Слайд 1Химия окружающей среды
КУЗНЕЦОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСЕЕВИЧ,
профессор кафедры ЮНЕСКО
«Зеленая химия для устойчивого
развития»
3 корпус, 3 этаж,ком. 308
vakuz@ibox.ru
Слайд 2Лекция 1
Химия окружающей среды
В 70-ых годах двадцатого столетия возникло
новое научное направление-химия окружающей среды. Химия окружающей среды базируется на
основных законах и понятиях классической химии, однако объекты исследования в этом случае находятся в биосфере и других оболочках Земли. Это сравнительно молодая область знаний интенсивно развивается в нашей стране и за рубежом. Оболочки Земли (или сферы) – атмосфера, гидросфера, литосфера, криосфера, биосфера,-тесно связаны одна с другой потоками вещества и энергии, которые, в то же время, формируют в каждой из них специфические особые системы. Курс лекций посвящен рассмотрению физико-химических процессов, протекающих в Земных геосферах.
Слайд 3Химия окружающей среды
Модуль 1
Строение и состав атмосферы
Слайд 5Примерная тематика реферативно-аналитической работы
На сентябрь:
Основные энергетические потоки на планете Земля.
Современные
представления о строении Солнца.
Солнечное излучение в различные периоды активности солнца.
Радиационные
пояса Земли.
Спектр солнечного излучения.
Происхождение химических элементов.
Большой взрыв и эволюция Вселенной.
Фотохимические процессы в верхних слоях атмосферы Земли.
Теоретические представления о происхождении жизни на планете Земля.
Слайд 6На октябрь
Формирование атмосферы Земли и изменения ее состава.
Влияние вулканической деятельности
на озоновый слой планеты.
Состояние озонового слоя в настоящее время.
Единицы измерения
основных метеорологических параметров.
Методы и приборы для определения температуры атмосферы.
Методы и приборы для определения влажности в атмосфере.
Методы и приборы для определения давления в атмосфере.
Методы и приборы для определения скорости и направления ветра в атмосфере.
Международная классификация облаков.
Глобальные циркуляции в атмосфере Земли.
Слайд 7На ноябрь
Местные ветры и их влияние на климат.
Основные парниковые газы
и изменение их содержания в атмосфере Земли.
Механизмы образования оксидов азота
в процессах горения.
Основные тенденции в процессах загрязнения атмосферы оксидами серы и азота в последние годы.
Причины и последствия трансграничного переноса соединений серы в Европе.
Слайд 16Реликтовое излучение
Подтверждение факта Большого взрыва пришло в 1965 году, когда
американские радиоастрономы
Р. Вильсон и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное
излучение с температурой около 3° по шкале Кельвина (-270°С).
Именно это открытие, неожиданное для ученых, убедило их в том, что Большой взрыв действительно имел место и поначалу Вселенная была очень горячей.
Слайд 20Распространенность элементов во Вселенной
Слайд 21Атмосфера
Перевод с греческого
ατμός — «пар»
σφαῖρα — «сфера»
Газовая оболочка небесного тела, удерживаемая около
него гравитацией.
Атмосферой принято считать область вокруг небесного тела, в которой газовая среда вращается вместе с ним как единое целое
Наука об атмосфере – называется
Метеорологией
http://meteorologist.ru/
Слайд 22Метеороло́гия
( μετέωρος )
Перевод с греческого
metéōros — атмосферные и небесные явления
λογία —
наука
Научно-прикладная область знания о строении и свойствах Земной атмосферы и совершающихся
в ней физико-химических процессах
Слайд 23
Тропосфера
Нижний слой атмосферы в котором температура , в среднем, убывает
с высотой.
В тропиках слой тропосферы простирается до высоты 15 –
17 км.
В умеренных широтах до 10 – 12 км.
Над полюсами до 8 – 9 км.
Слайд 24
Изменения температуры с высотой в среднем составляют:
Слайд 25Уровень моря — 101,3 кПа (1 атм.; 760 мм рт. ст
атмосферного давления), плотность среды 2,7·1019 молекул в см³.
0,5 км — до
этой высоты проживает 80 % человеческого населения мира.
2 км — до этой высоты проживает 99 % населения мира.
2—3 км — начало проявления недомоганий (горная болезнь) у неакклиматизированных людей.
5,0 км — 50 % от атмосферного давления на уровне моря.
6 км — граница постоянного обитания человека, граница наземной жизни в горах.
8,848 км — высочайшая точка Земли гора Эверест — предел доступности пешком.
12 км — дыхание воздухом эквивалентно пребыванию в космосе (одинаковое время потери сознания ~10—20 с); потолок дозвуковых пассажирских самолётов
Слайд 26Тропопауза
10—18 км — граница между тропосферой и стратосферой на разных широтах
(тропопауза). Также это граница подъёма обычных облаков, дальше простирается разрежённый
и сухой воздух.
Слайд 27
Стратосфера
Это область атмосферы расположена выше тропопаузы до высоты 50-55 км.
Температура
в среднем растет с высотой, до высоты 25км медленно растет,
в полярных широтах даже иногда падает, с 34-36, км, происходит быстрое возрастание температуры.
На высоте 50 км располагается стратопауза.
В этой зоне температура практически не меняется с высотой и в среднем составляет -2 или -3 градуса Цельсия.
В стратосфере нет конвективных вертикальных движений и активного перемещения, свойственных тропосфере.
Слайд 2818,9—19,35 км — линия Армстронга — начало космоса для организма человека — закипание
воды при температуре человеческого тела. Внутренние телесные жидкости на этой
высоте ещё не кипят, поскольку тело генерирует достаточно внутреннего давления, чтобы предотвратить этот эффект, но могут начать кипеть слюна и слёзы с образованием пены, набухать глаза.
20км — потолок тепловых аэростатов (монгольфьеров) (19 811 м).
20—22 км — верхняя граница биосферы: предел подъёма в атмосферу живых спор и бактерий воздушными потоками. 25—26 км — максимальная высота установившегося полёта существующих реактивных самолётов (практический потолок).
15—30 км — озоновый слой на разных широтах.
Слайд 29
Мезосфера
Это область атмосферы расположена выше стратопаузы до высоты примерно 80-82
км.
В мезосфере темература понижается в верхней части до – 110
градусов Цельсия, в связи с эти м мезосфере сильно развита турбулентность.
Мезосфера заканчивается мезопаузой.
80 км — граница между мезосферой и термосферой (мезопауза): высота серебристых облаков.
Слайд 3034,668 км — официальный рекорд высоты для воздушного шара (стратостата), управляемого
двумя стратонавтами (Проект Страто-Лаб, 1961 г.).
35 км — начало космоса для
воды или тройная точка воды: на этой высоте вода кипит при 0 °C, а выше не может находиться в жидком виде.
37,8 км — рекорд высоты существующих турбореактивных самолётов (МиГ-25М, динамический потолок).
41,42 км — рекорд высоты стратостата, управляемого одним человеком, а также рекорд высоты прыжка с парашютом, выполненный вице-президентом компании Гугл Аланом Юстасом 24 октября 2014 года.
45 км — теоретический предел для прямоточного воздушно-реактивного самолёта.
48 км — атмосфера не ослабляет ультрафиолетовые лучи Солнца.
50 км — граница между стратосферой и мезосферой (стратопауза).
Слайд 31Термосфера
Верхняя часть атмосферы расположенная над мезопаузой.
В термосфере температура резко возрастает
с высотой.
В годы активного солнца на высоте 200-250 км температура
превышает 1500 градусов Цельсия.
Слайд 32100 км — официальная международная граница между атмосферой и космосом
— линия Кармана, определяющая границу между аэронавтикой и космонавтикой. Аэродинамические
поверхности (крылья) начиная с этой высоты не имеют смысла, так как скорость полёта для создания подъёмной силы становится выше первой космической скорос118 км — переход от атмосферного ветра к потокам заряжённых частиц.
122 км — первые заметные проявления атмосферы во время возвращения на Землю с орбиты: набегающий воздух начинает разворачивать Спейс Шаттл носом по ходу движения, начинается ионизация воздуха от трения и нагрев корпуса.
120—130 км — спутник на круговой орбите с такой высотой сможет сделать не более одного оборота.
Плотность среды на этой высоте 12 триллионов молекул на 1 дм³.
200 км — наиболее низкая возможная орбита с краткосрочной стабильностью (до нескольких дней).
Слайд 33302 км — максимальная высота (апогей) первого пилотируемого космического полёта
(Гагарин Ю.А. на космическом корабле Восток-1, 12 апреля 1961 г.)
350
км — наиболее низкая возможная орбита с долгосрочной стабильностью (до нескольких лет)
500 км — начало внутреннего протонного радиационного пояса и окончание безопасных орбит для длительных полётов человека.
400 км — высота орбиты Международной космической станции
690 км — граница между термосферой и экзосферой.
Слайд 34
Экзосфера
Экзосфе́ра (от др.-греч. ἐξω — «снаружи», «вне» и σφαῖρα — «шар», «сфера») —
самая внешняя часть верхней атмосферы Земли с низкой концентрацией нейтральных
атомов (концентрация частиц n0<107см−3)
Это слой свыше 800 -1000 км называют внешней атмосферой и иногда сферой ускользания газов.
Слайд 35
Граница атмосферы
Граница между атмосферой и межпланетным пространством располагается в экзосфере,
начинающейся на высоте около 700 км от поверхности Земли и может
условно проводится по высоте в 1300 км
По определению, предложенному Международной Авиационной Федерацией, граница атмосферы и космоса проводится по линии Кармана, расположенной на высоте около 100 км, где аэронавтика становится полностью невозможной.
Линия Ка́рмана — высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом.
Слайд 36
Магнитосфера
Водород ускользающий из экзосферы образует земную корону , простирающуюся на
20000 км.
В этой области концентрация частиц составляет 1000 частиц на
куб. см., что примерно в десять раз выше чем в межпланетном пространстве.
Газ сильно ионизирован на движение частиц значительное влияние оказывает магнитное поле Земли.
Слайд 372000 км — атмосфера не оказывает воздействия на спутники и
они могут существовать на орбите многие тысячелетия.
3000 км — максимальная
интенсивность потока протонов внутреннего радиационного пояса.
12 756 км — мы отдалились на расстояние, равное диаметру планеты Земля.
17 000 км — внешний электронный радиационный пояс.
Слайд 3827 743 км — наименьшее расстояние от Земли, на котором
пролетел заранее (свыше 1 дня) обнаруженный астероид 2012 DA14 диаметром
44 м и массой около 130 тыс. тонн.
35 786 км — высота геостационарной орбиты, спутник на такой высоте будет всегда висеть над одной точкой экватора.
ок. 100 000 км — верхняя замеченная спутниками граница экзосферы (геокорона) Земли. Атмосфера закончилась, началось межпланетное пространство
Слайд 39Характеристика основных зон, выделяемых в стандартной атмосфере
Слайд 41Источник энергии Солнце
.
Полная мощность излучения Солнца оценивается в 3,86·1026 ватт что
более чем в два миллиарда раз больше, чем мощность излучения,
падающего на поверхность Земли. Другими словами, вследствие термоядерных реакций в центре Солнца, наше светило ежесекундно теряет массу около 4 000 000 тонн.
Слайд 42Закон смещения Вина
Длина волны — на которую приходится максимум энергии
в спектре равновесного излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре излучающего тела
Слайд 44Фотосфе́ра
Излучающий слой звёздной атмосферы, в котором формируется непрерывный спектр излучения.
Фотосфера даёт основную часть излучения звезды.
Слайд 45Распределение лучистой энергии в спектре солнечной радиации до поступления в
атмосферу (сплошная линия) и в спектре абсолютно черного тела при
температуре 6000° (прерывистая линия).
Слайд 46Частота и длина волны
Электромагнитная волна характеризуется одним главным параметром — числом
гребней, которые за секунду проходят мимо наблюдателя (или поступают в
детектор). Эту величину называют частотой излучения ν.
Поскольку для всех электромагнитных волн скорость в вакууме (с) одинакова, по частоте легко определить длину волны λ:
λ = с/ν.
Слайд 48Спектральный состав солнечной радиации
На интервал длин волн между 0,1 и
4 мк приходится 99% всей энергии солнечной радиации.
Всего 1%
остается на радиацию с меньшими и большими длинами волн, вплоть до рентгеновых лучей и радиоволн.
Видимый свет занимает узкий интервал длин волн, всего от 0,40 до 0,75 мк.
Однако в этом интервале заключается почти половина всей солнечной лучистой энергии (46%). Почти столько же (47%) приходится на инфракрасные лучи, а остальные 7% — на ультрафиолетовые.
Слайд 49Температурную радиацию с длинами волн от 0,002 до 0,4 мк
называют ультрафиолетовой.
Она невидима, т. е. не воспринимается глазом.
Радиация
от 0,40 до 0,75 мк — видимый свет,
воспринимаемый глазом.
Свет с длиной волны около 0,40 мк — фиолетовый,
с длиной волны около 0,75 мк — красный.
Радиация с длинами волн больше 0,75 мк и до нескольких сотен микронов называется инфракрасной;
она, так же как и ультрафиолетовая, невидима.
Слайд 50ФОТОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ
На первом этапе фотохимической реакции поглощение фотона приводит к
возбуждению молекулы:
А + hν = А*,
где А* - молекула в
возбужденном состоянии.
Следующий этап фотохимической реакции может протекать по одному из пяти возможных направлений.
Молекула возвращается в первоначальное состояние в результате процесса флюоресценсии:
А*= А + hν
Молекула диссоциирует:
А*= В + С
Молекула вступает в химическую реакцию:
А* + В1 =D + F
Молекула отдает избыточную энергию в результате столкновения и дезактивации:
А* + М = А + М*
Молекула подвергается ионизации:
А* = А+ + е-
Слайд 52Изменение концентрации ионов в ионосфере Земли
Слайд 53Состав атмосферы вблизи земной поверхности
Слайд 54Озон ( О3 ) – аллотропная модификация кислорода.
Общая масса
озона в атмосфере оценивается примерно в 3,3 млрд. т.
Это
высокотоксичный газ, токсичность его примерно на порядок превышает токсичность диоксида серы.
Поэтому дышать озоном нельзя, и его присутствие в воздухе тропосферы, даже в сравнительно небольших количествах, представляет опасность для всего живого.
Важной особенностью озона является его способность поглощать излучение:
Слайд 55Ультрафиолетовое излучение с длиной волны 200 – 400 нм часто
называют биологически активным ультрафиолетом (БАУ) и делят на два поддиапазона:
ультрафиолет А - излучение с длиной волны 320 < λ <400 нм
ультрафиолет В - излучение с длиной волны; 200 < λ <320 нм.
Ультрафиолетовое излучение с длиной волны λ >200 нм практически не поглощается молекулярным и атомарным кислородом и азотом.
Это излучение могло бы достигать поверхности Земли и полностью уничтожить все живое на планете, если бы в атмосфере не было озона.
Слайд 59О2 + O (3Р) + М = О3 + М*
О2 + h = О(1D) + O (3Р)
где О(1D) – атом в возбужденном состоянии;
O (3Р) – атом в основном состоянии.
Процессы образования и гибели озона в атмосфере
О3 + h = О2 + О(1D)
О3 + h = О2 + O (3p)
О3 + О = 2О2
Слайд 60Озон в стратосфере образуется в результате взаимодействия атомарного кислорода с
молекулой кислорода в присутствии третьего тела:
O + O2 + M
O3 + M*
где M - любая молекула (обычно азота или кислорода), уносящая из реакции избыток энергии.
В дальнейшем озон при взаимодействии с излучением разлагается с образованием молекулы и атома кислорода
О3 + h O + O2
Слайд 62Процессы образования и гибели озона в атмосфере
Водородный цикл
НО + О3
= НО2 + О2
НО2 + О = НО + О2
О3 + О = 2 О2
Н2О + h = ОН + Н
О(1D) + Н2О = 2 ОН
О(1D) +СН4 = СН3 + О Н
Слайд 63Процессы образования и гибели озона в атмосфере
Водородный цикл
НО + О3
= НО2 + О2
НО2 + О = НО + О2
О3 + О = 2 О2
Азотный цикл
NO + О3 = NO2 + О2
NO2 + О = NO + О2
О3 + О = 2 О2
N2O + О(1D) = 2 NO
Слайд 64Процессы образования и гибели озона в атмосфере
Водородный цикл
НО + О3
= НО2 + О2
НО2 + О = НО + О2
О3 + О = 2 О2
Азотный цикл
NO + О3 = NO2 + О2
NO2 + О = NO + О2 Хлорный цикл
О3 + О = 2 О2
Cl + O3 = ClO + O2
ClO + O = Cl + O2
O3 + O = 2O2
СFCl3 + h = СFCl2 + Cl
Слайд 65Процессы образования и гибели озона в атмосфере
Водородный цикл
НО + О3
= НО2 + О2
НО2 + О = НО + О2
О3 + О = 2 О2
Азотный цикл
NO + О3 = NO2 + О2
NO2 + О = NO + О2
О3 + О = 2 О2
Cl + O3 = ClO + O2
ClO + O = Cl + O2
O3 + O = 2O2
Хлорный цикл
Бромный цикл.
Br + O3 = BrO + O2
BrO + BrO = 2Br + O2
BrO + ClO = Br + Cl + O2
Слайд 66Обрыв цепных реакций разрушения озона
СН4 + ОН = СН3 +
Н2О
ОН + НО2 = Н2О + О2
ОН + NO =
НNO2
ClO + NO2 = ClONO2
Слайд 67Озо́новая дыра́
— локальное падение концентрации озона в озоновом слое Земли.
Слайд 69Озоновая дыра диаметром свыше 1000 км впервые была обнаружена в 1985 году,
на Южном полушарии, над Антарктидой, группой британских учёных: Дж. Шанклин (англ.),
Дж. Фармен (англ.), Б. Гардинер (англ.), опубликовавших соответствующую статью в журнале Nature. Каждый август она появлялась, а в декабре — январе прекращала своё существование. Над Северным полушарием в Арктике образовывалась другая дыра, но меньших размеров. На данном этапе развития человечества, мировые учёные доказали, что на Земле существует громадное количество озоновых дыр. Но наиболее опасная и крупная расположена над Антарктидой.
Слайд 70Антарктическая озоновая дыра формируется ежегодно в весенний период, охватывает большую
площадь (> 20 млн. км2 ) и существует в течение
нескольких месяцев. Арктические озоновые аномалии – крайне редкое явление, они имеют небольшую площадь (< 10 млн. км2 ), непродолжительны по времени существования (1–3 недели), смещены относительно полюса и дрейфуют в течение своего времени жизни.
Слайд 72Океаническая поверхность, окружающая Антарктиду, существенно усиливает зимний градиент температур у
полярного фронта, в отличие от материкового окружения в Арктике.
В
результате образующийся южный циркумполярный вихрь значительно устойчивее северного: он превышает его более чем в 2,5 раза по скорости, в 1,7 раза по площади и в 1,5 раза по времени существования.
Слайд 73По данным Центральной аэрологической обсерватории Росгидромета, в середине августа 2000
г. озоновая дыра над Антарктидой начала расти. В результате ее
размер достиг рекордных размеров 28,3 млн км2, что в 3 раза больше территории США. Для сравнения — еще 10-15 лет назад она составляла 22 млн км2. В октябре 2000 г. она приблизилась к значениям 1999 г. и составила 23-24 млн км2, а минимальное значение содержания озона составило 100 единиц Добсона, что в 3 раза меньше нормы
Слайд 76Заблуждения об озоновой дыре
1. Озон разрушается только над Антарктикой
2. Озоновая дыра должна находиться над источниками фреонов
3. Фреоны слишком тяжелы, чтобы достигать стратосферы
4. Основные источники галогенов природные, а не антропогенные
Слайд 77“Озонная дыра” над Антарктидой
Теоретически процесс был описан в начале 70
годов 20 века,
экспериментальные доказательства механизма образования “озоновой дыры” над
Антарктидой получены в 80 годах.
В 1993 г. ученые Ш. Роуланд (США), М. Молина (США), П. Крутцен (ФРГ), занимавшиеся этой проблемой, удостоены Нобелевской премии по химии.
ClONO2 + H2O = НОCl + HNO3 или
ClONO2 + HCl = Cl2 + HNO3
Cl2 + h = 2Cl
HOCl + h = OH + Cl
(ClO)2 + h = Cl + ClOO
и далее ClOO = Cl + O2
Слайд 78Монреа́льский протоко́л по вещества́м, разруша́ющим озо́новый слой (англ. The Montreal Protocol
on Substances That Deplete the Ozone Layer) — международный протокол к
Венской конвенции об охране озонового слоя 1985 года, разработанный с целью защиты озонового слоя с помощью снятия с производства некоторых химических веществ, которые разрушают озоновый слой. Протокол был подготовлен к подписанию 16 сентября 1987 года и вступил в силу 1 января 1989 года. После этого последовала первая встреча в Хельсинки в мае 1989 года. С тех пор протокол подвергался пересмотру семь раз: в 1990 (Лондон), 1991 (Найроби), 1992 (Копенгаген), 1993 (Бангкок), 1995 (Вена), 1997 (Монреаль) и 1999 (Пекин). Если страны, подписавшие протокол, будут его придерживаться и в будущем, то можно надеяться, что озоновый слой восстановится к 2050 году. Генеральный секретарь ООН (1997—2006)
Слайд 79По состоянию на декабрь 2009 года 196 государств-членов ООН ратифицировали
первоначальную версию Монреальского протокола.
Кофи Аннан сказал, что «возможно, единственным
очень успешным международным соглашением можно считать Монреальский протокол».
Слайд 80
Монреальский протокол предусматривает для каждой группы галогенированных углеводородов определённый срок,
в течение которого она должна быть снята с производства и
исключена из использования.
Слайд 81Влияние вулканов на озоновый слой
В Антарктиде находится постояннодействующий вулкан Эребус
(77,5° ю.ш., 167,2° в.д.; высота – 3794 м.), входящий в
список самых активных вулканов на Земле.
В его главном кратере находится лавовое озеро, не застывающее из-за непрерывных конвективных процессов подъема и перемешивания магмы, которая циркулирует от камеры, расположенной глубоко в вулкане.
Рядом с лавовым озером, в главном кратере находится жерло активной дегазации (пепловое жерло), из которого периодически выбрасывается столб вулканических газов.
Эребус – один из немногих вулканов, представляющий собой систему открытого жерла, объясняющую устойчивость и разнообразие активности вулкана: частую смену между пассивной и активной дегазацией и взрывными извержениями.
Слайд 82Весной над Антарктидой одновременно с сильным понижением стратосферного озона наблюдается
рост концентрации монооксида хлора ClO.
По максимальным значениям концентрации ClO
в стратосфере над станцией McMurdo в сентябре 1992 г. с учетом площади озоновой дыры рассчитана масса хлороводорода HCl, необходимого для ее образования. Масса HCl составила 9,3 кт.
Наиболее вероятным источником такого количества HCl в Антарктиде является вулкан Эребус.
Слайд 83Существенное сокращение антарктической стратосферной озоновой дыры в 2010 году и
в течение ряда предыдущих лет — результат чрезвычайного метеорологического явления,
иногда свойственного полярной зиме.
Учёные называют это внезапным стратосферным потеплением (sudden stratospheric warming, SSW).
Слайд 84
В ООН 16 сентября отмечается Международный день охраны озонового слоя.
Он был установлен в 1994 году в память о подписании
Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой.