Воздействие солнечной радиации на атмосферу. Понятие о фотохимических реакциях. Ионы и радикалы в атмосфере

Солнечная радиация — это совокупность солнечной материи и энергии, поступающей на Землю.

Поступающая на поверхность Земли солнечная радиация является основной энергетической базой формирования климата. Она определяет основной приток тепла к земной поверхности. Атмосфера нагревается, поглощая как солнечную радиацию, так и собственное излучение земной поверхности. Нагретая атмосфера излучает сама. Так же как и земная поверхность, она излучает инфракрасную радиацию в диапазоне невидимых глазу длинных волн.

Фотохимические реакции — химические реакции, которые инициируются воздействием электромагнитных волн, в частности — светом.

Гидроксильный радикал ОН – наиболее распространенная частица в атмосфере, вызывающая множество разнообразных реакций.

Ионы в атмосфере, электрически заряженные частицы, находящиеся в атмосфере. И. в а. возникают в верхних слоях атмосферы под действием главным образом ультрафиолетового и корпускулярного излучений Солнца, а в нижних слоях атмосферы (тропосфере и стратосфере) в основном благодаря радиоактивному излучению, космическим лучам и др., вызывающим ионизацию нейтральных молекул или атомов.

Нарушение нулевого цикла озона. Причина возникновения озоновых дыр над полюсами.

Реакции образования и разложения озона называют нулевым циклом озона.

Значительный вклад в процесс разрушения озона вносят цепные процессы, протекающие с участием гидроксильных радикалов (водородный цикл), оксидов азота (азотный цикл), соединений хлора и брома (хлорный и бромный циклы).

Озо́новая дыра́ — это локальное падение концентрации озона в озоновом слое Земли.

Поскольку на полюсах наблюдаются долгие полярные ночи, в этих местах происходит резкое снижение температуры и образуются стратосферные облака, содержащие ледяные кристаллики. Как следствие, в воздухе накапливается молекулярный хлор, внутренние связи которого разрываются с наступлением весны и появлением солнечного излучения.

Цепочка химических процессов, возникающих при устремлении в атмосферу атомов хлора, приводит к разрушению озона и образованию озоновых дыр. Когда Солнце начинает светить в полную силу, к полюсам направляются воздушные массы с новой порцией озона, благодаря чему дыра затягивается.

ГИДРОСФЕРА

(16) 1. Гидросфера. Состав. Функции. Особенности физико-химических свойств воды.

Гидросфера — это водная часть биосферы, представленная совокупностью рек, озер, морей и океанов, вод континентов, ледниковых покровов.

Функции:

а) является важнейшим минеральным сырьем, главным природным ресурсом потребления;

б) с участием воды происходят многочисленные процессы в экосистемах (обмен веществ, тепла, рост биомассы);

в) является главным агентом-переносчиком глобальных биоэнергетических экологических циклов;

г) является основной составной частью всех живых организмов.

Особенности физико-химических свойств воды.

1. Удельная Теплоемкость воды выше, чем у всех жидких и твердых веществ (исключение Н2, аммиак)

2. Максимальная плотность воды при 4 градусах. Благодаря тому, что лед легче воды он остается на поверхности.

3. Удельная энтропия воды самая высокая из всех жидких и твердых веществ. Благодаря этому сглаживаются сезонные перепады.

4. При конденсации паров воды в атмосфере происходит выделение получаемой энергии, которая может переходить в кинетическую.

5. Поверхностное натяжение аналогично высокое, значит приводит к появлению ряби и волн на воде, уже при слабом ветре в результате резкого возрастания площади водной поверхности.

(17)2. Понятие редокс-потенциала природных вод. Редокс-буферность.

Окислительная способность природных вод, характеризующая их активность ОВР, называется редокс-реакцией. Большинство наиболее важныхредокс-реакций катализируется микроорганизмами. Инициирование процессов окисления, протекающих в природных водах, в большинстве случаев, связано с присутствием в природных водах таких окислителей, как свободные радикалы, пероксид водорода, озон, и некоторых других сильных окислителей.

Окисленные формы + nē ↔ восстановленные формы

Под активностью электронов понимается способность системы поставлять электроны для окислительно-восстановительного процесса. Направление окислительно-восстановительных реакций в природных водах зависит от рН.Активность воды представляется через редокс-потенциал. Он аналогичен значению pH, но характеризует не кол-во ионов водорода, а потенциальную возможность природной воды к участию в ОВР.

pe=-lg( )

Энергия Гиббса в ходе ОВР принимает =0. Потенциал, измеряемый по отношению к стандартному водородному электроду, называется стандартным электродным потенциалом Eh. И от того, какое значение (+ или -) имеет данная величина, будет зависеть ОВ активность в растворе.

Величина ОВ потенциала, протекающая с участием ионов водорода, зависит от pH раствора.

Н2О= О2 + + ē

Н2О + ē=

Природная вода обычно находится в контакте с О2, в котор. парциал. давлен.молекул кислорода и водорода меньше 1 атмосферы. Поэтому их ОВ потенциалы будут определяться значениями:

pē = 20,78 – pH

pe=-pH.

Под редокс-буферностью понимают способность системы сохранять постоянное значение редокс-уровня за счет присутствия соединений, способных окисляться или восстанавливаться при поступлении в систему небольших количеств окислителей или восстановителей

Восстановление кислорода происходит в две стадии:

 О2 + 2Н+ + 2ē = Н2О2

Н2 О2+ē = +H2O

Если на окисл.проц. израсходован весь кислород, а в систему продолжают поступать орган.в-ва, то ОВР будет идти за счет других соединений.

Денитрификация. Роль реакции состоит в превращении нитрата (важного компонента питания) в биологически инертный молеку­лярный азот. При этом бактерии используют для окисления орга­нического вещества до СО2 кислород нитратных ионов:

 

2,5Cоpr + 2 + 2H+ = N2 + 2,5CO2 + Н2О (94)

 

В процессе денитрификации помимо азота могут образоваться гемиоксид, оксид и диоксид азота, которые играют важную роль в процессах, протекающих в тропосфере (оксид и диоксид азота) и стратосфере (гемиоксид азота).

Восстановление сульфатов, или сульфат-редукция. Это реаrции, в которых бактерии используют для окисления органического вещества кислород сульфатных ионов, образуя в качестве продуктов жизнедеятельности сульфидные формы:

 

2Cоpr + + 2H2O=H2S + 2  (94)

 

Если рН воды выше 7, образуется главным образом ион HS–, а в присутствии любых способных к реакциям соединений железа сульфидные формы будут реагировать с ними, образуя осадки в виде сульфидов.

Ферментация. Реакции ферментации представляют собой протекающие при участии микроорганизмов процессы разрушения органических веществ с образованием новых более простых органических соединений.

[Органическое соединение А] → [органическое соединение В] + СО2 .

Самой простой и одной из наиболее важных реакций этого типа является реакция образования метана

Сорг + 2Н2 О → СО2 + СН4

Процессы ферментации протекают при значениях р менее 4 – 5 вплоть до границы устойчивости воды.

 

(17)3. Особенности процессов окисления в океанах

Особенности ОВ условий в океане связаны с наличием глобальной циркуляции океанических вод: холодная поверхностная вода погружается на глубину у полюсов, проходит через глубинную зону и возвращается на поверхность. Таким образом, водообмен в океане является непрерывным в отличие от озер. Другое отличие состоит в том, что распределение питательных веществ в океане, а значит, и фотосинтез почти полностью контролируются их регенерацией в водной толще и перераспределением в ходе циркуляции воды, а не поступлением с поверхностным стоком. Типичное распределение кислорода в океанических водах для районов с различнойбиопродуктивностью показано на рис. 1. Отличительной особенностью распределения кислорода в океане является существование зоны, где его содержание минимально. Зона минимального содержания кислорода соответствует глубинному интервалу, где большая часть органического вещества, опускающегося из поверхностной зоны, подвергается разложению. Как правило, воды в зоне минимума остаются аэробными, так как в большей части Мирового океана разлагающегося органического вещества недостаточно для потребления всего кислорода. Зона минимума может стать анаэробной только в районах с исключительно высокой продуктивностью, где восходящие течения возвращают питательные вещества на поверхность. Глубинные воды ниже зоны минимума обычно хорошо аэрированы, поскольку существует постоянный приток кислорода за счет воды, опускающейся у полюсов.

Анаэробные бассейны в океане образуются в тех местах, где имеются препятствия для циркуляции глубинной воды, а продуктивность поверхностного слоя высока. Такие бассейны всегда имеют подводные пороги на уровне зоны минимального содержания кислорода (рис. 2).

Рис.1 Распределение кислорода с глубиной в океане: А – район средней поверхностной продуктивности; В – район очень высокой поверхностной продуктивности

Рис. 2. Схема образования анаэробного морского бассейна

К появлению анаэробных условий может привести также химическая стратификация. Примером являются бассейны типа Черного моря или фьордов Северной Европы и Северной Америки, где интенсивный поверхностный сток приводит к существенно более низкому солесодержанию воды в верхнем слое, а, следовательно, и более низкой ее плотности.

 

(18)4. Особенности процессов окисления в озерах

Редокс-условия в озерах определяются балансом между окислением органического вещества и поступлением кислорода за счет цирку­ляции или вертикального перемешивания воды.

Специфическая зависимость плотности воды от температуры приводит к возникновению ярко выраженной слоистой структуры озер, расположенных в районах с умеренно континентальным кли­матом (рисунок 1).

Рис. 1. Стратификация озера

Летом поверхностный слой (эпилимнион) нагревается за счет солнечной радиации. Температура в пределах эпилимниона доволь­но постоянна, так как поверхностная зона подвержена волновому перемешиванию. Непосредственно под эпилимпиономрасположен метпалимнион, или зона термоклина, – область, в которой темпера­тура быстро уменьшается с глубиной. Ниже металимниона находит­ся гиполимниоп – масса одинаково холодной воды. Когда теплая вода малой плотности лежит над холодной водой высокой плотно­сти, смешение и, как следствие, обмен растворенными веществами между эпилимнионом и гиполимнионом затруднены. Такое явление называется термической стратификацией.

Осенью постепенное понижение температуры эпилимниона при­ведет к тому, что в определенный период, при температуре воздуха около 277 К, вода во всем водоеме будет одинаковой температуры и плотности. При этом в результате волновой деятельности вся во­да в водоеме будет перемешана. Такой период называют периодом осеннего водообмена.

В дальнейшем при понижении температуры в верхнем слое воды ее плотность снизится, и в водоеме вновь произойдет разделение на слои различной плотности, обмен между которыми будет затруд­нен. Это явление называют зимней стратификацией.

Весеннее повышение температуры в зоне эпилимниона приведет к выравниванию температуры и плотности воды во всем водоеме. Начнется процесс весеннего водообмена.

Во время весеннего и осеннего водообмена содержание раство­ренного кислорода во всем озере в основном соответствует равно­весным значениям, характерным для приземного воздуха и воды при температуре 277 К.

В период летней стратификации равновесное количество рас­творенного в эпилимнионе кислорода снизится по сравнению с пе­риодом водообмена, поскольку растворимость газов уменьшается с ростом температуры.

Следует отметить, что в эпилимнионе в этот период интенсив­но протекает фотосинтез, который помимо процесса растворения кислорода из атмосферного воздуха является еще одним источни­ком растворенного кислорода. В некоторых случаях это приводит к нарушению равновесий из-за разности скоростей процессов по­ступления и выделения, и концентрация растворенного кислорода в некоторых зонах эпилимниона может быть больше равновесной.

В процессе фотосинтеза, как известно, происходит образование органических соединений и кислорода. Помимо углерода для фо­тосинтеза требуются азот, фосфор и ряд рассеянных элементов. В пресных незагрязненных водах лимитирующим питательным веще­ством обычно являются фосфаты, в загрязненных водах фотосин­тез в некоторых случаях лимитируется нитратами. Лимитирование рассеянными элементами встречается крайне редко.

Когда в озере возникает стратификация, содержание кислорода в воде гииолимниона устойчиво снижается вследствие разложения органического вещества, выпадающего из эпилимниона. Станет ли гиполимнион анаэробным, зависит от суммарного количества органического вещества, поступающего в него в пери­од стратификации, которое контролируется главным образом на­личием питательных неорганических веществ, особенно фосфатов в эпилимнионе.

Существует и химическая стратификация. Она встречается там, где вода с более высокой соленостью, образовавшаяся в засушливый период или за счет растворения солей на дне озера, находится под менее соленой поверхностной водой. Такая химическая стратифика­ция может сохраняться многие годы.

 

---

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 965; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!