Основные источники формирования химического состава атмосферы. Химический состав атмосферы

 

На высоте 90 км химический состав атмосферы сильно изменяется. Она обогащается легкими газами. Выше 600 км в атмосфере преобладает гелий, а выше 1600 – водород.

В воздухе содержатся также микроорганизмы (бактерии, вирусы, плесневые грибки и др.). Патогенные микроорганизмы среди них встречаются редко и в ничтожных количествах, однако в воздухе закрытых помещений могут обнаруживаться возбудители инфекций.

 

2.Природные источники  формирования химического состава  атмосферы

 

 

Пыли и морские брызги, поставляющие огромное количество вещества в атмосферу, поступают в нее с помощью ветра, являющегося природным геохимическим источником.

Частицы соли, поступающие в атмосферу из океана, содержат в основном хлорид натрия (NaCl). Последний, обладая высокой гигроскопичностью, взаимодействует с атмосферной водой и образует концентрированный капельный раствор, или аэрозоль. Этот процесс принимает участие в образовании облаков, также такие капельки являются местом протекания важных химических реакций в атмосфере. Например, при растворении NaCl в капельках азотной (HNO3)  или серной (H2SO4) кислот образуется хлористый водород (HCl):

NaCl(тв) + HNO3(ж) = NaNO3(тв) + HCl(г)                             (2.1)

NaCl(тв) + H2SO4(ж) = NaHSO4(тв) + HCl(г)                          (2.2)

Считается, что этот процесс является важным источником хлористого водорода в амосфере.

Источниками эмиссии в атмосферу пыли и газов являются наземные вулканы. Вулканические частицы могут влиять на глобальную температуру Земли, задерживая солнечное излучение, нарушать химические процессы на больших высотах. Такие газы, как SO2, CO2, NO2, выделяющиеся в атмосферу при вулканических извержениях, вступают в реакции в стратосфере, образуя новые химические частицы, например H2SO4 или HNO3.

Радиоактивные элементы пород, в основном калий (К), а также тяжелые элементы радий (Ra), уран (U) и торий (Th), могут высвобождать газы. Аргон, например, является результатом распада калия, а радон (Rn) – распада радия. Серия уран-ториевых распадов приводят к образованию α-частиц, являющихся ядрами гелия. Когда эти ядра захватывают электроны, гелий поступает в атмосферу.

Среди природных биологических источников мощным источником газов в атмосферу является живой лес. Лес играет большую роль в обмене газов с атмосферой. Основные газы атмосферы O2 и CO2 вовлечены в процессы дыхания и фотосинтеза. Кроме того, лес выделяет большие количества следовых органических соединений, в частности терпенов. Такие терпены, как пинен и лимонен, придают воздуху лесных массивов их аромат. Леса являются также источниками органических кислот, альдегидов и других органических соединений.

Источником поступления азотсодержащих (NH3, N2, N2O, NO), галоген- и серосодержащих (CH3Cl, CH3S, CS2, H2S, COS) газов, а также CO2 и CH4 являются химические процессы, протекающие в природных экосистемах с участием микроорганизмов.

Почвы Земли содержат соединения азота, которые, участвуя в микробиологических процессах, образуют азотсодержащие газы. Мочевина (NH2CONH2), содержащаяся в моче животных, подвергаясь гидролитическому расщеплению под действием аммонифицирующих бактерий, разлагается до аммиака (NH3) и CO2:

NH2CONH2 + H2O = 2NH3(г) + CO2(г)                                 (2.3)

При отмирании растительных и животных организмов происходит протеолитическое расщепление белковой структуры с выделением молекулярных аминокислот. Аминокислоты, подвергаясь гидролитическому расщеплению в присутствии микроорганизмов, также разлагаются с образованием аммиака (NH3):

R – CH(NH2) – COOH + H2O = R – CH(OH) – COOH + NH3(г)      (2.4)

При щелочной реакции почв, в которых протекает такой гидролиз, выделяется газообразный аммиак. В условиях кислой среды образуется катион аммония (NH4+):

NH3(г) + Н+(водн) = NH+4(водн)                                         (2.5)

Растения могут поглощать такие связанные формы азота (NH3, NH+4) прямым путем, а некоторые микроорганизмы окисляют аммонийный азот до оксидов азота:

2NH3(г) + 2O2(г) = N2O(г) + 3H2O(г)                                   (2.6)

Этот процесс является биологическим источником оксида азота (I), важного и достаточно устойчивого газа тропосферы. В природе протекают многие другие процессы с участием соединений азота, результатом которых является образование азотсодержащих газов NH3, N2, N2O, NO.

Деятельность организмов в океанах также служит мощным источником следовых газов. Морская вода обогащена растворенными хлоридными, сульфатными солями и солями фтора, брома, йода. Под действием микроорганизмов в результате метаболизма образуются следовые количества серо- и галогенсодержащих газов.

Накоплению серы в атмосфере способствуют также процессы превращения органических сульфидов. Продуцируемые морскими микроорганизмами, они образуют серосодержащие газообразные соединения. Наиболее типичным таким соединением является диметилсульфид (СН3)2S. Другим важным соединением серы, выделяемым в атмосферу океанами, является карбонилсульфид (COS). Диметилсульфид и карбонилсульфид обладают малой растворимостью в воде, и это обстоятельство способствует дегазации этих газов из океанов в атмосферу.

Метилхлорид (CH3Cl), наиболее распространенный в атмосфере из галогенуглеводородов, образуется из морских источников в процессе микробиологических превращений веществ на суше и при горении биомассы.

 

3.Антропогенные источники  формирования химического состава  атмосферы

 

 

В атмосферу поступает множество органических и минеральных веществ антропогенного происхождения. Масштабы антропогенного загрязнения атмосферы пока еще уступают глобальной естественной эмиссии.

Наибольшая опасность глобального загрязнения атмосферы связана с широким использованием природных ресурсов для нужд энергетики, химической, металлургической и других отраслей промышленности.

Антропогенные источники оказывают большое влияние на качество атмосферного воздуха в городах и прилегающих к ним территорий. Загрязнение происходит в основном в результате процессов сгорания природного  топлива в различных энергетических установках:

4CH(топливо) + 5О2(г) = 4СО2(г) + 2Н2О(г)                                            (3.1)

Тепловые электростанции, котельные, транспортные средства, работающие на углеводородном топливе, являются антропогенными источниками поступления СО2 в атмосферу. Образующиеся СО2 и водяной пар не являются токсичными газами, однако составляют главную основу «парниковых» газов, увеличение концентрации которых в атмосфере служит одной из причин повышения температуры поверхности Земли. Растет в атмосфере содержание и других «парниковых» газов, в частности O3, NH3, N2O, SO2, а также CH4, фреонов и других органических веществ.

Также в процессе сжигания топлива атмосфера загрязняется вредными газами и твердыми аэрозольными частицами. При недостатке кислорода продуктами горения являются оксид углерода (СО) или углерод (сажа).

В процессе сжигания топлива при низких температурах и при относительно небольшом количестве кислорода реакции пиролиза приводят к образованию полициклических ароматических углеводородов, наиболее распространенным представителем которых в атмосфере является бенз(а)пирен, обладающий канцерогенными свойствами.

Загрязнение воздуха вызывают вещества, входящие в состав природного топлива. Наиболее распространенной примесью является сера, частично представленная пиритом (FeS2). При сжигании ископаемого топлива образуется оксид серы (IV) – SO2:

4FeS2(тв) + 11O2(г) = 8SO2(г) + 2Fe2O3(тв)                             (3.2)

Основными источниками образования SO2 наряду со сжиганием топлива являются предприятия металлургической промышленности, по производству серной кислоты и переработки нефти.

Оксид серы (IV) является наиболее вредным газом из числа распространенных загрязнителей атмосферы. Основной вред окружающей среде наносит не столько SO2, сколько продукт его окисления – SO3. Газообразный SO3 растворяется в капельках атмосферной влаги с образованием серной кислоты:

SO3(г) + Н2О(ж) = H2SO4(водн)                                          (3.3)

Образование в атмосферной влаге серной кислоты приводит к выпадению кислотных дождей.

Антропогенная эмиссия в атмосферу соединений азота осуществляется стационарными источниками сжигания топлива, транспортом и промышленностью. Оксиды азота, главным образом NO и NO2, служат предшественниками атмосферной азотной кислоты. Азотная кислота может долгое время оставаться в атмосфере в газообразном состоянии, так как плохо конденсируется. Пары азотной кислоты поглощаются в атмосфере каплями облаков или частицами аэрозоля.

Существенными источниками поступления органических веществ в атмосферу являются автомобильный транспорт, промышленные предприятия, ТЭЦ, коммунальное и сельское хозяйство.

Автомобильный транспорт выбрасывает в атмосферу около 50% углеводородов. Количество органических соединений, выделяющихся с выхлопными газами, зависит от типа двигателя, состава топлива. Отработавшие газы – это многокомпонентная смесь исходных углеводородов и продуктов их термической деструкции. В наибольших количествах выделяются простейшие углеводороды, содержащие в молекулах не более двух атомов углерода. К ним относятся метан, этилен, ацетилен. В результате частичного окисления углеводородов при работе двигателя в выхлопных газах образуются кислородосодержащие органические вещества, обладающие высокой биологической активностью. В основном это альдегиды, кетоны, спирты, фенолы, нитрометан.

Промышленные предприятия являются мощным антропогенным источником органических веществ в атмосферу. Особенно это характерно для предприятий химической и нефтехимической промышленности.

Коксохимические, нефтехимические и металлургические предприятия служат источником поступления в атмосферу полиароматических углеводородов (ПАУ), обладающих канцерогенными свойствами и относящихся к приоритетным загрязнителям атмосферы.

Источником поступления в атмосферу галогенсодержащих соединений (CH3Cl, CHCl3, CCl4, CH2Cl2, CFCl3, CF2Cl2 и др.) служат промышленные предприятия по их крупнотоннажному производству.

Источником опасных долгоживущих загрязнений атмосферы служат и объекты коммунального хозяйства. Так, вентиляционные выбросы мусоропроводов содержат до 40 токсичных и дурнопахнущих веществ. Сжигание в быту природного газа служит источником образования и поступления в атмосферу формальдегида (CH2O) в количестве до 150 мг на 1м3 газа.

Сооружения по очистке хозяйственно-бытовых сточных вод, мусоросжигательные заводы и свалки твердых отходов также являются источниками поступления в атмосферу высокотоксичных опасных веществ.

При сжигании твердых бытовых отходов образуются такие высокотоксичные вещества, как полихлорированные бифенилы, дибензо-n-диоксины и дибензофураны.

Антропогенное воздействие на атмосферу связано с поступлением в нее не только различных углеводородов, но и металлов, в частности таких токсичных, как свинец (Pb), кадмий (Cd), ртуть (Hg).

При сжигании природного топлива, при производстве сталей и сплавов эти металлы в виде твердых аэрозолей поступают в атмосферу в значительно большем количестве, чем из природных источников.

Антропогенные поступления свинца в атмосферу связаны с выхлпными газами двигателей внутреннего сгорания, работающих на этилированном бензине, в состав которого в качестве антидетонационных присадок добавляется тетраэтилсвинец – Pb(C2H5)4. С выхлопными газами в атмосферу, а затем на поверхность почв выбрасывается более 250 тысяч тонн свинца в год. Другими источниками поступления свинца в атмосферу служат сжигание твердых отходов (до 13%), индустрия (около 11%), сжигание угля и нефти (около 3,8%). Токсическое действия свинца характеризуется его способностью замещать кальций в костях и нервных волокнах.

Кадмий так же, как и свинец, представляет серьезную угрозу для атмосферы. Источниками поступления в атмосферу кадмия являются предприятия черной металлургии, установки для сжигания угля и нефти, травления меди и свинца и др. Антропогенный выброс кадмия в атмосферу (7 тыс. т/год) существенно превышает поступление его из природных источников (850 т/год). Токсическое действие кадмия проявляется в заболевании нервной системы и костных тканей, в нарушении ферментного обмена и дезорганизации работы почек.

Антропогенный вклад ртути составляет примерно 30% всех поступлений этого металла в атмосферу. Токсическое действие ртути характеризуется ее способностью взаимодействовать с тионовыми группами (–SH).

Стационарные и передвижные источники антропогенного характера являются основными поставщиками в атмосферу микрокомпонентов газов, твердых аэрозолей как минерального, так и органического происхождения. Традиционно в результате индустриальной и хозяйственной деятельности атмосфера в районе мегаполисов подвержена наиболее интенсивному техногенному воздействию. Наряду с первичными загрязнителями атмосферы, которые образуются прямым путем из известного загрязняющего вещества, в атмосфере происходят реакции под действием солнечной энергии между микрокомпонентами газов, приводящие к образованию вторичных загрязнителей.

 

  

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Таким образом атмосфера Земли состоит из механической смеси газов. Если удалить из воздуха влагу и частицы пыли, то сухой воздух вблизи земной поверхности по объему будет содержать 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа. Количество остальных газов: водорода, неона, гелия, криптона, ксенона, радона, закиси азота, озона, метана и других - незначительно.