Задание №2. Физико-химические превращения в атмосфере: состав и строение атмосферы, приоритетные загрязнители (стр. 1 )

Задание №2

Физико-химические превращения в атмосфере:

состав и строение атмосферы, приоритетные загрязнители

1 СОСТАВ И СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

Общая масса газовой оболочки нашей планеты – атмосферы – составляет 5,14*1015т. Это примерно одна миллионная часть массы Земли. Состав атмосферы претерпевал серьезнейшие изменения в различные геологические эпохи. В настоящее время состав атмосферы находится в состоянии динамического равновесия, поддерживаемого в результате действия живых организмов, геохимических явлений и хозяйственной деятельности человека.

Главными компонентами атмосферы являются азот, кислород и аргон: на их долю в приземном слое приходится соответственно 78,11; 20,95 и 0,94% (об.). На долю всех остальных компонентов приходится менее 0,1% (об.), но их роль в общей динамике состояния атмосферы чрезвычайно велика. Объемные концентрации постоянно содержащихся в атмосфере (так называемых «квазипостоянных») компонентов (N2, O2, Ar, He, Xe, Kr, H2) остаются практически неизменными вплоть до высоты 100 км. Содержание других («активных») газов и аэрозолей существенно меняется в зависимости от сезона, географического положения и высоты над уровнем моря. К «активным» компонентам атмосферы относятся водяной пар, углекислый газ, монооксид углерода, оксиды азота, диоксид серы, метан и озон. Антропогенное влияние на состав атмосферы ограничено, в основном, изменениями концентрации «активных» газов и аэрозолей.

Одним из важных показателей, характеризующих поведение примесей в атмосфере, является время их пребывания в рассматриваемом объеме атмосферы. В случае динамического равновесия – равенства скоростей поступления примеси из всех возможных источников и суммарного стока примеси из резервуара – время пребывания примеси и ее общая масса в резервуаре связаны уравнением:

Qисточник = Qсток = A / τ ,

где Qисточник и Qсток – скорости поступления и стока веществ соответственно для произвольного резервуара, атмосферы в целом или ее части;

А – общая масса примеси, содержащейся в произвольном резервуаре, атмосфере в целом или в ее части;

τ – время пребывания примеси в произвольном резервуаре, атмосфере в целом или в ее части.

2 ОСНОВНЫЕ ЗОНЫ АТМОСФЕРЫ

По вертикали атмосфера имеет слоистое строение. Наиболее распространенное деление на слои основано на изменении температуры с высотой. Некоторые характеристики основных слоев атмосферы приведены в таблице 1. Cледует отметить, что границы отдельных слоев, разделяемых узкими переходными зонами, называемыми паузами, строго не фиксируются. Их положение зависит главным образом от внешнего фактора – активности солнца и уровня поступающей от него радиации.

Таблица 1 – Основные зоны атмосферы

Слой атмосферы	Нижняя и верхняя границы над уровнем моря, км	Температура, ºС	Температурный градиент, ºС/км
Нижняя граница слоя	Верхняя граница слоя
Тропосфера	0 – (8-18)	15	–56	–6,45
Стратосфера	(8-18) – (50-55)	–56	–2	+1,38
Мезосфера	(50-55) – (80-85)	–2	–90	–2,56
Термосфера	(80-85) – 1000	–90	1200	+3,13

3 АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ

При нормальных условиях (р = 1 атм, Т = 273 К) газы, входящие в состав атмосферы, мало отличаются по своему поведению от идеальных газов. Поэтому для реальной атмосферы справедливо уравнение состояния идеального газа:

PV = ν RT,

где Р – давление;

V – объем газа;

ν – количество вещества;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – температура.

Распределение давления в атмосфере по высоте Н описывается так называемой «барометрической формулой»:

,

где ρ0 и Р0 – плотность и давление при Н = 0 (т. е. на уровне моря), причем Р0=101325 Па;

g – ускорение свободного падения; g = 9,81м∙с-1.

Распределение концентрации составляющих атмосферу компонентов по высоте имеет вид:

,

где M – молярная масса газа;

N0 – концентрация молекул на высоте Н=0 (на уровне моря);

R – универсальная газовая постоянная.

4 УСТОЙЧИВОСТЬ АТМОСФЕРЫ

Химические процессы в атмосфере и, следовательно, ее химический состав как в глобальных и региональных, так и локальных масштабах зависят не только от присутствия тех или иных соединений и их потенциальной способности вступать в определенные химические реакции, но и от многих других параметров атмосферы в данном месте и в данный момент.

Количество (масса) примесей в атмосфере (А) есть функция деятельности всех возможных источников (Qист), стоков (Qсток) и переноса (Qпер.). В неравновесных условиях:

= Qист – Qсток ± Qпер.

Стоки – это процессы удаления примеси в ходе химических реакций и соосаждения. Qпер. – скорость процессов переноса и рассеяния. Решающую роль в этих процессах наряду с горизонтальным переносом (адвекцией) играет перемещение вверх от земной поверхности.

Такой перенос воздуха определяется уже одним только фактом наличия температурного градиента, однако в реальной атмосфере он может не реализовываться, поскольку зависит от характеристики, называемой устойчивостью атмосферы. Устойчивость атмосферы проявляется в отсутствии в ней значительных вертикального движения и перемешивания. В этом случае загрязняющие вещества, выброшенные в атмосферу вблизи земной поверхности, будут иметь тенденцию задерживаться там.

Интенсивность теплового перемешивания определяют, сравнивая температурный градиент, реально наблюдаемый в атмосфере, со стандартным адиабатическим вертикальным градиентом.

,

где– изменение температуры по высоте, наблюдаемое в окружающей среде.

Значение Гпот< 0 свидетельствует о сверхадиабатическом характере профиля температуры и неустойчивых условиях в атмосфере. В случаях, когда Гпот> 0, атмосфера устойчива. В случае, если Гпот≈ 0, атмосфера характеризуется как безразличная.

Если температура повышается с ростом высоты, то атмосферные условия определяются как инверсия. В этом случае атмосфера является весьма устойчивой.

Примеры решения задач

Пример 1. В восьмидесятых годах 20-ого века среднегодовая концентрация диоксида углерода в атмосфере, приведенная к температуре 273 К и давлению воздуха 101,3 кПа, достигла 340 млн-1 Определите значения концентрации CO2 в %(об.), см-3, моль/л, мг/м3 и парциальное давление CO2 в Па при средней температуре воздуха вблизи поверхности Земли(288 К).

Решение:

Выразим объемную долю диоксида углерода φ, %(об.):

φ (CO2) = С · 10-4,

где С – концентрация диоксида углерода, выраженная в млн-1,

10-4 − коэффициент перевода млн-1 в % (об.).

φ (CO2) = 340 ∙10-4 = 0,034% (об.).

Число молекул любого газа в 1см3 можно получить, поделив число молекул в 1 моле любого газа NA (число Авогадро) на объем VM, занимаемый этим количеством газа (молярный объем газа), выраженный в см3:

N = NA / VM.

Поскольку молярный объем газа зависит от температуры и давления, то его необходимо привести к условиям задачи:

VM = VM0·TP0/T0P,

где, VM0 − молярный объем газа при нормальных условиях (22,4 л/моль);

T0, P0, T, P − температура и давление при нормальных и заданных условиях соответственно.

VM = 22,4 · 288 · 101,3/ (273 ∙101,3) = 23,63 л/моль = 23,63 · 103 см3/моль.

При 288 К и нормальном атмосферном давлении общее число молекул идеального газа или смеси идеальных газов) в 1см3 составит:

N = 6,02 · 1023 / (23,63 · 103 ) = 2,55 ·1019 см-3 .

Число молекул диоксида углерода в 1см3 воздуха при условии, что воздух и диоксид углерода ведут себя как идеальные газы, можно определить, зная его объемную долю:

N(CO2) = N · φ (CO2) = 2,55 · 1019 · 3,4 · 10-4 = 8,67 · 1015 см-3 .

Определим парциальное давление диоксида углерода в воздухе. Значения объемных концентраций примесей приводятся обычно в пересчете на сухой воздух; при определении парциального давления в реальных условиях следует учитывать парциальное давление паров воды, которые всегда присутствуют в атмосферном воздухе. Поэтому рекомендуется пользоваться следующим уравнением:

P = (Pвозд − Pводы ) C/100,

где P − парциальное давление примеси, кПа;

Pвозд − атмосферное давление, кПа;

Pводы − давление паров воды, кПа;

C − концентрация примеси, %(об.),

100 − коэффициент перевода % в доли.

Однако, поскольку в условиях задачи отсутствуют данные о парциальном давлении паров воды в воздухе, проведем упрощенный расчет:

P = Pвозд C /100;

P = 101,3 · 3,4 · 10-2 /100 = 3,46 · 10-2 кПа = 35 Па.

Молярную концентрацию CM (моль/л) диоксида углерода в воздухе определим, пользуясь уравнением состояния идеального газа:

PV = ν RT ; P = νRT /V = CMRT; CM = P/(RT),

где P, V,ν, T − давление, объем, количество и температура идеального газа соответственно,

R − универсальная газовая постоянная 8,314 Дж/(моль· К).

CM (CO2) = 35/(8,314 · 288) = 1,46 · 10-2 моль/м3 = 1,46 · 10-5 моль/л.

Число мг диоксида углерода в кубическом метре воздуха составит:

С*(CO2) = CM (CO2) · M(CO2) · 106 = 1,46 · 10-5· 44 · 106 = 642 мг/м3.