Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московской области «Университет «Дубна»
Факультет естественных и инженерных наук
Кафедра экологии и наук о Земле
Доклад по дисциплине «Химия атмосферы»
На тему: Аэрозоли в атмосфере Земли
Выполнила:
студентка гр. 6021
Забелина А.Д
Преподаватель:
Панина Е.В.
Дубна, 2017
Оглавление
Аэрозоли в атмосфере Земли. 3
Сульфатная аэрозольная компонента. 7
Вывод аэрозольного вещества из атмосферы.. 8
Литература. 10
Аэрозоли в атмосфере Земли
Аэрозольные частицы в атмосфере имеют широкий диапазон размеров, так как к ним относятся как частицы, состоящие из нескольких молекул (кластеры), имеющие диаметр порядка 1 нм, так и крупные пылинки, витающие в воздухе, диаметром в несколько десятков микрон (104 нм) [1].
Точно определить наибольшие размеры аэрозольных частиц сложно, так как в разных условиях частицы одного и того же размера могут выпадать из атмосферы, а могут и довольно длительное время находиться взвешенными в воздухе. По Х.Юнге эта граница равна rmax = 20 мкм. Во время пылевых бурь верхний предел размеров витающих в воздухе частиц может превышать 100 мкм [1].
По размерам различают три класса аэрозольных частиц: мелкодисперсные (r ≤ 0,1 мкм), среднедисперсные (0,1 мкм < r < 1 мкм) и грубодисперсные (r ≥ 1 мкм) [1].
Среднедисперсные аэрозоли называются также большими частицами, а грубодисперсные - гигантскими. Часть мелкодисперсной фракции, которая обладает гигроскопическими свойствами и регистрируется с помощью счетчиков Айткена (представляющих собой модификацию камеры Вильсона), называется ядрами конденсации [1].
По характеру образования и трансформации аэрозольных частиц мелко- и среднедисперсная фракции были названы К.Уитби транзитивной и аккумулятивной. Для частиц меньше 1 мкм в литературе также употребляются термины субмикронная или тонкодисперсная фракция [1].
Основными источниками аэрозолей являются поверхности суши, морей и океанов, метеоритные потоки, лесные пожары, химические и фотохимические реакции в атмосфере и растительном покрове, хозяйственная деятельность человека. Почвы, включая поверхности степей, пустынь, гор, представляют собой наиболее мощный источник аэрозольных частиц. Вдали от моря и промышленных районов они практически полностью обусловливают химический состав аэрозольных частиц в нижних слоях атмосферы. Косвенные оценки позволяют предполагать, что по массе почва дает около 50% всех аэрозольных частиц в атмосфере. Однако их химический состав не идентичен полностью химическому составу почв ввиду того, что не все минералы и другие почвенные продукты одинаково диспергируются. В основном для аэрозолей почвенного происхождения характерно присутствие кварца и других соединений кремния, глиноземов, карбонатов и кальцитов, окислов железа. Доля органических веществ в аэрозолях почвенного происхождения невелика, не более 10%. Значительное количество аэрозолей в атмосфере связано с пыльными бурями, которые заносят пыль далеко в океаны и даже переносят ее, например, из Африки через Атлантический океан в Америку [1].
Пыль очень обогащена окислами железа и марганца по сравнению с грунтом - ее источником. Вероятно, при образовании мелкой пыли процессы физического и химического разделения действуют селективно, но это фракционирование пока не изучено. Примерно одинаковый состав пыли обнаружен над разными местами с открытой земной поверхностью (в горах, пустынях, полупустынях, степях, над пахотой). В относительно больших количествах в аэрозолях могут наблюдаться также соединения магния, натрия и калия [1].
Максимум распределения частиц почвенного происхождения по размерам, как правило, находится в субмикронной области, но весьма вероятны также максимумы в области размеров 1 мкм ≤ r ≤ 5 мкм. Частицы почвенного происхождения с радиусами меньше 0,1 мкм могут образовываться, в частности, при кристаллизации на поверхности почвы солей, растворенных в грунтовых водах. С.Тумей оценил мощность генерации таких частиц, как 104 ÷ 105 частиц/см2 [1].
Особенно интенсивно выделение мелких частиц в атмосферу происходит на солончаковых почвах. По измерениям, проведенным в пустыне Кара-Кумы, вклад солончаков в общее содержание аэрозолей составляет примерно 20 ÷ 30 % [3].
Второй мощный источник аэрозольных частиц - морская поверхность, дающая по массе приблизительно 20 % вещества диспергированной фазы. Химический состав этих частиц примерно соответствует химическому составу сухого остатка морской воды: NaCl - 78%, MgCl2 - 11 %, CaSO4, Na2SO4, K2SO4 - 11 %. Концентрация солевых частиц над океаном может достигать 100 см-3, но в среднем составляет ∼ 1 см-3. Максимум в распределении по размерам приходится на солевые частицы диаметром около 0,3 мкм. Частицы морского происхождения могут проникать далеко в глубь суши. На поверхности океана в тонком слое (порядка одного микрона) концентируются также органические поверхностно-активные вещества и масла. Образование и разрыв мелких пузырьков на морской поверхности приводит к тому, что кроме морских солей в воздух поступают также частицы из органического вещества. Они могу играть важную роль в оптических явлениях в приводном слое атмосферы [1].
Мощными источниками пылевой материи являются вулканы, которые выбрасывают в атмосферу колоссальное количество дыма и вулканического пепла. Эти частицы вместе с газами вулканического происхождения поднимаются в атмосферу на высоту более 20 км, причем самые мелкие частицы могут существовать в стратосфере на протяжении нескольких лет. Несмотря на эпизодичность извержений можно оценить их среднегодовую мощность примерно в 108 т. Кроме того, сернистый газ, выбрасываемый в стратосферу (∼107 т/год), вступает в химические и фотохимические реакции с различными газовыми и аэрозольными компонентами атмосферы, в результате чего образуются новые аэрозольные частицы - сернокислотные и сульфатные [1].
Анализ химического состава дыма и пылевой материи вулканов показывает преимущественное содержание соединений кремния: 60 ÷ 80 %, сульфатов: 10 ÷ 30%, кальцитов: 3÷10%, соединений алюминия: 0 ÷ 20%, железа: 1÷ 10% [1].
Количество пылевой материи внеземного происхождения сравнительно невелико. В атмосферу выпадает 100÷ 200 млн метеоритов или около (1 ÷ 5) ⋅ 106 т космического вещества в год, ряд оценок дает значительно меньшее количество - 104 т в год, без учета мелкодисперсной фракции [1].
Процентное содержание элементов в метеоритах в среднем следующее: O - 33%, Fe -29%, Si - 17%, Mg - 14%, S - 2,1%, Ni - 1,7%, Ca - 1.4%, Al - 1%, Na - 0,7%. Кроме этих элементов присутствуют в довольно заметных количествах Cr, Mn, K, P, Ti, Co. Доля пылевой материи внеземного происхождения составляет приблизительно 10 % от общего содержания аэрозольных частиц в нижней стратосфере, с высотой увеличиваясь до 80 ÷ 100%[1].Растительность - тоже весьма эффективный источник мелкодисперсных фракций органических аэрозолей. По оценке Ф.Вента биосфера ежегодно выделяет в атмосферу 108 т терпеноподобных и слабо окисленных углеводородов, что дает естественный фон примерно в 3÷ 6 мкг/м3. В аэрозольное состояние переходит лишь часть углеводородов и других органических соединений, главным образом в результате фотохимических реакций [2]. Фотохимические и химические реакции в атмосфере ответственны за появление мелкодисперсной фракции аэрозолей, так называемых вторичных аэрозолей. Они образуются не только из продуктов органических соединений, но также сернистого газа, сероводорода, аммиака, окислов азота и некоторых других газов с окислителями типа озона, а также с водяным паром и аэрозольными частицами, играющими в основном роль катализаторов [1].Источниками сернистого газа кроме вулканов являются и промышленные предприятия: 108 т/год, а также анаэробные бактерии, источником сероводорода - в основном растительность и продукты разложения организмов в почве и воде. Оценки величины выделяемого в атмосферу сероводорода затруднена, но можно предполагать, что она порядка 108 т/год. В пересчете на все источники это составляет для (SO4)-2 приблизительно 4⋅ 108 т/год [1].Оценки мощности источников окислов азота и аммиака дают величину порядка 4 ⋅ 107 т/год. Кроме того, следует помнить, что лишь часть всех этих газов (∼10 ÷ 25%) образует аэрозольные частицы[1].За последние годы в связи с переходом на сжигание газов вместо угля промышленное производство сернистого газа и окислов азота заметно увеличилось. Причем большое количество этих газов окисляется до ангидридов кислот и растворяется в облачных каплях. Предложено три основных механизма образования аэрозольных частиц из этих газов в атмосфере [1]. 1. Фотохимическое окисление, гетерогенные газовые реакции. Процесс происходит в засушливых районах и в высоких слоях тропосферы. Скорость конверсии составляет 0,03% SO2, окисляемого за 1 ч в чистом воздухе фотохимическим путем [1].Образование аэрозольных частиц при коротковолновом облучении происходит в присутствии NO2 [1]. 2. Каталитическое окисление в присутствии тяжелых металлов. Скорость реакции в большой степени зависит от присутствия подходящих катализаторов (ионов тяжелых металлов) и может быть достаточно большой в сильно загрязненном воздухе. При определенных значениях рН этот процесс прекращяется. Реакция проходит как в сухом воздухе, так и в облачных каплях [1]. 3. Реакция аммония с двуокисью серы в присутствии жидкой воды (реакция облачных капель). Скорость образования сульфатных частиц в реакции {SO2 - NH3} зависит от поступления NH3. Если значение рН поддерживается достаточно высоким, например, вследствие поступления NH3, то реакция может продолжаться. Механизм образования сульфата аммония эффективен только в присутствии жидкой воды, т.е. в районах, где существуют облака и туманы. Расчеты по моделям показывают, что скорость окисления в облачных каплях равна 12% в 1 ч. Измерения с самолетов частиц {(NH4)2SO4} показывают, что максимальная концентрация сульфатных частиц часто наблюдается под нижней границей облака. Частицы сульфата аммония могут оставаться взвешенными в воздухе после испарения капель облаков и туманов. Начальные ядра сульфата аммония имеют радиусы порядка 3 ⋅ 10-9 см и переходят в капли размером 10-6 см [1].Кроме серной и азотной кислот и их солей в атмосфере может образовываться также соляная кислота и ее соли. Их образование происходит в результате освобождения хлора с поверхности моря в газообразной фазе [1].Весьма существенным источником аэрозолей являются продукты лесных пожаров, главным образом сажа и пепел, которые могут поглощать заметную долю падающей на Землю солнечной радиации. Общее количество аэрозольного вещества, выделяющегося в земную атмосферу, составляет 109÷1010 т/год. Однако соотношение между аэрозольными веществами различного происхождения сильно изменяется в пространстве зависит не только от распределения и мощности источников аэрозолей, но и от времени существования аэрозольных частиц разного происхождения. Если в стратосфере время жизни наиболее мелких частиц составляет около трех лет, то в тропосфере оно гораздо меньше - от нескольких месяцев до дней, в зависимости от дисперсности частиц и их физико-химических свойств. Так, время жизни аэрозольных частиц, образующихся из продуктов реакций сернистого газа с другими веществами, примерно пять дней, других гигроскопических аэрозольных частиц - несколько больше, но примерно того же порядка. Время жизни аэрозолей промышленного происхождения также близко к этой величине и приблизительно равно 30 дням, а малогигроскопичных и нерастворимых частиц (при r≤ 5 мкм) ∼ 2 ÷ 4 месяца. Наиболее крупные аэрозольные частицы с r>10 мкм существуют меньше суток [1].Общее содержание аэрозолей разного происхождения Ni (см-3) определяется как функция интенсивности образования этих частиц (мощность источника) - Φi (т/год), и (времени их жизни) – τi (или скорости стока) - Ri). Для установившегося режима загрязненности атмосферы Φi = Ri. Время пребывания аэрозоля в атмосфере τi = Ni/Ri и, следовательно, Ni = Φi τi в предположении, что τi не зависит от Ni [1].