Но если существующие темпы прироста выбросов CO2 сохранятся и в будущем, то около 2050 г. содержание CO2 в атмосфере достигнет 0,06 %. Это может привести к среднему глобальному увеличению температуры на 0,8...2,9 0C, причем в тропиках в меньшей мере, а в полярных зонах - в большей. Не касаясь прогнозов относительно таяния льда на полюсах и повышения уровня Мирового океана, - они хорошо известны,- отметим, что усиление «тепличного» эффекта, вероятно, вызовет сдвиг климатических поясов Земли в направлении ее полюсов, субтропические засушливые зоны окажутся на территории бывших наиболее плодородных областей, а потеря последних создаст дополнительный дефицит продуктов питания.
При более строгой оценке перспектив развития «тепличного» эффекта следует учитывать и другие вещества, способные поглощать инфракрасное излучение. Среди них - CH4 («15 %), NO v (до 6 %) и фреоны (более 20 %). Величины в процентах, указанные в скобках, характеризуют вклады каждого из приведенных газов в изменение «тепличного» эффекта за период в 10 лет. Экологическую роль фреоиов рассмотрим немного позднее, но уже в связи с проблемой стратосферного озона. А пока ограничимся оценкой перспектив изменения вклада в «тепличный» эффект метана. Потепление климата на Земле могут усилить процессы разложения органических веществ и, следовательно, уве
Химыя окружающей среды
личить выделение в атмосферу таких продуктов, как СОг и CH4. Предполагают также, что оттаивание слоя вечной мерзлоты в зоне тундры высвободит огромные количества CH4, которые длительное время накапливались под этим слоем в недрах Земли. Таким образом, потепление климата может привести к ускорению процесса развития «тепличного» эффекта.
В атмосферу поступают в качестве загрязнений и другие газы. Из них, прежде всего, обратим внимание на SO2 и N0,v (NO + NO2). Их поведение связано с тропосферным озоном, который образуется в высших слоях тропосферы и в тропопаузе. Определенный вклад в образование тропосферного озона вносят выхлопные газы самолетов. Содержание O3 в тропосфере составляет 0,001 - 0,010 %. Под действием излучений озон разлагается:
