40. Сероводород в тропосфере: источники; концентрация; время жизни.

см прошлый вопрос и вопрос 14

концентрация

Имеющиеся в литературе сведения позволяют лишь грубо оценить его содержание в тропосфере. Так над океанами концентрация H₂S колебалась от 0.0076 до 0.076 мкг*м^-3, а над континентами от 0,05 до 0.1 мкг*м^-3.

время жизни

П ринимая во внимание скорость поступления сероводорода в атмосферу и его содержание в тропосфере, время его жизни в атмосфере можно оценить в несколько часов

41. Основные реакции окисления диоксида серы в газовой фазе. SO₂ + ОН + М = HSO₃ + M*

HSO₃ + HO₂ = SO₃ + 2OH

SO₂ + HO₂ = SO₃ + OH

SO₂ + CH₃O₂ = SO₃ + CH₃O

42. Какие катализаторы процессов окисления диоксида серы могут присутствовать в воздухе?

метан??????

Оксиды железа, алюминия, хрома и других металлов, которые также могут присутствовать в воздухе, резко ускоряют процесс окисления диоксида серы. Как показали лабораторные эксперименты, в присутствии, например, частиц Fe₂O₃, скорость процесса трансформации SO₂ составляет примерно 100%•ч^-1 .

43. Какие вещества являются основными окислителями соединений серы в воде?

В качестве окислителя в природных условиях часто выступает пероксид водорода. При высоких значениях рН, когда в растворе в основном находятся ионы SO3- скорость окисления заметно возрастает.

Конечным продуктом окисления, как и в случае окисления в газовой фазе, является серная кислота, которая в дальнейшем может перейти в сульфаты. Реагируя с аммиаком или ионами металлов, присутствующими в частицах атмосферной влаги, SO3 частично переходят в соответствующие сульфаты.

В основном это сульфаты аммония, натрия, кальция.

Образование сульфатов происходит и в процессе окисления сульфитов на поверхности твердых частиц, присутствующих в воздухе.

44. Какие пути стока соединений серы и других примесей из атмосферы Вы знаете?

СТОК ОН РАДИКАЛА

СО + ОН → СО₂ + Н

СН₄ + ОН → СН₃ + Н₂О

NO + OH + M → НNO₂ + М^*

• Помимо процессов химической трансформации диоксида серы в серную кислоту и сульфаты, сток - вывод из атмосферы этих соединений происходит в результате процессов:

- мокрого осаждения, с атмосферными осадками;

- сухого осаждения - при контакте с поверхностью почвы, поверхностного водоема или растительностью.

45. Как выглядит зависимость доли соединений серы, поступающих в атмосферу в виде диоксида серы от времени?

46. В чем опасность трансграничного переноса соединений серы в атмосфере?

возможностью трансграничного переноса примесей (перенос примесей на большие расстояния, свыше 100 км).

Так, предположим, что над источником выбросов соединений серы дует ветер, имеющий скорость порядка 30 км/ч. В этом случае, спустя 10 часов с момента выброса примеси будут удалены на расстояние 300 км от источника выброса.

В этом воздухе доля диоксида серы уменьшится примерно в 5 раз, и основное количество соединений серы будет представлено серной кислотой.

В случае выпадения дождевых осадков над этой территорией практически все соединения серы будут выведены из атмосферы в виде кислотного дождя. Необходимо отметить, что, несмотря на наметившееся в последние годы сокращение общего количества диоксида серы, выбрасываемого в атмосферу,

серная кислота остается основным компонентом, приводящим к закислению атмосферных осадков.

47. Какие радиационные пояса земли Вы знаете? Какие частицы в них задерживаются?

внутренний радиационный пояс на высоте ? 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ;мегаэлектронвольт

внешний радиационный пояс на высоте ? 17 000 км, состоящий преимущественно из электронов с энергией в десятки кэВ.килоэлектронвольт

48. Что такое солнечные пятна?

Со́лнечные пя́тна — тёмные области на Солнце, температура которых понижена примерно на 1500 К по сравнению с окружающими участками фотосферы. Наблюдаются на диске Солнца в виде тёмных пятен. Солнечные пятна являются областями выхода в фотосферу сильных магнитных полей.

49. Что такое солнечный ветер?

Со́лнечный ве́тер — поток ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300—1200 км/с в окружающее космическое пространство. Является одним из основных компонентов межпланетной среды.

50. На какие части делят поток ультрафиолетового излучения от солнца? В чем их особенности по отношению к живым клеткам? Какой ультрафиолет не полностью поглощается в атмосфере?

УФ излучение простирается от 120 нм и делится на

УФ-С - 120 -280 нм, Область С содержит излучения, обладающие бактериальным действием, применяемые для стериализации воздуха и воды, для предохранения продуктов от порчи, излучения , обладающие свойством озонировать воздух, излучения, на использовании которых основано действие источников света - люминесцентных ламп.

УФ-В - 280 -320 нм, Средняя область В характеризуется антирахитным действием на организм, регулирует обмен веществ в живом организме , благотворным действием на рост домашней птицы и животных, а также эритемным эффектом, т.е. способностью вызывать покраснение и загар человеческой кожи.

УФ - А - 320 -400нм. содержит излучения, широко применяемые для люминесцентного анализа, а также возбуждения светящихся веществ в сигнальных, декоративных и других устройствах.

• Излучение из диапазона УФ-A поглощается атмосферой слабо, поэтому радиация, достигающая поверхности Земли, в значительной степени содержит ближний ультрафиолет УФ-A и в небольшой доле — УФ-B.

ЗАДАЧИ

Объемные концентрации

Объемная доля – a

 

a = v / V, где v – объем примеси, V – объем газа, в котором она находится.

 

% об. = a * 100

 

ppm = млн ^-1 = a * 10⁶

 

ppb = млрд^-1 = a * 10⁹

ЗАДАЧА 1

В помещении площадью 50 м² высота стен 3 м лопнул воздушный шар наполненный гелием. Объем шара равен 5 л.

Определите объемную концентрацию гелия в воздухе помещения.

РЕШЕНИЕ

V=50*3=150

α=5/150=0.033

%объем = 0,033*100=3,3%

ppm=0,033*10⁶

Для не стандартных условий число Лошмита надо умножить на дробь

T0 *Pi /Ti * P0.

Ni = 2,69 *10^-19 * T₀ *P_i /T_i * P₀

Для определения количества молекул примеси в куб. сантиметре необходимо число Лошмита умножить на объемную долю примеси:

n = Ni*a

ЗАДАЧА 2

Сколько молекул гелия будет находиться в воздухе помещения (см. задачу 1) если температура равна 25^оС давление 756 мм.рт.ст.

РЕШЕНИЕ

Ni=2,69 *10^-19 *273*756/298*760=2.45*10^-19

n = Ni*a=2.45*10^-19 *0.033=8.085*10¹⁷

Концентрацию примесей можно измерять в парциальным давлением примеси:

 Р_i = P_общее *a

 

Массовая концентрация примесей мг/м³

В стандартных условиях:

С (мг/м³) =С(ppm) * М / 22,4

 

Для не стандартных условий полученное число надо умножить на дробь

T_{0 *}P_i /T_i * P₀.

 

 

С (мг/м³) =С(ppm) * М * T₀ * P_i / 22,4 * T_i * P₀.

ЗАДАЧА 3

Определите парциальное давление гелия и его концентрацию в помещении (см. задачу 1,2)

РЕШЕНИЕ

Pi=Pобщ*α=756*0,033=24,948

С (мг/м³) =С(ppm) * М * T₀ * P_i / 22,4 * T_i * P₀.

С (мг/м³) =0,033*10⁶*4*273*756/22,4*298*760=5370,07

ЗАДАЧА 4

Превышается ли и, если да, то во сколько раз, значение максимально разовой ПДК для аммиака, равное 0,2 мг/м3, ,при обнаружении его запаха, если порог обнаружения запаха для аммиака составляет 46,6 ppm. Атмосферное давление равно 100 кПа, температура 250 С.

РЕШЕНИЕ

Для ответа на вопрос необходимо привести значение ПДК_м.р. и концентрацию, соответствующую порогу обнаружения запаха, к одинаковым единицам измерения и найти их отношение.

Выразим концентрацию аммиака в мг/м³:

С` (мг/м³) = С`` (ррm) * М.М. * Т₀ * Р / 22,4 * Т * Р₀,

где: С` и С`` - концентрация аммиака, выраженная в мг/м³ и ррm, соответственно;

М.М. – молекулярная масса аммиака (17 г/моль);

22,4 – объем (дм³), занимаемый одним молем газа при нормальных условиях ( температура Т₀ = 273 К, давление Р₀ =101,3 кПа);

Т и Р,- температура (К) и давление воздуха (кПа) в рассматриваемых условиях.

С` = 46,6 * 17 * 273 * 100/ 22,4 * 298 * 101,3

С`= 32,0 мг/ м³.

Найдем отношение концентрации аммиака при обнаружении запаха и ПДКм.р.:

r = С`/ ПДКм.р. = 32,0 / 0.2

r = 160

Ответ: при обнаружении запаха аммиака его концентрация в воздухе в 160 раз превысит значение ПДКм.р. .

ЗАДАЧА 5

Сколько молекул формальдегида присутствует в каждом кубическом сантиметре воздуха при нормальных условиях, если его концентрация достигает значения ПДКм.р., равного 0,035 мг/м3 .

РЕШЕНИЕ

Определим количество молей формальдегида в кубическом метре воздуха:

С (моль/м³⁾ = С` (мг/ м³) / М.М. * 10³ (г/моль)

где: С и С` - концентрация формальдегида в воздухе, выраженная в моль/м³ и мг/м³ , соответственно;

М.М. – молекулярная масса формальдегида (30 г/моль);

10³ - коэффициент перевода молекулярной массы (г/моль) в мг/моль.

Количество молей формальдегида при концентрации, равной ПДК_м.р., составит:

С = 0,035/30 * 10³ (моль/м³)= 1,17 * 10^-6 моль/м³

Количество молекул в кубическом сантиметре воздуха можно определить по уравнению:

N(см^-3) = С (моль/м³⁾ * 10^-6 * N_a(молекул/моль),

где: N - количество молекул формальдегида в кубическом сантиметре воздуха (молекул/ см³, обычно слово “молекула” опускается и значение размерности концентрации записывается в виде см^-3);

С^\- концентрация формальдегида в воздухе (моль/м³);

N_a - число Авогадро;

10^-6 - коэффициент перевода единиц измерения объема из м³ в см³ .

N = 1,17 * 10^-6 * 10^-6 * 6,02 * 10²³

N = 7,02 * 10¹¹ молекул/см³ = 7,02 * 10¹¹ см^-3 .

Ответ: при концентрации формальдегида, равной ПДК_м.р., в каждом кубическом сантиметре воздуха присутствует 7,02 * 10¹¹ молекул СН₂О.

ЗАДАЧА 6

Масса атмосферы оценивается величиной

5 * 10¹⁵ m. Определите количество кислорода в атмосфере в кг, в допущении, что атмосфера состоит только квазипостоянных компонентов (азот, кислород и аргон), а объемная концентрация этих компонентов соответствует значениям, характерным для приземного слоя атмосферы

РЕШЕНИЕ

ищем среднюю молярную массу воздуха

берем первые три по составу вещества в %

М=для азота0,78*14*2+кислород0,2*16*2+для аргона 0,09*39=28,96

0,78, 0,2, 0,09 процентное содержание этих веществ в воздухе

Nвоздуха =Q/Mвоз

Nвоздуха – общее количество молей воздуха в атмосфере

Q-масса атмосферы в ГРАММАХ

М воз – средняя молярная масса воздуха

Nвоз=5*10¹⁵ *10⁶ /28,96=1,7*10²⁰ моль

поскольку мольные и объемные доли газов в смеси равны между собой можно найти количество молей кислорода

Nкисл= 1,7*10²⁰ моль* 0,2= 3,4*10¹⁹

масса кислорода = 3,4*10¹⁹ *32=1,1*10²¹ грамм =11*10¹⁷

ЗАДАЧА 7

запасы угля в мире в пересчете на углерод 900 млрд т

Насколько бы изменилось содержание кислорода в атмосфере, если бы этот уголь сгорел в течение короткого времени?

РЕШЕНИЕ

900 млрд т = 9*10¹¹ т = 9*10¹⁴ кг

C + O2 = CO2

12 - 44

9*10¹⁴ кг - X

X= 9*10¹⁴ кг *44 /12=33*10¹⁴кг

11,5*10^{17 из прошлой задачи типа} – 100%

33*10¹⁴кг – У

У%=33*10¹⁴кг*100/11,5*10¹⁷ = 0,29%

ЗАДАЧА 8

При совместном присутствии СО и О2 в во в крови устанавливается равновесное отношение концентраций и карбоксигемоглобина и оксигемоглобина, которое пропорционально парциальному давлению газов

[COHb] /[O2Hb]=K * Pco/ Po2

Коэффициент пропорциональности для крови человека измеряется в пределах от 200 до 250

Содержание оксида углерода в сигаретном дыме составляет 400-450 млн^-1

Какое среднее содержание карбоксигемоглобина может наблюдаться в организме курильщика который дышит сигаретным дымом, если количество кислорода в табачном дыме соответствует средним для приземного воздуха значениям?

РЕШЕНИЕ

К какимпосведствиям это может привести,

I. При концентрации в крови, равной 2-5% наблюдается воздействие на центральную первную систему и нарушение ряда

функций.

2. При содержании COHb в крови более 5% наблюдаются

изменения сердечной и легочной деятельности.

3. В случае 10-80% содержания COHb в крови наблюдаются головные боли

спазмы респираторные нарушения, может наступить смерть

РЕШЕНИЕ

Парциальное давление оксида углерода в сигаретном дыме (Pco) можно определить по уравнению

Pco=Pобщ*αco

где Pобщ – общее давление смеси (по условию равно давлению воздуха 101,3 кПа)

αco – объемная доля оксида углерода в табачном дыме (примем средне-арифметическое значение из интервала концентраций αco=400+450/2=425*10^-6)

Pco=Pобщ*αco= 101,3*425*10^-6=4,3*10^-2

Парциальное давление кислорода в табачном дыме, по условию задачи, равно парциальному давлению кислорода в приземном воздухе и без учета содержания паров воды в воздухе составляет

Ро2= 101,3*0,2095=21,2 кПа

[COHb] /[O2Hb]=K * Pco/ Po2

К=200+250/2

Рсо= 4,3*10^-2

Ро2=21,2 кПа

[COHb] /[O2Hb]=K * Pco/ Po2=

=225*4,3* 10^-2/21,2=0,456

[COHb] /[O2Hb]

примем процентное содержание гемоглобина связанного с оксидом углерода (карбоксигемоглобин) в крови курильщика, вдыхающего лишь табачный дым, за Х%

тогда содержание гемоглобина

[O2Hb]=(100-Х)% а их отношение можно выразить уравнением

[COHb] /[O2Hb]=Х/100-Х=0,456

решая это уравнение найдем Х=31,3%

это значение находится в интервале 10-80% поэтому будут наблюдаться головные боли, респираторные нарушения, может наступить смерть

ЗАДАЧА 9

Оцените, во сколько раз скорость связывания атомарного кислорода в реакции синтезам озона выше, чем в реакции гибели озона, когда эти процессы протекают при нормальном атмосферном давлении у поверхности Земли.

Концентрация озона в приземном воздухе составляет 4*10¹¹ см³.

Константа скорости реакции образования озона Кобр. равна 6,9*10^-34 см⁶ молекула^-2 c^-1, если третье тело-молекула кислорода. Константа скорости процесса гибели озона при взаимодействии с атомарным кислородом составляет: К_гибели=8,4*10^-15 см^-3 молекула^-1c^-1.

РЕШЕНИЕ

О2+О+М=О3+М* (1)

О3+О=2О2 (2)

Скорости процессов образования и гибели озона по р-ям (1) и (2) можно представить уравнениями:

Vобр=Кобр [O(³ P)][O2][M]

Vгибели=Kгибели[O(³P)][O3]

Отношение скоростей р-ий образования и гибели озона можно определить по уравнению:

Vобр/ Vгибели= Кобр [O(³P)][O2][M]/ Kгибели[O(³P)][O3]

Vобр/ Vгибели= Кобр[O2][M]/ Kгибели[O3]

В случае, когда третье тело в процессе образования озона – молекулы кислорода ([O2]=[M]), отношение скоростей реакций (1) и (2) составит:

Vобр/ Vгибели= Кобр[O2]²/ Kгибели[O3]

Таким образом, для решения задачи необходимо найти содержание молекул кислорода в кубическом сантиметре воздуха.

Среднее значение температуры приземного воздуха соответствует средней температуре нижней границы тропосферы и равно 288К.

При нормальном атмосферном давлении концентрация молекул кислорода составит:

N=N*10³*T₀*α(O₂)/Vm*T

N=6.02*10²³*10³*273*0.2095/22.4*288

N=5.34*10¹⁸см³

Отношение скоростей реакций (1) и (2) составит:

Vобр/Vгибели=6,9*10^-14* (5,34*10¹⁸)²/8,4*10²³*7*10¹¹=5,86*10⁶

Ответ: скорость связывания атомарного кислорода в реакции образования озона в 3,3*10⁶ раз больше, чем в реакции гибели озона.

ЗАДАЧА 10

Определите среднее время пребывания паров воды в атмосфере, если, по оценкам специалистов, в атмосфере находится 12900 км³ воды, а на поверхность суши и океана выпадает в виде атмосферных осадков в среднем577*10¹² м³ воды в год.

РЕШЕНИЕ

Среднее время пребывания компонентов в атмосфере в случае установления динамического равновесия можно определить по уравнению:

τ=A/Q

где τ- время пребывания вещ-ва в атмосфере в единицах времени,

А – количество вещества в атмосфере в единицах массы,

Q – скорость поступления или вывода вещества из атмосферы (в единицах массы на единицу времени).

Для условий задачи имеем:

τ=12900*10⁹/577*10¹²

где 10⁹ – коэффициент перевода куб км в куб м

τ=2,23*10^-2 года=8,16 дня

Ответ: среднее время пребывания воды в атмосфере составляет 8,16 дня

ЗАДАЧА 11

Количество метана, поступающего ежегодно с поверхности Земли в атмосферу, составляет 550 млн. т. Среднее содержание метана в слое атмосферы, на который приходится 90% ее массы, составляет 1,7 млн^-1. Определите время пребывания метана в этом слое атмосферы, если принять, что в других частях атмосферы он присутствует, а масса атмосферы составляет 5*10¹⁵т.

РЕШЕНИЕ

Для решения задачи на первом этапе необходимо определить среднюю молекулярную массу смеси газов или среднюю молекулярную массу воздуха:

Мвоз=Мазот*αазот+Мкис*αкис+Марг*αарг

Где М – средняя молекулярная масса воздуха, Мазот, Мкис, Марг – средняя молекулярная масса азота, кислорода и аргона, α – объемная доля соответствующего компонента смеси в воздухе

Мвоз = 28,01*0,7810+32,00*02095+39*0,0095=28,96

Зная общую массу воздуха и его среднюю молекулярную массу, определяем общее количество условных молей воздуха в атмосфере:

Nвоз = Q/Mвоз

Где Nвоз – общее количество молей воздуха в атмосфере, Q – масса атмосферы (г); Мвоз – средняя молекулярная масса воздуха (г)

Nвоз=5,0*10²⁵*10⁶/28,96 = 1,7*10³⁰ молей

В слое, составляющем 90% массы атмосферы, будет содержаться:

nвоздуха=1,7*10²⁰*90/100=1,53*10²⁰ (молей воздуха)

Количество молей метана, содержащегося в этом слое атмосферы, составит:

n метана=nвоздуха*C*метана

где C*метана- объемная доля молекул метана в воздухе, по условию задачи C*метана=1,7млн^-1=1,7*10^-6

Тогда n метана=1,53*10²⁰*1,7*10^-6=2,6*10¹⁴ (молей)

Масса метана в рассматриваемом слое атмосферы составит:

А метана= n метана*М.М метана

Где М.М метана – молекулярная масса метана М.В. метана=16 г/моль

Мметана=2,6*10¹⁴*16=41,6*10¹⁴г=41,6*10⁸г

Время пребывания метана в атмосфере составит:

τ=41,6*10⁸/550*10⁶=7,56 года

ЗАДАЧА 12

Во сколько раз количество молекул кислорода в кубическом сантиметре воздуха на высоте вершины Эльбрус (5621 м) меньше, чем среднее значение у поверхности Земли (на уровне моря) при нормальном атмосферном давлении?

РЕШЕНИЕ

Количество молекул, содержащееся в одном кубическом сантиметре воздуха (n_в), можно определить по уравнению:

N_в = N_AT₀P₁/(T₁P₀V_m),

где N_A – число Авогадро;

V_m – молярный объем газа при стан­дартных условиях

(V_m = 22,4 ^. 10³ см³);

Т₀, Р₀ и Т₁, Р₁ – значе­ния температуры (К) и давления при стандартных условиях и в рассматриваемом случае соответственно.

Давление у поверхности Земли (на уровне моря) при нор­мальных условиях равно давлению при стандартных условиях (Р₁ = P₀). Средняя температура воздуха у поверхности Земли (на уровне моря) равна 288 К (таблица 2). В этом случае коли­чество молекул газов в кубическом сантиметре воздуха составит:

n_в.3 = 6,02 ^. 10^{23 .} 273/ (288 ^. 22,4 ^. 10³) = 2,55 ^. 10¹⁹ (см^–3)

Количество молекул кислорода в кубическом сантиметре воз­духа (n_к) можно определить, зная его среднее содержание в воз­духе:

n_к = n_вC*_к,

где C*_к – объемная доля кислорода в воздухе.

Количество молекул кислорода в кубическом сантиметре воз­духа у поверхности Земли (на уровне моря) при нормальном атмосферном давлении, средней температуре у поверхности и концентрации кислорода в приземном слое атмосферы, равной среднему значению, составит:

n_к.З = n_в.ЗС*_к

где С*_к – среднее значение концентрации кислорода в приземном слое воздуха (таблица 1.1), выраженное в объемных долях.

n_к.₃ = 2 ^. 55 ^. 10^{19 .} 0,2095 = 5,34 ^. 10¹⁸ (см^–3)

Содержание молекул воздуха в атмосфере убывает с увели­чением высоты над уровнем моря (уравнение 5):

,

где n_в.H – концентрация молекул в воздухе на высоте H, см^–3;

n_в.з – средняя концентрация молекул в воздухе на уровне моря, см^–3;

М – средняя молярная масса воздуха (М = 28,96 ^. 10^–3 кг/моль – пример 7);

g – ускорение силы тяжести (g = 9,8 м/с²);

Н – высота над уровнем моря, м;

R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль ^. К);

Тн – средняя температура воздуха на высоте Н, К.

Температуру на заданной высоте в тропосфере можно оце­нить по уравнению:

Т_Н = Т₃ + T ^. H ,

где Тн и Tз – температуры на заданной высоте H и у поверх­ности Земли соответственно, К;

T – температурный градиент в стандартной тропосфере (T = – 6,5К/км – таблица 2).

Средняя температура атмосферы на высоте вершины Эль­брус составит:

Т_Н = 288 + (–6,5) ^. 5,621 = 252 (К)

Концентрация молекул воздуха на высоте вершины Эльбрус составит:

n_в.Н = 2,55 ^. 10¹⁹ ехр[–28,96 ^. 10^{-3 .} 9,8 ^. 5621/(8,31 ^. 252)] = 1,19 ^. 10¹⁹(см^–3)

Поскольку соотношение чисел молекул «квазипостоянных» компонентов воздуха в единице объема практически не меняется в атмосфере до высоты 100 км, можно определить концен­трацию молекул кислорода на высоте вершины Эльбрус (n_к._Н) по уравнению:

n_к.Н = N_в.НС*_к

n_к._Н = 1,19 ^. 10^{19 .} 0,2095 = 2,49 ^. 10¹⁸ (см^–3)

Отношение количества молекул кислорода в воздухе у по­верхности Земли (на уровне моря) и на вершине горы Эльбрус составит:

Х = n_к.з/n_к._H;

X = 5,34 ^. 10¹⁸/(2,49 ^. 10¹⁸) = 2,1.

Ответ: концентрация молекул кислорода в воздухе на вершине Эль­брус в 2,1 раза меньше, чем у поверхности Земли.