Установочная лекция для заочников Физико-химические процессы в атмосфере

Установочная лекция для заочников. Физико-химические процессы в атмосфере Темы 1. состав газов, температура, давление 2. вода, фазовые переходы, круговорот 3. солнечная радиация, поглощение , отражение атмосферой, тепловой баланс 4. химические реакции с участием газов атмосферы 5. движение воздуха, климат, погода 6. электрические и оптические явления

Литература 1. Яблоков В. А. Физико-химические процессы в атмосфере. Учебное пособие. -Н. Новгород: Нижегород. гос. архит. - строит. ун-т , 2004. 74 с. ( электронный вариант можно скачать на кафедре химии и в библиотеке ННГАСУ ) 2. Матвеев Л. Т. . Курс общей метеорологии: Физика атмосферы / Л. Т. Матвеев. Л. : 1984. – 272 с. 3. Небель Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир. В 2 -х тт. / Б. Небель. М. : Мир, 1993 4. Зеляев И. А. Презентация данного курса, включая вопросы к зачету и темы рефератов (электронный вариант выдается студентам в виде СД -R )

Вопросы к зачету 1. Напишите химические формулы основных газов в атмосфере и приведите их количественный состав (объемные %). Почему современная атмосфера называется окислительной? Напишите реакцию фотосинтеза (где она происходит? ) и объясните ее роль в изменении состава атмосферы. 2. 2. Изобразите в виде рисунка падение атмосферного давление с высотой. Выведите уравнение барометрического давления. 3. Выведите уравнение работы адиабатического процесса (формула и рисунок). Докажите, используя уравнение работы адиабатического процесса, формирование сухого ветра (фен). 4. Нарисуйте график изменения температуры атмосферного воздуха с ростом высоты над поверхностью планеты и укажите высотное положение тропосферы и других атмосферных областей. Напишите химические реакции образования и распада озона в атмосфере и укажите положение озонового слоя в атмосфере. 5. Нарисуйте схему круговорота С 02 и 02, в природе. Напишите в любом порядке техногенные источники загрязнения атмосферы с указанием формул химических соединений, выбрасываемых каждым из этих источников. 6. Нарисуйте схему круговорота воды на планете. Расположите в таблице объекты на планете в последовательности убывания в них количества воды. Объясните, какую роль играет строение воды (изобразить модели молекулы воды) в проявлении аномальных свойств жидкой и твердой воды для процессов, протекающих в природных системах (в том числе в атмосфере).

7. Нарисуйте глобальную электрическую систему, существующую между поверхностью земной коры и атмосферой. Напишите в любой последовательности источники электризации атмосферы и земной коры. Напишите в любой последовательности типы электрических разрядов в атмосфере и дайте основные характеристики перечисленным типам разрядов. 8. Нарисуйте поток электромагнитного излучения, посылаемого Солнцем, в последовательности убывания энергии излучения. Выделите среди этого потока ту часть излучения, которая достигает поверхности планеты. Нарисуйте модель годового электромагнитного баланса планеты (с указанием доли поглощаемой и испускаемой энергии атмосферой, земной корой и Мировым океаном). Объясните, в чем сущность парникового эффекта. Объясните роль Мирового океана в тепловом балансе планеты. 9. Нарисуйте модель глобального перемещения атмосферного воздуха. Напишите причины, объясняющие характер перемещения воздуха в ячейках циркуляции Хэдли. Напишите причины формирования: а) бризов, б) муссонов, в) пассатов.

10. Напишите «Альбедо - это. . . » . Изобразите в виде рисунка поток электромагнитного излучения Солнца, падающий на планету Земля и докажите, что на полюсах температура поверхности планеты и атмосферного воздуха должна быть ниже, чем на экваторе. 11. Напишите формулы химических соединений, которые в газообразном состоянии поступают в атмосферу в результате дегазации Мирового океана. Напишите формулы химических соединений, которые в газообразном состоянии поступают в атмосферу в результате: а) биохимических процессов; б) тех но генных процессов. 12. Составьте таблицу техногенных источников загрязнения атмосферы оксидами а) серы (формула); б) оксидами азота (формулы). Выделите наиболее опасные техногенные источники, выбрасывающие в атмосферу эти оксиды. 13. Напишите химические реакции, которые происходят в атмосфере и вызывают выпадение кислотных дождей. Напишите химические реакции, которые происходят при сгорании природного газа, каменного угля и мазута. Докажите, что автотранспорт является мощным источником оксидов азота. Напишите химические реакции, вызывающие образования вредных химических соединений в выхлопных газах автомобилей.

Первичная атмосфера Земли (безкислородная, восстановительная)

Состав атмосферы (современный окислительный) Аргон Ar 0, 93% Углекислый Другие газ CO 2 0. 0027% 0, 04% Кислород O 2 20, 95% Азот N 2 78, 08% Средняя молярная масса воздуха с учетом доли основных газов N 2 , O 2 , Ar равна М=28× 0, 78 + 32× 0, 21 + 40× 0, 0093 = 29 г/моль

Химический состав Атмосферы Газ Концентрация, w, % об. Азот N 2 Кислород O 2 Аргон Ar Углекислый газ CO 2 78, 08 20, 95 0, 93 0, 036 Газ Концентрация, w, % об. Неон Ne Гелий He Метан CH 4 Криптон Kr Водород H 2 Озон О 3 Содержание паров воды у полюсов - 0, 2% , на экваторе -2, 6% СУММА = 99, 996 % 1, 8 10 3 5 10 4 ~ 2 10 4 1, 1 10 4 5 10 5 2¸ 7 10 6

Строение атмосферы Земли ºС

Атмосферное давление Р мм. рт. ст h 0. 7 50 2. 3 40 9. 3 30 41 20 210 10 760 км 0 На уровне моря нормальное давление равно 1 атм. = 760 мм. рт. ст. = 1000 мбар =101, 3 КПа = 0, 1 МПа

Барометрическое уравнение для сухого воздуха Давление воздуха с высотой падает по экспоненте P = P 0*e Где : _h H h-высота над уровнем моря H-шкала высот RT H = ----g. M

Изменение температуры и давления по высоте в приземном слое воздуха

Азот и его соединения Грозовой разряд, 1500 2000 °С

Кислород и углекислый газ Дыхание Сжигание жидкого топлива Сжигание твердого топлива Фотосинтез +Q +Q +Q -Q

Озон (образование в природе из кислорода) В атмосфере поглощает ультрафиолетовую радиацию Солнца диапазон длин волн от 0, 4 до 0, 01 мкм УФ-А ( 0, 4– 0, 315 мкм) УФ-В ( 0, 315– 0, 380 мкм) УФ-С ( короче 0, 28 мкм). Разлагается вновь до молекулярного кислорода 2 O 3 = 3 O 2

Кислород и углекислый газ (круговорот в природе) Кислород и углекислый газ в атмосфере Фотосинтез CO 2 Биомасса растений Дыхание

Почти ¾ поверхности Земного шара покрыты водой Образующей океаны, моря, реки, озера

Масса воды в земных сферах Составляющие гидросферы Масса воды, кг (В скобках другие оценки массы воды) Условная толщина слоя* на поверхности Земли, м Доля от суммарной массы, % Мировой океан 13, 7 1020 3000 92, 3 Подземные воды 1 1020 (0. 4 – 2) 1020 200 6, 1 Снежно-ледовые образования 0, 26 1020 (0, 24 – 0, 3) 1020 60 1, 6 Озера 2, 8 1017 (1, 8 – 7, 5) 1017 Почвенная влага 1 1017 (0, 6 – 1, 0) 1017 Болота 1 1017 (0, 1 – 1) 1017 Атмосферная влага 1, 4 1015 Реки 1, 2 1015 (2) 1015 Сумма 14, 964 1020 3260 0, 0001% 1 ррм=1 часть на миллион *) Слой воды, равномерно распределённый по всей поверхности планеты 100

Вода в атмосфере Встречается в нескольких агрегатных состояниях: • Парообразная • Жидкая • Твердая (лед)

Давление водяного пара • Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью или льдом, называют насыщенным. • Пар, находящийся при давлении ниже насыщенного, называют ненасыщенным.

Равновесие твердое тело -- жидкость Н 2 О(т) Н 2 О(ж) Нпл. = 323 к. Дж / кг 6, 01 к. Дж / моль вода лед -Q Q=0 f = K - + 2 = 1 -1+2 = 2 +Q f = K - + 2 = 1 -2+2 = 1 f = K - + 2 = 1 -1+2 = 2 f - число степеней свободы

Равновесие жидкость –пар Н 2 О(ж) Н 2 О(пар) Нисп. =2254 к. Дж/кг 40, 66 к. Дж/моль о o Т С р мм р атм 0 4. 6 0. 006 10 9. 2 0. 012 50 92. 5 0. 120 100 760 1. 00 200 11659 15. 3 300 64433 84. 8 350 124002 163. 0 p V = const p Q f = K - + 2 = 1 -2+2 = 1 Т Одна степень свободы

о ТС Равновесие Твердое тело-пар р мм - 50 0. 03 - 40 0. 097 - 30 29 - 20 0. 78 - 10 1. 95 - 5 3. 0 0 4. 6 Н 2 О(т) Н 2 О(пар) Нсублим. . =2778 к. Дж/кг 50, 01 к. Дж/моль газ пар -Q Q=0 f = K - + 2 = 1 -1+2 = 2 +Q f = K - + 2 = 1 -2+2 = 1 f = K - + 2 = 1 -1+2 = 2 f – число степеней свободы

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ВОДЫ Р атм лед 1 вода 1 1 атм 0. 006 атм пар 3 0 3 вода пар 2 273 пар 2 373 ТК пар вода 0

АЙСБЕРГ

Зависимость плотности воды от температуры

Параметры содержания воды в воздухе Абсолютная влажность, г/м 3 от 0, 1 -1, 0 г/м³ (зимой над материками) до 30 г/м³ и более (в экваториальной зоне); • Относительная влажность, % по отношению к давлению насыщенного пара • Т, ºС 0 15 25 Точка росы, ºС Относительная влажность, % 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -20 -15 -12 -9, 1 -6, 8 -4, 8 -3, 0 -1, 4 0, 0 -7, 7 -2, 4 1, 5 4, 7 7, 3 9, 6 11, 6 13, 4 15, 0 -0, 5 6, 2 10, 5 13, 9 16, 7 19, 1 21, 3 23, 2 25, 0

Гигрометр

Вода и тепловой баланс Вещество Средняя удельная теплоемкость, к. Дж/(кг∙К) Воздух Вода (жидкая) Водяной пар Лед 1, 005 4, 2 1, 8 2, 11 Средняя удельная теплота испарения воды 2400 к. Дж/кг Средняя удельная теплота плавления воды 333 к. Дж/кг.

Мировой океан способен полностью очиститься за 2700 лет

Электромагнитное излучение Длина волны l, нм (1 нм = 10 9 м) Название диапазона излучения Источники 3 1014 30 105 800 400 1 1 10 3 3 10 6 радиоволны инфракрасное излучение видимый свет ультрафиолетовое излучение, мягкий рентген, g-излучение электронные потоки излучение молекул и атомов при соударениях и электрических воздействиях излучение атомов при воздействиях ускоренных электронов атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц ядерные процессы, радиоактивный распад, космические процессы

Альбедо-отражение излучения Суммарное альбедо 31% Луна 6 8% Водные объекты (в зависимости от высоты Солнца) 10 60% Свежий снег 80 99% Лес 10 20% Луг 25 30% Сельхозугодья 10 25% Сухой бетон 17 27% Темная кровля 8 18% Асфальт (черный) 5 10% Светлая кровля 35 50%

Характеристики солнечного ветра Из-за солнечного ветра Солнце теряет ежесекундно около одного миллиона тонн вещества. Солнечный ветер состоит в основном из электронов, протонов и ядер гелия (альфа-частиц) Ядра других элементов и неионизированных частиц (электрически нейтральных) содержатся в очень незначительном количестве.

Феномены, порождаемые солнечным ветром Солнечный ветер образует гелиосферу, благодаря чему препятствует проникновению межзвёздного газа в Солнечную систему. Магнитное поле солнечного ветра значительно ослабляет приходящее извне излучение. Так в 2009 году, в период затянувшегося минимума солнечной активности, интенсивность излучения вблизи Земли выросла на 19 % относительно всех наблюдаемых ранее максимумов. Солнечный ветер порождает на планетах Солнечной системы, обладающих магнитным полем, такие явления, как полярные сияния и радиационные пояса планет. Неоднородность потоков солнечного ветра (вдали от планет) порождает межпланетное магнитное поле.

Химический состав Атмосферы Газ Концентрация, w, % об. Азот N 2 Кислород O 2 Аргон Ar Углекислый газ CO 2 78, 08 20, 95 0, 93 0, 036 Газ Концентрация, w, % об. Неон Ne Гелий He Метан CH 4 Криптон Kr Водород H 2 Озон О 3 Содержание паров воды у полюсов - 0, 2 %, на экваторе -2, 6% СУММА - 99, 996 % 1, 8 10 3 5 10 4 ~ 2 10 4 1, 1 10 4 5 10 5 2¸ 7 10 6

Озон (образование в природе) Поглощает ультрафиолетовую радиацию Солнца (диапазон длин волн от 0, 4 до 0, 01 мкм): • УФ-А (0, 4– 0, 315 мкм) • УФ-В (0, 315– 0, 380 мкм) • УФ-С (короче 0, 28 мкм). 2 O 3 = 3 O 2

Движение Земли и Луны относительно Солнца

Циклон атмосферный вихрь, формирующийся в области пониженного атмосферного давления при образовании атмосферного фронта, приносящий неустойчивую погоду

Бриз местный ветер на побережье морей и крупных озер, дважды, меняющий свое направление на противоположное в течение суток А: морской бриз (возникает в дневное время) и B: континентальный бриз (возникает ночью).

Фен сильный теплый ветер, дующий с гор в долину, который образуется при преодолении воздушной массой горного хребта

Смерч сильный атмосферный вихрь между грозовым облаком и земной поверхностью, вращающийся против часовой стрелки сл скоростью до 100 мс

Муссон устойчивые ветры на восточных побережьях материков, дующие зимой с суши на море, летом с моря на сушу

Пассаты-ветры с востока до широты 30 градусов В- высокое Атмосферное давление Н-низкое Атмосферное давление

Пассат устойчивые северовосточные ветры тропических широт в Северном полушарии и юговосточное – в Южном по обе стороны от экватора.

Ионосфера – часть атмосферы нашей планеты, содержащая в значительном количестве свободные электроны и ионы, появляющиеся под воздействием идущих от солнца ультрафиолетового излучения и рентгеновских лучей. Находится на расстоянии 80 -100 км над Землей.

Взаимодействие магнитосферы с заряженными частицами

Магнитное поле ЗЕМЛИ

ИОНОСФЕРА-защита ЗЕМЛИ от космического излучения

Молнии - многократные электрические разряды. Возникают в мощных кучево –дождевых облаках или между дождевыми облаками и земной поверхностью. Самые распространенные – линейные молнии. Длина их может достигать 20 км. и более. Средняя скорость движения – 150 км/ч. Они бывают трех видов: 1. Нисходящие. Прорастают от грозового облака к земле.

2. Восходящие – Прорастают от земной поверхности к грозовому облаку.

3. Внутриоблачные – Развиваются от одной части облака к другой или от одного облака к другому.

Шаровая молния. Имеет форму шара, светящегося как лампочка на 60 -100 Вт. и диаметром 10 -20 см. Обычно появляется в грозовую и штормовую погоду. Сопровождается звуковыми эффектами – треском, писком, шумами.

Высотные молнии При наблюдении за ночными грозами из космоса были обнаружены световые вспышки , простирающиеся на сотни километров от грозового облака в космическое пространство.

Полярное сияние возникает при взаимодействии верхних слоев атмосферы с солнечным ветром заряженными частицами, которые непрерывно излучает Солнце.