Особенности химических превращений в верхних слоях атмосферы

Состав атмосферы, содержание микро и макро примесей.

Атмосфера земли состоит преимущественно из азота и кислорода (99%) с небольшой примесью благородных газов, главным образом аргона (0,93%), и СО2 (0,03%). Содержание остальных газов (неон, гелий, метан, криптон) исчисляется тысячными и десятитысячными долями объемных процентов.

В целом область ниже 90 км характеризуется интенсивным перемешиванием и имеет довольно постоянный газовый состав. На этих высотах средняя молекулярная масса атмосферы, как и на уровне моря, составляет 28,96 а.е.м., а на высотах более 90 км она резко уменьшается. Так, важнейшим компонентом атмосферы иа высотах 500—1000 км становится гелий, относительное содержанке которого в атмосфере на, уровне моря чрезвычайно мало.

Одной из наиболее важных, переменных по концентрации составляющих атмосферы является водяной нар. Содержание паров воды быстро уменьшается с высотой вплоть до тропопаузы. В стратосфере паров воды мало (около 2·10-6%). Значителен широтный градиент концентрации водяного пара у поверхности Земли: в тропических районах содержание паров воды достигает 3%, тогда как в арктических уменьшается до 2-10-5%.

Парциальное давление паров воды значительно изменяется в разных местах и в разное время, но в целом оно достигает максимального значения вблизи земной поверхности и резко убывает по высоте. Вследствие того что пары воды сильно поглощают инфракрасное излучение, они играют важную роль в поддержании температуры атмосферы в ночное время, когда земная поверхность излучает энергию в космическое пространство и не получает солнечной энергии, например в пустынях, где концентрация паров воды чрезвычайно мала, днем жарко, а ночью холодно.

Уменьшение концентрации водяного пара, поглощающего тепловое излучение земной поверхности, с изменением высоты является одной из основных причин снижения температуры в тропосфере.

Решающее влияние на тепловой режим стратосферы оказывает содержание в ней озона. Нагревание воздуха стратосферы происходит вследствие поглощения озоном ультрафиолетовой радиации Солнца.

В мезосфере концентрации озона и паров воды ничтожны, поэтому температура в ней ниже, чем в тропосфере в стратосфере. Рост температуры в термосфере связан с поглощением жесткого УФ-излучения Солнца молекулами и атомами кислорода и азота.

Уф-излучевие, поглощаемое озоном в стратосфере, хотя и играет важное значение для поддержания жизни на земле, не вносит большого вклада в полную энергию, получаемую извне. Основная часть энергии проходят через верхние слои и частично поглощается в тропосфере парами воды, углекислым газом и другими так называемыми парниковыми газами, а также аэрозолями и частицами пыли.

Радиация, поглощенная поверхностью земли, возвращается в атмосферу в виде длинноволнового инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 16,7—7,6 мк с широким максимумом в области 12 мкм, а также расходуется на испарение воды и создание конвективных турбулентных потоков воздуха. Конденсация паров воды сопровождается выделением теплоты, идущей на разогрев тропосферы.

Лишь небольшая часть тепловой энергии, излучаемой, земной поверхностью, проходит через атмосферу и рассеивается в космосе. Основное количество ее поглощается молекулами воды и углекислого газа, что приводит к дополнительному нагреву воздуха.

Количество солнечное энергии, поступающей в атмосферу, зависит от угла падения солнечных лучей на земную поверхность, в результате чего атмосфера в различных районах Земного шара нагревается неравномерно. Особенно большие различия температуры у поверхности наблюдаются между полярными и экваториальными областями. Эта неравномерность служит главной причиной общей циркуляции атмосферы, представляющей собой сложную крупномасштабную систему воздушных течений над Земным шаром. Вследствие такой циркуляции сглаживается градиент температуры атмосферного воздуха в различных районах.

Кроме крупномасштабных воздушных течений в низших слоях атмосферы возникают многочисленные местные циркуляции, связанные с особенностями нагревания атмосферы в отдельных районах. Вследствие образования различных воздушных течений в атмосфере происходит перемешивание больших масс воздуха и перемещение на значительные расстояния различных химических соединений, выделяемых различными источниками на поверхности земли.

На распространение воздушных масс и содержащихся в них примесей большое влияние может оказывать развитие температурных инверсий, препятствующих вертикальному движению воздуха. Такие инверсии периодически возникают у земной поверхности по разным причинам. Часто инверсия возникает в результате натекания теплого воздуха на нижерасположенные холодные слои. Приземные инверсии с толщиной до нескольких сотен метров обычно наблюдаются в безветренные ночи при сильном охлаждении поверхности Земли и прилегающего слоя воздуха.

Верхние слои атмосферы играют роль защитного барьера на пути излучений и частиц высокой энергии. Химические процессы в атмосфере начинаются с высоты 250 км, когда концентрация газов (N₂ и О) достигает 10⁹ см³ и становится заметным поглощение жесткой УФ-составляющей солнечной радиации.

В верхних слоях атмосферы, протекает диссоциация кислорода (0₂) с образованием атомарного кислорода:

0₂ + hv → О + О

В силу этой реакции начиная с высоты порядка 100 км кислород в атмосфере находится как в молекулярной, так и в атомарной формах. На высоте 130 км содержание молекулярного и атомарного кислорода (0₂ и О) примерно одинаково.

На высоте 90 км и выше N₂, 0₂ и О поглощают наиболее коротковолновую радиацию с последующей ионизацией:

Как видно из значений длин волн, при которых протекают эти реакции, молекулярный азот имеет наиболее высокую энергию ионизации, тогда как N0 — наиболее низкую.

Образующиеся ионы участвуют затем в диссоциативной рекомбинации:

в реакциях переноса заряда:

в реакциях переноса заряда с разрывом связи {обмен атомом):

Все эти разнохарактерные реакции экзотермичны и протекают с участием газовых катионов. Большинство реакций такого рода происходят безактивационно.

Ион N0⁺ исчезает лишь в результате диссоциативной рекомбинации. В реакциях другого типа в силу низкого потенциала этот ион не участвует. Реакции N0⁺ с нейтральными частицами эндотермичны, т.е. требуют энергии активации. "Тупиковый" характер N0⁺ определяет то, что эта частица является основной катионной составляющей ионосферы (верхняя часть термосферы).

В целом термосфера характеризуется как зона протекания безакти-вационных бимолекулярных реакций. В силу низких концентраций газов в этой зоне практически не реализуются тримолекулярные экзотермические реакции:

Итак, на высоте порядка 90 км большая часть коротковолнового солнечного излучения поглощается, однако излучение, способное вызывать диссоциацию 0₂, еще достаточно интенсивно.

Дата добавления: 2013-12-14