Лекция 11. Вода в атмосфере

Помимо поддержания теплового баланса Земли вода играет исключительную роль в миграции и трансформации различных веществ в атмосфере. Циркуляция воды в природе осуществляется в так называемом глобальном цикле.

Вода испаряется в атмосферу с водных поверхностей, из почвы, путем транспирации. Поднимаясь в воздух, по мере охлаждения она конденсируется с образованием атмосферной влаги, переносится воздушными массами, выпадает в виде дождя или снега на поверхность суши, просачивается внутрь почвы с образованием грунтовых вод или стекает по поверхности, образуя поверхностный (речной) сток. В среднем около 10 % тропосферы Земли постоянно занято облаками. Облачный слой имеет толщину от нескольких сотен до тысяч метров. Эффективный объем облаков увеличивается за счет потока воздуха, проходящего через слой облаков со скоростью от 0,1до10 м/с.

Образование жидкой воды тесно связано с наличием в атмосфере аэрозолей — твердых или жидких частиц, обладающих малыми скоростями осаждения и находящихся во взвешенном состоянии. Жидкая вода присутствует в атмосфере во многих формах, главным образом в виде дымки, тумана, облаков и дождя.

Каждая капелька влаги в атмосфере, возникающая при конденсации водяных паров, — это своего рода микроводоем с определенным химическим составом. На границе раздела воздух — вода этого микроводоема интенсивно протекают процессы газожидкостного обмена с окружающей воздушной средой.

Помимо растворенных атмосферных газов капли воды содержат также растворенные и твердые неорганические и органические загрязнители атмосферы. В результате капля атмосферной влаги представляет собой газожидкостиый микрореактор со сложным и изменчивым химическим составом. В этом реакторе под действием солнечного излучения и электрических зарядов могут происходить всевозможные химические превращения, главным образом окислительного характера с участием кислорода и продуктов его активации.

Время жизни капель невелико — от нескольких минут в случае больших дождевых капель до примерно часа в каплях облаков. Время жизни частиц "смога" размером меньше 1 мкм достигает недели. В табл. 12 приведены характерные размеры капель воды, содержание влаги на единицу объема воздуха, значения рН, ионной силы и содержание оксидов железа и марганца как потенциальных катализаторов окислительно-восстановительных превращений в атмосферной влаге. В частицах дымки вода присутствует в виде тонкой пленки жидкости на твердой поверхности, а в каплях дождя — в виде гомогенной жидкой фазы.

Чтобы конкурировать с газообразными процессами, химические реакции в атмосферных водных частицах должны быть весьма эффективными. Тем не менее многие процессы протекают именно в атмосферной влаге. Связано это с тем, что многие газовые компоненты обладают высокой растворимостью в воде.

Растворимость в воде тесно связана с коэффициентом Генри, устанавливающим пропорциональную связь между молярной долей вещества в жидкой и газовой фазах в условиях термодинамического равновесия.

Многие газы растворяются в воде незначительно. В то же время вещества, участвующие в кислотно-основных или кето-енольных превращениях, могут обладать повышенной растворимостью за счет образования в растворе других химических форм. Так, в случае растворимость будет повышаться вследствие взаимодействия с водой с последующей диссоциацией сернистой кислоты:

Аналогично, повышенная растворимость связана с протеканием следующих реакций:

а повышенная растворимость формальдегида —- с реакцией

В химии облаков и капель дождя играют роль присутствующие в газовой фазе окислители , и образующиеся в результате фотохимических процессов свободные радикалы ОН, , а также их органические аналоги — .

Атмосферная влага содержит значительные концентрации пероксида водорода. Поскольку пероксид водорода является сильным окислителем, в присутствии ионов железа и марганца он может участвовать в жидко-фазном окислении :

Эта реакция служит основной причиной образования "кислых" дождей.

Пероксокислоты и органические пероксиды обладают высокой растворимостью и в водной фазе могут играть роль окислителей типа . Как правило, в зимнее время содержание окислителей в атмосферной влаге гораздо ниже, чем летом. Органические окислители и ответственны за появление в атмосферной влаге и в дождевой воде органических кислот.

В случае радикалов () наблюдается сильная зависимость их содержания в атмосферной влаге от размеров капель: максимальная концентрация наблюдается в каплях размером около 1 мкм. Это свидетельствует о поступлении гидропероксидных радикалов из газовой фазы в жидкую при относительном движении воздуха и капель облаков.

Содержание ОН в каплях зависит от высоты над уровнем моря, что отражает тот факт, что за образование ОН ответственны фотохимические процессы с участием УФ-света.

Одним из источников ОН в каплях облаков служит реакция гидро-пероксидного радикала с растворенным в водной фазе озоном:

Эта реакция приводит к разрушению озона в тропосфере (при наличии облаков). В то же время в отсутствие облаков в сочетании с радикал приводит к образованию озона.

Дата добавления: 2013-12-14