Реферат: Атмосферные аэрозоли, источники их образования. Процессы, протекающие с участием атмосферного аэрозоля

Атмосферные аэрозоли, источники их образования. Процессы, протекающие с участием атмосферного аэрозоля

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Семестровая работа по химии ноосферы

Атмосферные аэрозоли, источники их образования. Процессы, протекающие с участием атмосферного аэрозоля

Содержание

Введение

1.      Понятие атмосферного аэрозоля

.        Источники атмосферных аэрозолей

.        Образование аэрозолей

.        Процессы, протекающие с участием атмосферных аэрозолей

Заключение

Список литературы

Введение

Всю историю человечества можно назвать непрекращающейся войной человека и окружающего мира. В стремлении выжить и повысить качество жизни, человек в буквальном смысле отнимает ресурсы у остальных видов живых организмов и изменяет среду обитания, причём изменения эти едва ли можно назвать положительными.

По мере развития промышленного потенциала человечества, экологические проблемы становятся всё более острыми. К числу наиболее важных относятся негативное антропогенное воздействие на природу, экологический кризис, глобальное потепление и парниковый эффект, кислотные дожди, истощение биологических ресурсов, разрушение озонового слоя, демографические проблемы, опустынивание. Но помимо глобальных экологических проблем, существует огромное число их частных разновидностей. К ним относится и аэрозольное загрязнение атмосферы.

Из-за малого размера частиц, они могут долгое время находиться во взвешенном состоянии в атмосфере, а так как суммарная поверхность частиц чрезвычайно велика, как и свободная энергия, то на границе раздела фаз протекают различные процессы, негативно влияющие на окружающую среду и организм человека.

Аэрозольные загрязнения атмосферы приводят к заболеваниям дыхательных путей и токсичным отравлениям, а также могут стать причиной аллергических заболеваний.

Аэрозольные загрязнения антропогенного характера разрушают экосистему и мешают протеканию естественных природных процессов, к примеру, процесса фотосинтеза.

Поэтому очень важно, предотвращать или сокращать выбросы загрязняющих веществ в атмосферу и искать новые способы её очистки.

. Понятие атмосферного аэрозоля

Атмосфера, по сути, представляет собой коллоидную систему типа "аэрозоль", то есть, дисперсную систему, в которой воздух является дисперсионной средой, а мельчайшие капельки или твёрдые частицы - дисперсной фазой. Как и любые дисперсные системы, аэрозоли обладают большой, развитой поверхностью и характеризуются избытком энергии, необходимой для протекания различных процессов.

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).

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 . Во время пылевых бурь верхний предел размеров витающих в воздухе частиц может превышать 100 мкм. По размерам различают три класса аэрозольных частиц:

. мелкодисперсные (r ≤ 0,1 мкм),

. среднедисперсные (0,1 мкм < r < 1 мкм)

. грубодисперсные ( r ≥ 1 мкм).

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.

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.

Крупная пыль (частицы радиусом более 5 мкм) составляет лишь небольшую часть дисперсной фазы, т.к. благодаря размеру, относительно быстро осаждается. Около 95% частиц имеет меньший радиус, доходящий до сотых и тысячных долей микрона. Из атмосферы такие маленькие частички удаляются в основном благодаря осадкам, таким как дождь или снег.

Количество аэрозоля в атмосфере напрямую зависит от высоты, на которой проводятся измерения: чем выше, тем чище воздух.

Неотъемлемой частью воздуха являются витающие в нем твердые и жидкие аэрозольные частицы. Даже в центральных районах Антарктиды, наиболее удаленных от цивилизованного мира, в одном кубическом сантиметре воздуха содержится не менее 100 аэрозольных частиц.

Химическая природа, физические характеристики и концентрация в воздухе этих частиц в значительной степени определяют основные физико-химические свойства всей воздушной среды.

По форме частиц твёрдые аэрозоли можно разделить на три класса:

. Частицы, размеры которых во всех трех измерениях примерно равны, то есть имеют шарообразную или кубическую форму.

. Частицы, размер которых в одном измерении много меньше, чем в двух других. Это пластинки, чешуйки, листочки и т.д.

. Частицы, размер которых в одном измерении много больше, чем в двух других. Это призмы, иглы, ворсинки, волокна и т.п.

Одной из важнейших характеристик аэрозольных частиц является их дисперсность - величина, показывающая, сколько таких частиц можно "уместить" в одном кубическом метре. Чем больше дисперсность, тем меньше частицы.

Высокодисперсные частицы, размером от тысячных до десятых долей микрона, определяют качество воздуха в атмосфере и таким образом формируют среду обитания.

Аэрозольные частицы могут быть образованы двумя первичными способами: дезинтеграцией (разрушением более крупных частиц) или конденсацией (соединением более мелких). Дисперсная фаза. Полученная первым способом, как правило, крупнее полученной вторым способом.

Считается, что аэрозоли конденсации имеют размеры от 0,001 мкм до 10 мкм, аэрозоли дезинтеграции - от 0,1 мкм до 100 мкм. Нижней границей размеров аэрозолей можно считать размер частицы, содержащей порядка 10 молекул и не отражающейся от твердой поверхности при ударе об нее.

Верхней границей размеров аэрозоля следует считать размер частицы, способной еще двигаться преимущественно вместе с газовой средой. Такая способность зависит не только от размера частицы, но и от ее формы, а главное от интенсивности турбулентности. В обычных условиях приземного слоя атмосферы для капелек воды верхней границей будет размер в 40-60 мкм.

Процесс образования пыли может быть виден невооружённым взглядом, как это происходит, к примеру, при трении камней друг о друга, или же не виден, как процесс расщепления волокон целлюлозы.

Мы не можем увидеть процесс первичного образования домашней пыли, зато легко можем наблюдать его результат, а также процесс попадания частиц в воздух.

При разбрызгивании (диспергировании) жидких веществ образуется мельчайший аэрозоль из капелек жидкости - спрей.

Процессы образования аэрозоля путём конденсации чаще всего недоступны глазу человека (и оптическим средствам его усиления). Однако высокое содержание в воздухе аэрозоля конденсации с относительно крупными частицами мы ощущаем либо как запах, либо видим как дым (твердые частицы) или туман (жидкие частицы).

Размер аэрозольных частиц определяет как характер их поведения в воздушной среде, так и возможности их наблюдения. Аэрозоли с размерами меньше 0,15-0,30 мкм можно обнаружить только с помощью сложного комплекса оборудования, включающего электронные микроскопы. Аэрозоли с размерами больше 0,15-0,3 мкм уже можно наблюдать с помощью оптических приборов.

Для получения полной и точной картины аэрозольной обстановки нужно знать, сколько частиц и каких размеров содержится в воздухе, для чего исследователи строят спектры распределения аэрозольных частиц по размерам.

Установлено, что содержание аэрозольных частиц в чистом воздухе быстро уменьшается с увеличением размера частиц: от 1000 частиц размером 0,3 мкм до 1 частицы размером 2 мкм (в 1 кубическом сантиметре объема). Это обуславливается неустойчивостью аэрозолей с крупными (более 20 мкм) частицами.

Помимо неорганических и органических веществ, в воздухе могут содержаться и живые организмы, такие, как бактерии или вирусы. Вирусы имеют размеры менее 0,1 мкм, бактерии - от 1 мкм до 15 мкм, споры - от 3 мкм до 20 мкм, пыльца растений - от 10 мкм до 60 мкм.

Любое вещество в форме аэрозоля обладает высокой химической активностью, что обусловлено структурой возникающей дисперсной системы, обеспечивающей тесное соприкосновение двух различных фаз на поверхности и избытком энергии.

Аэрозольные частицы все время участвуют в различных атмосферных процессах, а потому представляют собой динамическую систему. Основными процессами являются осаждение (по самым разным причинам) и укрупнение частиц - коагуляция.

Поскольку все эти процессы разворачиваются во времени, то можно считать, что аэрозоль стареет со временем (крупнеет и исчезает). Процесс генерации новых аэрозолей и разрушения старых протекают одновременно.

Фоновым аэрозолем называют аэрозоль, отделённый от источников образования аэрозоля, то есть, находящийся от них на некотором расстоянии. Выделяют несколько основных составляющих фонового аэрозоля.

. Континентальный аэрозоль, имеющий размеры от нескольких мкм до нескольких десятков мкм, содержащий кремний и алюминий и представляющий различные осколки горных пород.

. Морской аэрозоль, имеющий размеры от самых малых до 10 мкм, содержащий натрий, калий, магний, кальций, хлор и представляющий унесенные ветром с поверхности морей и океанов и высохшие капельки морской воды.

. Природный фотохимический смог, имеющий размер до 0,1 мкм, содержащий различные органические химические соединения и представляющий собой продукт конденсации выделяемых растениями летучих соединений (эфирных масел).

. Старый витающий аэрозоль, родившийся при пожарах (в значительной мере - сажа) или при извержении вулканов (в том числе частицы сульфата аммония и серной кислоты, составляющие основу стратосферного аэрозоля).

Содержащиеся в воздухе высокодисперсные аэрозольные частицы определяют функционирование теплового режима атмосферы, преобразуя и отражая в космос энергию солнечного излучения, являются основными носителями атмосферного электричества и радиоактивности, служат ядрами конденсации воды в облаках, определяя динамику влаги в атмосфере.

2. Источники атмосферных аэрозолей

Аэрозоли можно разделить на две большие группы: естественные и искусственные.

Естественные аэрозоли образуются без участия человека, в естественных природных процессах, таких как извержения вулканов, смерчи, бури или пожары. Источником естественных аэрозолей также являются океаны, космос и живые организмы.

В результате ветровой эрозии в воздухе появляются частицы почвы, горных пород, споры, частицы дыма от лесных и торфяных пожаров, пыльца растений, бактерии и.т.д.

Атмосферные аэрозоли над океаном образуются в результате разбрызгивания капель морской воды и их последующего испарения. Капли образуются при сдувании ветром брызг с гребней волн, при выпадении на водную поверхность осадков, в прибойной зоне побережий.

Взвешенные в воздухе солевые частицы наносят значительный ущерб сельскохозяйственным культурам и вызывают коррозию материалов. Основным компонентом морских аэрозолей является хлорид натрия, однако в них присутствуют карбонаты, сульфаты, калий, магний и кальций, ряд органических соединений.

Одним из важнейших источников аэрозолей также являются вулканы, но так как они действуют редко и апериодично, сложно назвать некое среднее количество выброшенных частиц. Оно напрямую зависит от мощности извержения. Всего одно мощное извержение способно в несколько раз превысичь выброс частиц, происходящий в "спокойный" период. Вулканический аэрозоль - это мелкодисперсная лава или капли смеси серной кислоты, галогенидов, сульфатов и соединений никеля и хрома, частицы почвы и горных пород. Вулканические аэрозоли способны оказывать огромное влияние на деятельность людей. К примеру, извержение вулкана Эйяфьядлайёкюдль в 2010 году на несколько месяцев сделало невозможными авиаперелёты над Скандинавией.

Источниками атмосферных аэрозолей также могут быть различные пожары. Выбрасываемая во время пожара зола содержит как неорганические вещества и минералы, содержавшиеся в растении, но и не полностью сгоревшие смолистые вещества, частицы углерода.

Искусственные аэрозоли образуются в результате деятельности человека. Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы - искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250-300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс. куб. м условного оксида углерода и более 150 т пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств - измельчение и химическая обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу. К атмосферным загрязнителям относятся углеводороды - насыщенные и ненасыщенные, включающие от 1 до 13 атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. В результате этих реакций образуются перекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приземном слое воздуха.

Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха непосредственно над источниками газопылевой эмиссии существует инверсия - расположение слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует воздушным массам и задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования ранее неизвестного в природе фотохимического тумана (смога).