Материал: Промышленность и окружающая среда.

Таблица 2.17

Время пребывания и концентрация некоторых газов в биосфере

накапливаться в относительно высоких концентрациях по сравнению с те­ ми, время прерывания которых мало. Однако даже если газы с коротким временем пребывания быстро удаляются, их высокая реакционная способ­ ность может привести к накоплению продуктов реакции, которые вызыва­ ют осложнения. Если же у газа большое время пребывания, то у него будет достаточно времени, чтобы далеко распространиться в атмосфере, и таким образом можно ожидать высокое постоянство его концентраций по всему земному шару (табл. 2.17, рис. 2.2).

Время пребывания, дни

Время пребывания, годы

Рис. 2.2. Изменчивость следовых и других соединений в атмосфере как функция времени пребывания (по; Brimblecombe, 1986 г.)

Поскольку в глобальном масштабе атмосферу можно рассматривать как систему, находящуюся в состоянии равновесия, будем использовать мо­ дель, в которой атмосфера представлена как система, имеющая источника­ ми резервуар (саму атмосферу) и стоки, пребывающие в хрупком равнове­ сии. Источники должны быть достаточно стабильными в течение длитель­ ного периода, иначе равновесие будет сдвигаться. Наиболее известный при­ мер такого сдвига - увеличение источника С 02, о чем речь пойдет ниже.

Природных источников микрокомпонентов в атмосфере много, все их можно разделить на геохимические и биологические.

Геохимические источники. Самыми мощными источниками являются переносимые ветром пыль и морские брызги, поставляющие в атмосферу огромные количества твердых веществ. Если пыль достаточно тонка, то она может распространяться на большие площади и играть важную роль в перераспределении материала. Однако часто химическое влияние пыли в атмосфере не столь очевидно из-за слабой химической активности. Перено­ симые ветром морские брызги в виде частиц соли, наоборот, в атмосфере более реакционноспособны; они гигроскопичны, во влажных условиях при­ тягивают воду и образуют концентрированный капельный раствор, или аэрозоль. Этот Процесс принимает участие в образовании облаков. Капли могут также служить местом протекания важных химических реакций в ат­ мосфере. Если в капельках морской воды, состоящей преимущественно из

NaCl, растворяются сильные кислоты, например азотная или серная, то мо­ жет образоваться соляная кислота. Полагают, что этот процесс является важным источником НС1 в атмосфере:

Нг^О^аэрозоль) + NaCl(a3p030Jlb) —» НС1(га3) + NaHS04(a3p030Jlb).

Могут приносить в атмосферу твердые частицы и метеориты. Это срав­ нительно небольшой источник по сравнению с переносимой ветром пылью или лесными пожарами, но метеориты имеют большое значение для верх­ них слоев атмосферы, где плотность газов невысока. Здесь даже небольшой вклад может иметь значение, а металлы, привносимые с метеоритами, мо­ гут вступать в различные химические реакции.

Наземные вулканы представляют, пожалуй, наибольший источник Цыли, которая в результате сильных извержений может выноситься даже в стратосферу. Известно, что вулканические частицы могут влиять на гло­ бальную температуру, задерживая солнечный свет. Они также оказывают влияние на химические процессы на больших высотах. Вулканы служат так­ же мощным источником не только пыли, но и таких газов, как S02, С02, НС1, HF. Эти газы вступают в реакцию в стратосфере, давая начало другим соединениям, из которых важнейшим является H2S04.

Следует иметь в виду, что вулканы - весьма непостоянный источник ча­ стиц как во времени, так и в пространстве. Сильные вулканические извер­ жения случаются нечасто. Кроме крупных извержений, в результате кото­ рых большое количество вещества попадает в верхние слои атмосферы, не­ обходимо учитывать и небольшие выбросы из вулканических трещин и рас­ селин, из которых газы медленно входят в нижние слои атмосферы в тече­ ние длительного времени. Баланс между двумя типами вулканических ис­ точников точно известен, для S02 он близок к 50:50.

Некоторые элементы, встречающиеся в природе, радиоактивны; это оз­ начает, что их ядра нестабильны и спонтанно распадаются с образованием ядер другого элемента.

Распад калия (40К) записывается как: —> 40Аг + у-частица.

В этом преобразовании электрон калия захватывается ядром, протон которого превращается в нейтрон. Избыточная энергия теряется в виде у- частицы, которая, в сущности, является фотоном, несущим большое коли­ чество электромагнитной энергии. Важным для атмосферы является обра­ зование устойчивой формы (изотопа) аргона, который излучается калийсо­ держащими породами и накапливается в атмосфере. Некоторые элементы распадаются с образованием а-частицы, которая является ядром гелия:

238U —> 234Th + а-частица.

В процессе потери энергии а-частица захватывает электроны и стано­ вится в атмосфере 4Не. Другой источник гелия в атмосфере —распад радия:

226Ra -» 222Rh + а-частица,

в результате которого образуется инертный, но радиоактивный газ радон. Итак, радиоактивные элементы пород (в основном калий) и такие тяже­

лые элементы, как радий, уран и торий, могут высвобождать газы. Аргон об­ разуется в результате распада калия, а радон - радия. Уран—ториевые распа-

Источники твердых частиц в атмосфере

ды образуют гелий. Последний не накапливается в атмосфере, поскольку он достаточно легкий газ и уносится в космос. Таким образом, концентрация ге­ лия в состоянии устойчивости определяется балансом между его радиоактив­ ным излучением из земной коры и уносом из верхних слоев атмосферы.

Биологические источники. В отличие от геохимических биологические источники не являются крупным прямым каналом поступления частиц в ат­ мосферу, за исключением лесных пожаров (табл. 2.18). Последние служат значительным источником поступления.

Наряду с этим живой лес играет большую роль в обмене газов с атмо­ сферой: основные газы - кислород и диоксид.углерода - вовлечены в про­ цесс фотосинтеза и дыхания; лесами выделяются огромные количества сле­ довых органических соединений (такие как пинен и лимонен придают лесам своеобразный аромат). Леса также являются источниками органических ки­ слот, альдегидов и др.

Важную роль в генерации атмосферных следовых газов играют микро­ организмы. Так, метан накапливается в процессе жизнедеятельности бакте­ рий в анаэробных системах. Почвы богаты соединениями азота, дающими начало всему спектру химических процессов с участием азота, в результате которых при наличии микроорганизмов накапливаются многие азотсодер­ жащие следовые газы. Так, в результате гидролиза мочевины образуются аммиак и диоксид углерода:

NH2CONH2 + Н20 -> 2NH3 + С02.

Возможна также реакция:

2NH3 + 3,502 -> 2NOz + ЗН20.

Мощным источником следовых газов является деятельность микроорга­ низмов в океанах. Морская вода обогащена растворенными сульфатами и хлоридами и в меньшей степени солями других галогенов - фтора, брома, йода. Морские микроорганизмы используют эти элементы в метаболизме, в результате чего образуются серосодержащие и галогенсодержащие газы. Однако содержание азота в поверхностных морских водах настолько низ­ кое, что в действительности океаны являются азотной “пустыней”. Это под­ тверждает, что морская вода не служит сколько-нибудь значимым источни­ ком азотсодержащих микрокомпонентных газов.

Органические сульфиды, продуцируемые морскими микроорганизмами, вносят особо существенный вклад в накопление серы в атмосфере. Наибо­ лее типичным соединением является диметилсульфид (CH3)2S. Это летучее

соединение образуется морским фитопланктоном в верхних слоях океана. Другим важным соединением серы, выделяемым океаном, является кар-

бонилсульфид COS. Он может образоваться в результате реакции между сульфидом углерода CS2 и водой:

CS2 + Н20 -> COS + H2S.

Несмотря на то, что его поток в атмосферу меньше, чем диметилсульфида, вследствие устойчивости он будет накапливаться в больших концентрациях. Эти серосодержащие газы малорастворимы в воде, что способствует их вы­ ходу из океана в атмосферу.

Хорошо известно существование в атмосфере галогенпроизводных соединений. Несмотря на очевидную зависимость их поступления от на­ личия антропогенного источника (например, жидкости, применяемые для химчистки, в огнетушителях и распыляемых аэрозолях), существует много биологических источников этих соединений. Метилхлорид СН3С1, наиболее распространенный в атмосфере галогенуглеводород, образует­ ся, в первую очередь, из морских источников; некоторый вклад вносят также микробиологические процессы на суше и сгорающая биомасса. Бром- и иодсодержащие органические соединения также выделяются океаном, а морской иод на поверхности суши служит важным источни­ ком удовлетворения потребностей этого необходимого следового эле­ мента для млекопитающих.

Ясно, что газы с коротким временем пребывания в атмосфере могут быть легко удалены из нее в процессе поглощения растениями, твердыми веществами или водой. Однако наиболее существенной причиной коротко­ го времени пребывания газа в атмосфере служит протекание химических реакций.

Большинство микрокомпонентных газов не очень активно вступают в реакции с основными компонентами воздуха. Наиболее реакционноспособ­ ным в атмосфере является фрагмент молекулы воды - радикал гидроксила ОН. Он образуется в результате фотохимически инициируемой последова­ тельности реакций, которая запускается фотоном света hv:

0 3 + Av -» 0 2 + О,

О + Н20 —» 20Н.

Радикал ОН может вступать в реакции со многими соединениями атмо­ сферы, поэтому у него короткое время пребывания; скорости реакций его выше, чем у такого распространенного газа, как 0 2. Реакция между диокси­ дом азота и радикалом ОН приводит к образованию HN03 - важной состав­ ляющей кислотных дождей:

Ш 2 + ОН" -> HN03.

COS, N20 и даже СН4, а также хлорфторуглероды (ХФУ) вступают в ре­ акцию с ОН ограниченно, имеют поэтому большее время пребывания в ат­ мосфере и со временем просачиваются в стратосферу. Однако там имеют место иные химические процессы, в которых преобладает не ОН, а атомар­ ный кислород. Газы, реагирующие с атомарным кислородом, могут препят­ ствовать образованию озона и таким образом “отвечать” за истощение озо­ нового слоя.

2.23.2. ГЛОБАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА

2.2.З.2.1. Парниковый эффект

Деформация окружающей среды чаще и прежде всего обосновывает­ ся увеличением концентраций микрокомпонентов (следовых или малых) газов. Темпы ежегодного прироста малых газов составляют: диоксида уг­ лерода - 0,5%; метана - 0,9; оксидов азота - 0,25; хлор- и хлорфторуглеродов - 4%.

Источники малых газов бывают как природные, так и антропогенные. Источники диоксида углерода - биота и сжигание ископаемого топлива. Выделение метана происходит в результате сельскохозяйственной деятель­ ности (животноводство, выращивание риса), а также при нарушении естест­ венного метанового фильтра (из бактерий). Галогенуглеводороды имеют исключительно антропогенное происхождение.

Разработано большое количество различных сценариев последствий этих явлений. Наибольшее распространение получила концепция глобаль­ ного потепления Земли вследствие так называемого парникового эффекта.

Парниковый эффект - это увеличение количества тепловой энергии Солнца, удерживаемой у земной поверхности. Понятие парникового эффе­ кта сформулировано в 1863 г. Тиндаллом. В 1886 г. Аррениус показал, что углекислый газ (диоксид углерода), составляющий ничтожную часть атмо­ сферы (около 0,03%), повышает температуру у поверхности Земли на 5-6° в сравнении с тем, если бы этот газ отсутствовал. В 1938 г. Каллендер впер­ вые высказал предположение о возможности влияния антропогенных вы­ бросов углекислого газа на климат.

Впоследствии на моделях показали, что при удвоении концентрации ди­ оксида углерода возможно глобальное потепление климата на 2-4°, а в по­ лярной области Северного полушария - на 6-8°. Среднеглобальный тренд потепления в период с 1860 по 1992 г. составил 0,зА),6°. В 70-е годы XX в. было доказано, что некоторые другие газы, содержащиеся в атмосфере в еще меньших количествах, чем диоксид углерода, дают ощутимый парнико­ вый эффект. Поэтому проблема глобального потепления служит в настоя­ щее время предметом обсуждений на специальных научных конференциях и входит в сферу мировой политики.

Диоксид углерода - естественный компонент атмосферы, содержащий­ ся в небольшой концентрации. В пробе обычного воздуха при нормальных условиях присутствует примерно 0,03 масс.% С02. С02 не ядовит и не отно­ сится к токсикантам. Растения используют С02 в процессе фотосинтеза, вы­ деляя кислород. Большинство животных потребляют кислород при дыха­ нии. При дыхании же они выделяют С02 как конечный продукт обмена. С02 не только потребляется при фотосинтезе, но и растворяется в Мировом оке­ ане. Угольная кислота реагирует с соединениями кальция и магния, попада­ ющими в воду вследствие выветривания пород, с образованием карбонатов. Карбонаты, выпадая в осадок, удаляются из воды, что делает возможным дальнейшее растворение С02 в воде. Итак, существуют два механизма для удаления диоксида углерода из атмосферы: 1) поглощение и усвоение зеле­ ными растениями в процессе фотосинтеза, 2) растворение в океане с после­ дующим осаждением из воды.