Химические процессы в тропосфере

 

Химия тропосферы качественно отличается от химии стратосферы. Большая часть инжектированных с поверхности Земли газообразных веществ удаляется из воздуха за сравнительно короткое время в ходе фотохимических реакций и за счет разнообразных процессов сухого и влажного захвата и вымывания. Основные химические реакции идут с участием радикалов, среди которых наиболее активным является ОН. Озон образуется в качестве побочного продукта в цепных реакциях разложения углеводородов с участием перекисных радикалов и N0. Относительно инертные в химическом отношении вещества, такие как N20, СН4, Н20, COS и многие фторорганиче-ские соединения, переносятся в значительных количествах в стратосферу.
Была сделана попытка оценить возможные изменения химического состава тропосферы в результате ядерной войны (Crut-zcn, Birks, 1982; Birks, Staehelin, 1985). Масштаб флуктуации оценивался при помощи моделей атмосферы, в которых были учтены реакции между продуктами сгорания и фоновыми составляющими. Сильные изменения структуры атмосферы и климата из-за выбросов дыма наверняка изменят характеристики различных процессов в тропосфере, а именно профиль температуры, скорость вертикального перемешивания, скорости процессии, приводящих к очищению атмосферы. Такие изменения, безусловно, должны учитываться в исследованиях. Процессы, которые определяют химический состав тропосферы при нормальных условиях и достаточно точно описываются современными моделями, в возмущенной атмосфере могут утратить свое значение, в то время как более существенными станут процессы, которые этими моделями описываются неправильно. Например, при выбросах дыма химический состав тропосферы может определяться взаимодействием газообразных веществ с аэрозолями, тогда как при нормальных условиях эти процессы не являются доминирующими (Birks, Staehelin, 1985).
Фотохимическое окисление углеводородов, попавших в атмосферу в ходе пожаров, может при достаточном количестве N0 и достаточной интенсивности солнечного излучения привести к образованию озона. Было показано, что при окислении одной молекулы СО образуется одна молекула озона, а при окислении этана может образовываться до 6 молекул озона (Crutzen, Birks, 1982). В огненных шарах и пожарах образуется огромное количество молекул N0, так что концентрация N0 не может ограничивать образование озона. Кроме того, углеводороды и NO будут сильно перемешаны. Таким образом, при окислении углеводородов за время порядка одной недели в тропосфере может образоваться несколько сотен миллионов тонн озона. Средняя концентрация озона в приземном слое воздуха при нормальных условиях составляет около 5-10-6 об.%; суммарно в тропосфере находится около 400 млн. т озона. Следовательно, существует, по крайней мере в принципе, возможность значительного увеличения концентрации озона в тропосфере над обширными территориями в средних широтах Северного полушария. Для протекания этих реакций, однако, необходима довольно высокая интенсивность солнечного излучения, которая в свою очередь зависит от оптических свойств, пространственного распределения и времени пребывания дыма в атмосфере. Если на протяжении определенного времени в атмосфере сохранится большое количество дыма, то, вероятно, NO и N02 будут участвовать в реакциях, идущих в отсутствие освещения, и выпадут на поверхность вместе с осадками:
NO + 03-->N02 + 02, N02+03-->N03 + 02. N03+N02+M —> N 205+М, N205 + H20 (жидк) —> 2HN03,
HN03—>капли воды в облаках, аэрозоли аэрозоли —► выпадение
Следовательно, после удаления дыма из атмосферы образование озона в фотохимических реакциях маловероятно.
Для аккуратного исследования этой проблемы необходима многомерная модель, правильно описывающая динамику, перенос излучения и гомогенные и гетерогенные химические процессы. В отсутствие такой модели и необходимых для ее создания экспериментальных данных потенциальные эффекты могут быть обрисованы лишь схематически. Подобный анализ был выполнен в работе Пеннер (Penner, 1983). Результаты этой работы показывают, что возможность образования в итоге ядерной войны большого количества озона в тропосфере над значительными территориями следует признать маловероятной. По сравнению с непосредственными последствиями ядерной войны эффекты, связанные с увеличением концентрации озона, будут пренебрежимо малы везде, за исключением ограниченных территорий, где в тропосферу будет выброшено достаточно много химических веществ и в то же время сохранится высокая интенсивность солнечного излучения.
Многие газообразные вещества, как природного происхождения, так и антропогенные, удаляются из атмосферы в результате реакций с гидроксилом (ОН), который образуется в ходе фотохимических процессов. Если атмосфера сильно задымлена, то такие реакции протекать не будут из-за недостаточной интенсивности света. При этом сами частицы дыма могут активно поглощать гидроксил. В таких условиях возможен рост концентрации различных вредных газообразных веществ, которых в нормальной атмосфере содержится очень мало (Birks, Staehelin, 1985). Количественные оценки этого эффекта, однако, отсутствуют; может оказаться, что его роль незначительна. Например, выбросы H2S (сероводорода) над континентами в нормальных условиях примерно эквивалентны загрязнению атмосферы 50 млн. т серы в год. Если такое же количество H2S будет выброшено в атмосферу над средними широтами Северного полушария (1014 м2) и распространится в пределах слоя воздуха толщиной в несколько километров, то в отсутствие вымывания концентрация H2S возрастет за месяц примерно на 10-6 об.%. По сравнению с современным уровнем это довольно много, однако, вероятно, недостаточно много для того, чтобы отрицательное влияние H2S на здоровье людей оказалось сопоставимым с непосредственными последствиями ядерной войны.