Выбросы оксидов азота и серы в атмосферу на территории сша [3]

Источник	Выбросы SO2, %	Выбросы сумма NO и NO2, %
Электростанции	6510	2920
Топочные устройства	1810	2420
Промышленные предприятия	1320	320
Транспортные средства	325	4130
Другие источники	125	325
Всего	10012	10024

В США выбросы антропогенных источников в атмосферу оценивают с 1900 г., при этом учитывают вид топлива, мощность электростанций и предприятий, количество транспортных средств [10]. Структура и погрешности оценки выбросов оксида серы и оксидов азота за год на всей территории США приведенная в табл. 6, свидетельствует, что основная часть выбросов оксидов серы приходится на тепловые электростанции, работающие на каменном угле, в то время как основная доля оксидов азота приходится на транспорт.

Испарение с поверхности суши и водоемов

Вода присутствует в атмосфере в трех фазовых состояниях: лед, жидкость, пар.

Межмолекулярное взаимодействие, обусловленное силами Ван дер Ваальса и водородными связями, проявляется в твердой и жидкой фазах. Мы уже отмечали, что в кристалле льда электростатическое притяжение и водородные связи прочно удерживают молекулы воды в узлах кристаллической решетки. При температуре плавления энергия, подводимая к кристаллу, расшатывает кристаллическую решетку. Строгий порядок расположения молекул воды, характерный для кристаллического состояния, нарушается. Происходит разрушение кристалла (плавление) и образование жидкости, в которой водородные связи способны удерживать двигающиеся молекулы на достаточно близких расстояниях. В жидкой воде еще сохраняет так называемый ближний порядок расположения молекул.

Аномальные свойства воды, о которых говорилось в § 8, обеспечивают устойчивое состояние тонкой пленки воды на поверхности планеты. Вода участвует в круговороте веществ, испаряясь и снова выпадая в виде осадков (дождя и снега).

Вопросы для проверки знаний. Упражнения

1. Какие газы выделяются в атмосферу при дегазации а) магмы? б) вод Мирового океана?

2. Какие биохимические процессы обеспечивают попадание в атмосферу а) кислорода? б) углекислого газа?

3. Какой газ образуется в стратосфере под действием УФ-излучения?

4. Какие газы образуются в атмосфере при грозовых разрядах?

5. Какие техногенные процессы вызывают появление в атмосфере оксидов азота и серы?

6. Какие техногенные процессы представляют наибольшую опасность для атмосферы?

7. Как образуются и какую роль играют пары воды в атмосфере?

§ 12. Процессы вывода газов из атмосферы

Как уже было сказано, состав атмосферы обеспечивается равновесием процессов выделения и поглощения основных газообразных составляющих. Ниже будут рассмотрены процессы поглощения атмосферных газов.

Рассеивание газов в космическое пространство;

Экзосфера, внешний наиболее разреженный слой верхней атмосферы Земли, является сферой рассеивания микрочастиц атмосферы. Рассеиваются атомы водорода, гелия и кислорода. Длина свободного пробега частиц в верхней экзосфере достигает второй космической скорости (~11 км/с), поэтому они улетают в космическое пространство. Однако концентрация частиц в верхней части экзосферы сохраняется постоянной за счет поступления микрочастиц из термосферы.

Растворение газов в гидросфере;

Хорошо растворимые газы очень быстро выводятся из атмосферы. К таким газам относятся хлороводород и фтороводород, которые в огромных количествах выделяются в атмосферу при дегазации магмы: хлороводород – 810⁶ т/год и фтороводород – 410⁵ т/год. После растворения в воде они реагируют с магматическими горными породами:

2HF(р-р) + CaОAl₂О₃ 2SiO₂ (т)  CaF₂(р-р) + 2HАlSiO₄(т).

Значительные количества углекислого газа также растворяется в воде. Его концентрация в воде в 30 раз больше, чем в атмосфере. Мировой океан в этом смысле является громадным резервуаром углекислого газа.

Биохимические процессы;

Если основным источником поступления кислорода в атмосферу являются живые организмы, то они же являются его основными потребителями за счет клеточного дыхания:

С₆Н₁₂О₆ (р-р) + 6О₂(г) ⇄ 6СО₂(г) + 6Н₂О(ж).

Природные и техногенные химические процессы;

Углекислый газ, растворенный в водах поверхностных водоемов, участвует в химических реакциях с донными карбонатами:

СО₂(р-р) + Н₂О + СаСО₃(т)  Са(НСО₃)₂(р-р).

Окислительно-восстановительные процессы в атмосфере приводят к образованию оксидов (Н₂О, СО₂, SO₂, NO, NO₂), пероксида водорода (Н₂О₂), пероксиацетилнитрата СН₃С(О)ООNO₂ (ПАН), озона О₃. Оксиды и пероксиды являются продуктами химических превращений. Так, в капельках жидкости идут реакции генерирования свободных радикалов под действием ультрафиолетового света ( < 200 нм). При фотовозбуждении озона светом протекают реакции распада озона:

О₃(р-р) + h  О₂(р-р) + ^О^,

^О^ (р-р) + Н₂О(ж)  2НО^.

Реакционноспособный гидроксильный радикал НО^ участвует в превращении оксидов азота и серы в азотную и серную кислоты – источники кислотных дождей:

NO(р-р) + O₃(р-р)  NO₂(р-р) + O₂(г),

HO^(р-р) + NO₂(р-р)  HNO₃(р-р),

НО^(р-р) + SО₂(р-р) НSО₃^ (р-р),

НSО₃^(р-р) + О₂(р-р) НОО^(р-р) + SО₃(р-р),

SО₃(р-р) + Н₂О(ж)  Н₂SО₄(р-р).

Летучие органические соединения (RН) в атмосфере превращаются в чрезвычайно токсичные вещества: альдегиды RС(О)Н и органические нитраты СН₃СООNO₂:

RН+ НО^ + NO  СН₃СООNO₂+ RС(О)Н.

Время жизни свободных радикалов (НО^, НОО^, НSО₃^) очень мало – не более нескольких минут. Их локальные концентрации определяются количеством реагентов и уровнем солнечной радиации. На большие расстояния они не переносятся, в отличие от пероксида водорода (Н₂О₂) и органических пероксидов, например преоксиацетилнитрата СН₃С(О)ООNO₂, продолжительность жизни которых значительно больше. Образование активных пероксидов в атмосфере происходит в результате химических реакций, в которых участвуют свободные пероксидные радикалы:

НО₂^ + НО₂^  Н₂О₂ + О₂,

RО₂^ + NО₂  ROONO_{2 .}

Общее время жизни пероксидов определяется скоростью их фотохимического и термического распада. Зимой пероксиды могут сохраняться 5 – 10 дней. Концентрация пероксида водорода в воздухе зависит от влажности и скорости выпадения осадков, поскольку он хорошо растворим в воде.

Время жизни органических пероксинтиратов в приповерхностном слое атмосферы составляет несколько часов, в тропосфере – несколько месяцев. Эти соединения могут переноситься на большие расстояния. Они являются «резервуаром» для оксида азота и свободных радикалов.

В тропосфере озон накапливается в результате миграции из стратосферы, где сконцентрировано более 90% атмосферного озона, и образования в поверхностном слое из природных и антропогенных источников. В промышленных зонах, где много выбросов угарного газа СО и метана, летучих органических соединений и оксидов азота, фотохимические реакции следует считать основным генератором озона.

Скорость образования химических веществ, загрязняющих воздух, в совокупности с метеорологическими условиями определяет интенсивность выведения газов из атмосферы в виде кислотных дождей.

Для формирования кислотных дождей принципиально важны аэрозольные частицы, состоящие в основном из твердых сульфатов и нитратов. Крупные частицы, переносимые массами воздуха, представляют собой мелкодисперсную сажу, копоть и продукты неполного сгорания топлива. Часто в аэрозолях происходит агломерация (слипание) отдельных частиц, описываемая кинетическими законами, аналогичными закону действующих масс для химических реакций. Совокупность процессов поглощения газообразных выбросов облачным слоем, образования и выпадения кислотных дождей показана на рис. 17.

Диоксиды серы и азота, а также пылинки сульфатов и нитратов поглощаются каплями влаги. Именно на этой стадии в каплях облачного слоя начинается сложный комплекс реакций, описанных выше

В результате осадки приобретают кислую реакцию, и выпадают кислотные дожди. Они создают закисление почвы, рек, озер и оказывают негативное влияние на многие экологические системы. Для последних важное значение имеет кислотность водного раствора, измеряемая концентрацией водородных ионов или водородным показателем рН. Значение рН = 7 характеризует нейтральную реакцию раствора, рН > 7  щелочную, рН < 7  кислую. Большинство экосистем нормально функционируют при рН = 57.

В Баварии (Германия) в августе 1981 г. выпадали дожди с кислотностью рН =3,5. Максимально зарегистрированная кислотность осадков в Западной Европе составила 2,3 [3].

Выпадение кислотных дождей заставляет работников сельского хозяйства дополнительно известковать почву под посевы и применять меры против избытка кислоты в водоемах.

.

NO → NO₂ → HNO₃

SO₂ → SO₃→ H₂SO₄

Перенос

Осаждение

NO, SO₂

SO₂

HNO₃

H₂SO₄

Р ис. 17. Схема образования кислот в атмосфере и выпадения кислотных дождей

Конденсация паров воды.

Конденсация – процесс обратный испарению воды. Чем ниже концентрация паров, тем ниже должна быть температура воздуха, чтобы процесс конденсации реализовался. Именно в этом процессе идет возвращение воды в Мировой океан.