Вода в атмосфере

Вода циркулирует в природе. Глобальный цикл ее циркуляций включает:

- испарение с водной поверхности, из почвы, с поверхности листьев (транспирация);

- перенос воздушными массами;

- конденсация в виде осадков и выпадение их на земную и водную поверхности;

- образование поверхностного (речного) стока или грунтовых вод (при просачивании внутрь почвы).

В атмосфере вода выполняет 2 функции:

- поддержание теплового баланса (за счет поглощения ИК-излучения) – определяет тепловой режим;

- участвует в процессах миграции и трансформации различных химических веществ

Вода атмосфере присутствует в виде паров. Образование жидкой воды в атмосфере связано с наличием в ней аэрозольных частиц, которые являются центрами конденсации паров. Жидкая вода присутствует в атмосфере главным образом в виде дымки, тумана, облаков, дождя. При этом в дымке вода представляет собой пленку жидкости на поверхности твердой частицы, в других разновидностях она является сплошной средой (каплей разных размеров). Общее у воды в каждом из состояний - сложный химический состав каждой капли (включает растворенные атмосферные газы, органические и неорганические загрязнители атмосферы (растворенные после проникновения и образовавшиеся в результате химических реакций). На поверхности раздела капля-воздух происходит интенсивный массообмен. Под действием солнечного излучения, электрических разрядов в капле могут происходить различные химические превращения главным образом окислительного характера.

Время жизни капель – от нескольких минут (дождевые капли)до 1 часа (капли облаков), в дымке время жизни жидкой воды (капель) может достигать недели. Представление о некоторых характеристиках частиц атмосферы влаги дают следующие данные:

(Fe и Mn потенциальные катализаторы окислительно-восстановительных превращений) в атмосфере.

Дымка в силу гетерогенного характера частиц включает бОльшее количество примесей металлов и характеризуется более широким интервалом рН.

Многие атмосферные процессы протекают именно в атмосферной влаге (а не только в газовой фазе). Это связано с тем, что жидкофазные реакции особенно характерны для веществ хорошо растворимы в воде. Главным образом это отностися к тем веществам, которые при растворении образуют другие химические формы, например SO₂, NO₂. Их растворимость повышается вследствие химической реакции с водой и диссоциации образующихся кислот:

аналогично

это же касается аммиака:

Таким образом с осадками на земную поверхность поступают S и N в форме кислот, сульфатов, нитратов (аммония).

В атмосферной влаге растворяется также и CO₂ – кислотный окисел, также образующий в воде кислоту. Поэтому даже если атмосфера не загрязнена никакими другими кислотными окислами (ни SO₂, ни NO₂), выпавший дождь всегда имеет кислую реакцию (как впрочем и дистиллированная вода, контактирующая с воздухом).

Константа равновесия К₁ определяется как

Её величина = 4, 3*10^-7 (K2 ~ 10^-10)

Поскольку , то выражение для K₁ можно записать

Откуда – концентрация H⁺ в дождевой воде.

Концентрация H₂CO₃ по первой равновесной реакции, равновесие которой выражается константой Генри:

– это справочная величина, для CO₂ при 25⁰

моль/л*атм

Откуда

При концентрации CO₂ в атмосферном воздухе 0, 035% (об.) его парциальное давление (0, 035: 100).

Тогда моль/л

моль/л

Откуда

В водной фазе атмосферы протекают также окислительные процессы, в которых большую роль играет H₂O₂, а также органические пероксиды (RHO₂) и перкислоты (RCO₃H) – промежуточные продукты окислительных процессов углеводородов (но главные окислитель H₂O₂).

H₂O₂ в атмосфере образуется в результате рекомбинации пероксидных радикалов:

HO₂+HO₂→ O₂+H₂O₂

Пероксид водорода неплохо растворим в воде - в дожде его содержание в среднем около 10^-5 моль/л. В присутствии ионов Fe и Mn (типичные примеси в атмосфере) H₂O₂ может участвовать в жидкофазном окислении расворенного SO₂:

Эта реакция - одна из основных причин выпадения кислотных дождей. На процесс окисления SO₂ в жидкой фазе существенное влияние оказывает рН внутри среды капли, поскольку определяет растворимость SO₂ и соотношение молекулярно и ионной форм. При низких значения рН снижается и растворимость SO₂ и диссоциация H₂SO₃ при увеличении рН равновесие , сдвигается увеличение концентрации . Способствует образованию присутствие в атмосфере оксидов щелочно-земельных металлов (например СаО – компоненты летучей золы выбрасываемых ТЭС)

В водной фазе атмсоферы присутствуют также свободные радикалы – пероксидный HO₂ и гидроксильный OH. Источником OH радикалов в каплях облаков является реакция радикала HO₂ с растворенным в воде озоном:

Эта реакция приводит к разрушению озона в тропосфере при облачности (когда озон растворяется в каплях воды в облаках) разрушение в отсутствии облаков в сочетании с NO_x