Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Превращения серы

Превращение серы из океанов. Происходит двумя различными способами. Основной процесс превращения серы биологическим восстановлением сульфат к сульфиду, процесс, известный как процесс окисления сероводорода и серы, по Виноградскому. Действительно, сульфатное восстановление является самым важным путем для минерализации морского осадочного органического вещества. Во время восстановления сульфата, сера сульфата преобразуется в сульфид:

В случае недостатка сероводорода в воде бактерии окисляют находящуюся в их клетках серу до серной кислоты, которая образует с углекислой известью окружающей воды гипс. Схематически процессы, происходящие при этом, можно представить в виде следующих формул:

В этом процессе окисления сероводорода и серы, по Виноградскому, можно видеть процесс, аналогичный окислению углеводов в клетках других организмов, и, следовательно, процесс, который служит источником необходимой для жизненных явлений энергии.

В результате тектонических процессов, сера может быть отложена как пирит или эвапоритовые минералы. Эти минералы остаются по существу стабильными после отложения сохраняются в осадочных слоях, и эти резервуары составляют основную часть в круговороте серы. В конечном счете, тектоническое движение может поднять осадочные отложения, которые затем подвергаются атмосферному воздействию в земной среде.

При выветривании слоев, сульфатных минералов, эвапоритов происходит растворение, сульфата в воде. Сульфат в морских карбонатных породах также высвобождается в воду, как известняк. В отличие от этого, пирит практически не растворяется, но неустойчив в присутствии кислорода. При выветривании, он реагирует, чтобы потреблять кислород и производить сульфат:

Эта реакция является важным стоком атмосферного кислорода. Наряду с окислением органического вещества отложений в процессе выветривания, она контролирует содержание кислорода в атмосфере.

Если соединения серы находятся в атмосфере в течение достаточно длительного времени, то под действием содержащихся в воздухе окислителей они превращаются в серную кислоту или сульфаты.

В атмосфере рассмотрим в первую очередь наиболее значительное вещество ¾ двуокись серы. Реакции двуокиси серы могут протекать как в гомогенной среде, так и в гомогенной. Одной из гомогенных реакций является взаимодействие молекулы двуокиси серы с фотоном в видимой области спектра, относительно близкой к ультрафиолетовой области:

Рисунок 2. Глобальный серный цикл.

В результате этого процесса возникают так называемые активированные молекулы, которые располагают избыточной энергией по сравнению с основным состоянием. Звездочка означает активированное состояние. Активированные молекулы двуокиси серы в отличие от «нормальных» молекул могут вступать в химическое взаимодействие с находящимся в воздухе в довольно больших количествах молекулярным кислородом:

(активированная молекула двуокиси + молекулярный кислород свободный радикал)

(свободный радикал + молекулярный кислород триоксид серы + озон)

Образовавшаяся триоксид серы, взаимодействуя с атмосферной водой, очень быстро превращается в серную кислоту, поэтому при обычных атмосферных условиях триокись серы не содержится в воздухе в значительных количествах. В гомогенной среде двуокись серы может вступить во взаимодействие с атомарным кислородом, также с образованием триокиси серы:

(двуокись серы + атомарный кислород триокись серы)

Эта реакция протекает в тех средах, где имеется относительно высокое содержание двуокиси азота, которая также под действием света выделяет атомарный кислород.

В последние годы было установлено, что описанные выше механизмы превращения двуокиси серы в атмосфере не имеют превалирующего значения, так как реакции протекают главным образом при участии свободных радикалов. Свободные радикалы, возникающие при фотохимических процессах, содержат непарный электрон, благодаря чему они обладают повышенной реакционной способностью. Одна из таких реакций протекает следующим образом:

(двуокись серы +радикал гидроксила свободный радикал)

(свободный радикал + радикал гидроксила серная кислота)

В результате реакции образуются молекулы серной кислоты, которые в воздухе или на поверхности аэрозольных частиц быстро конденсируются.

Превращение двуокиси серы может осуществляться и в гетерогенной среде. Под гетерогенным превращением мы понимаем химическую реакцию, которая происходит не в газовой фазе, а в каплях или на поверхности частиц, находящихся в атмосфере.

Кроме двуокиси серы в атмосфере можно обнаружить значительное количество других природных соединений серы, которые, в конечном счете, окисляются до серной кислоты. В их превращении важную роль играют образовавшиеся фотохимическим путем свободные радикалы и атомы. Конечные продукты играют определенную роль в антропогенной кислотной седиментации.

Значение аэрозолей в регулировании климата можно раз­делить на два типа: прямое и косвенное. При прямом влиянии частицы поглощают и рассеивают обратно в космос энергию, поступающую от солнца. Это приводит к охлаждению атмосфе­ры, поскольку солнечное излучение, которое при отсутствии аэрозолей нагрело бы воздух, теперь частично поглощается час­тицами или отражается вверх от атмосферы.

Величину этого воздействия оценить трудно, поскольку оно зависит не только от общей массы аэрозолей, заполняющих атмосферу, но также от химического состава и распределения частиц по размерам. Однако эффект может оказаться существен­ным, если принять во внимание изменения климата, вызванные потреблением ископаемых топлив человеком.

Во-первых, прямое влияние аэрозолей на усиление радиации в целом меньше, чем от парниковых газов, но ни в коем случае не несущественно. Во-вторых, знак их вклада противоположен действию парниковых газов, и таким образом, влияние от увели­чения количества аэрозолей заключается в снижении до некото­рой степени эффекта потепления от СО₂ и ему подобных газов. В-третьих, пространственное распределение радиации, связан­ной с антропогенными аэрозолями, очень неоднородно по срав­нению с таковым парниковых газов. Причиной этого последне­го явления служат очень разные времена пребывания в атмосфе­ре (обычно несколько дней) SO^2-₄ и других частиц по сравнению с главными парниковыми газами, которые остаются в атмосфере в течение периодов времени, измеряемых годами.

Перейдем теперь к косвенному влиянию аэрозолей на кли­мат, которое заключается в том, что частицы ведут себя как ядра, на которых образуются капельки облаков. В областях, удаленных от суши, числовая плотность частиц SO^2-₄ является важным опре­деляющим фактором объема и типа облаков. В отличие от этого, над сушей в общем присутствует множество частиц пересваемой почвенной пыли, на которых могут образовываться облака, и эффект от остальных источников снижается, поскольку облака отражают солнечную радиацию обратно в космос и их потенци­альная связь с климатом ясна. Влияние аэрозолей, вероятно, ощущается больше всего над океанами вдали от суши и в покры­тых снегом областях Антарктиды, поскольку здесь влияние час­тиц почвенного происхождения самое слабое. В таких областях основным источником аэрозолей служит механизм образования частиц SO^2-₄ из ДМС (рис 3). Таким образом, морской фитопланктон служит не только основным источником кислот­ности, но также создает основной источник ядер конденсации облаков (ЯКО) и поэтому играет важную роль в управлении облачностью и, следовательно, климатом.

Рисунок 3. Диметилсульфид – климатический цикл

Концепция, проиллюстрированная на рис. 3, была предло­жена несколько лет назад, и одна из групп исследователей, пред­ложивших ее, пошла дальше и предположила, что планктон на самом деле играет роль в регулировании климата, а не в воздей­ствии на него. Идея заключается в том, что если произошли из­менения в температуре атмосферы (например, вследствие изме­нения в уровнях СO₂ или получаемой солнечной радиации), то продуцирующий ДМС фитопланктон может откликнуться таким образом, чтобы уменьшить это изменение. Например, если тем­пература воздуха возросла, то произошедшее в результате потеп­ление поверхностных вод приведет к увеличению продукции ДМС фитопланктоном. В свою очередь, это увеличит поток ДМС через поверхность моря, и возрастет количество ЯКО в атмосфе­ре. В результате повышенная облачность будет способствовать охлаждению атмосферы, таким образом, противодействуя потеп­лению, которое инициировало цикл. Процесс будет работать про­тивоположно начальному охлаждению. Если это справедливо, из такой петли обратной связи вытекает, что морской фитопланктон способен до некоторой степени регулировать, по меньшей мере, температуру атмосферы, и таким образом, климат Земли.

Идея была проверена исследованием кернов льда из Антарк­тиды на содержание в них продуктов атмосферного окисления ДМС (МСК и нмс- SO^2-₄) в течение последнего цикла оледенения. Результаты, пока­занные на рис. 4, ясно говорят о том, что и МСК и нмс- SO^2-₄ ^- Присутствовали в более высоких концентрациях в течение по­следнего оледенения, чем после отступания ледников около 13 000 лет назад. Это противоположно тому, что ожидалось, если бы продукция ДМС планктоном снижала любые температурные изменения. Несмотря на то, что эти результаты не подтверждают идею о регулировании климата планктоном, в настоящее время широко принято, что без ЯКО, образующихся из ДМС, облач­ность и, следовательно, климат большей части земного шара, были бы существенно иными как теперь, так и в прошлом.

Рисунок 4. Летопись концентрации МСК