Химия атмосферы

ХИМИЯ 

АТМОСФЕРЫ

Г.В. СУРКОВА

Под редакцией доктора геолого-минералогических наук, 
профессора, действительного члена Российской академии 

естественных наук Ю.К. Васильчука

Москва
ИНФРА-М

2021

УЧЕБНИК

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 

профессионального образования в качестве учебника 

для студентов высших учебных заведений, обучающихся

по укрупненной группе направлений подготовки 05.03.00 «Науки о Земле» 

(квалификация (степень) «бакалавр») (протокол № 11 от 09.11.2020)

УДК 504.31(075.8)
ББК 26.23я73
 
С90

Суркова Г.В.
С90  
Химия атмосферы : учебник / Г.В. Суркова ; под ред. Ю.К. Васильчука. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 214 с. — (Высшее образование: 
Бакалавриат). — DOI 10.12737/1079840.

ISBN 978-5-16-016060-3 (print)
ISBN 978-5-16-104602-9 (online)
В учебнике изложен материал, соответствующий курсу лекций по химии 
атмосферы, подготовленному для студентов, обучающихся метеорологии 
и климатологии. Даны основные понятия химии атмосферы, рассмотрены 
ее газообразные компоненты, а также аэрозоли и связанные с их жизненными циклами химические процессы, важные с точки зрения формирования радиационного, температурного и динамического режима атмосферы, 
а также ее загрязнения. Представлены основные закономерности переноса примесей в атмосфере и роль в этом процессов различного пространственного и временного масштаба. Изложена концепция подходов разной 
степени сложности, используемых для моделирования переноса вещества 
в атмосфере с учетом его химических преобразований. Описаны процессы 
в газообразной и жидкой фазе, влияющие на химический состав и кислотность облаков и осадков. Рассмотрены современные методы использования 
информации о концентрации и состоянии химических соединений, в том 
числе их радиоактивных и стабильных изотопов, для получения сведений 
о метеорологическом режиме атмосферы в настоящем и прошлом.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Гидрометеорология».

УДК 504.31(075.8)
ББК 26.23я73

Р е ц е н з е н т ы:
А.В. Кислов, доктор географических наук, профессор, заведующий 
кафедрой метеорологии и климатологии географического факультета 
Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, действительный член Российской академии естественных наук;
В.М. Степаненко, доктор физико-математических наук, заместитель директора Научно-исследовательского вычислительного центра 
Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

ISBN 978-5-16-016060-3 (print)
ISBN 978-5-16-104602-9 (online)
© Суркова Г.В., 2021

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВГА — верхняя граница атмосферы
ГФХУ — гидрофторхлоруглероды
МГС — малые газовые составляющие
МГЭИК — Межправительственная группа экспертов по изменению климата
НУ — нормальные условия
ПП — первичная продуктивность
ППС — планетарный пограничный слой
ПСО — полярные стратосферные облака
РВ — радиационное воздействие
УФ — ультрафиолетовый
УФР — ультрафиолетовая радиация
ХТМ — химическая транспортная модель
ХФУ — хлорфторуглероды

ПРЕДИСЛОВИЕ

В последние десятилетия на фоне наблюдаемых изменений, происходящих в климатической системе, резко возрос интерес к химии 
атмосферного воздуха. От химического состава атмосферы во многом 
зависят ее радиационный баланс, условия формирования облачности 
и ее свойства, освещенность, температурный режим и в конечном 
итоге циркуляция атмосферы. Потоки вещества между атмосферой 
и другими компонентами климатической системы (биосферой, гидросферой, криосферой, литосферой и т.д.) влияют на состояние 
этих элементов географической оболочки и на процессы, происходящие в них. Возрастание антропогенного влияния на химический 
состав атмосферы нарушает баланс естественных процессов, приводя 
к их перестройке. Загрязнение окружающей среды создает дискомфортные условия для всех организмов, в том числе и человека.
В настоящем учебнике рассматриваются состав атмосферы и химические процессы, влияющие на общее состояние климатической 
системы. Изучение дисциплины предполагает знакомство студентов с такими предметами, как климатология с основами метеорологии, физическая метеорология, динамическая метеорология, 
химия, физика, высшая математика.
Цель освоения дисциплины — получение знаний о сущности основных химических процессов, происходящих в атмосфере, и их взаимосвязи с погодными и климатическими условиями в настоящем, 
прошлом и будущем, формирование экологического мышления.
Задачи освоения дисциплины:
 
• получить представление об основных естественных источниках 
и стоках атмосферных газов и аэрозолей;
 
• понять и усвоить пространственно-временные закономерности 
распределения атмосферных газов и аэрозолей и формирующие 
их причины;
 
• изучить основные процессы физической и химической трансформации атмосферных газов и аэрозолей на разных этапах 
биогеохимических циклов;
 
• получить представление о современных моделях атмосферной 
химии и их применении в метеорологии и климатологии.
В результате освоения дисциплин модуля обучающийся будет:
знать
 
• закономерности функционирования атмосферы как системы, 
в которой действуют обратные связи между состоянием погоды, 

климата, общей циркуляции атмосферы с одной стороны и содержанием естественных и антропогенных компонентов в составе атмосферного воздуха с другой;
 
• основные концепции зависимости радиационного и циркуляционного режима атмосферы от ее состава;
 
• пространственно-временные закономерности формирования, 
функционирования и развития источников и стоков атмосферных компонентов;
 
• свойства атмосферных газов и аэрозолей, влияющих на климатическую систему, экологическую безопасность и здоровье человека;
уметь
 
• рассчитывать составляющие баланса атмосферных газов и аэрозолей с учетом взаимодействия атмосферы с другими компонентами географической оболочки;
 
• оценивать степень влияния атмосферных газов и аэрозолей 
на состояние климатической системы;
владеть
 
• основами теории атмосферной химии;
 
• методами обработки первичных данных о концентрации атмосферных газов и аэрозолей с учетом конкретных задач;
 
• методами оценки баланса примесей в атмосфере;
 
• методами количественной оценки влияния атмосферных газов 
и аэрозолей на климатическую систему.

ВВЕДЕНИЕ

Химический состав атмосферы определяет многие ее свойства 
и наряду с другими факторами оказывает влияние на состояние 
климатической системы и формирует уникальные климатические 
особенности Земли. Способность атмосферы отражать, пропускать, 
поглощать и переизлучать солнечную энергию в разных участках 
спектра с различной интенсивностью зависит от ее химического состава. Изменения состава являются не единственной, но значимой 
причиной изменений климатического режима, а также одним 
из факторов комфортности окружающей среды с точки зрения загрязнения воздуха.
Баланс вещества в атмосфере — результат совокупного влияния 
динамических, радиационных и химических процессов, происходящих как в самой атмосфере, так и при ее взаимодействии 
с другими компонентами климатической системы. В зависимости 
от высоты над земной поверхностью изменяется значимость этих 
процессов в цикле преобразований химических веществ. В нижних 
слоях атмосферы большую роль играют динамические процессы — 
общая циркуляция атмосферы. С высотой возрастает интенсивность солнечной радиации, что увеличивает роль фотохимических 
процессов в образовании и разрушении соединений.
Атмосфера Земли на 99,9% состоит из молекулярного азота, 
аргона и кислорода. Но несмотря на малые концентрации других 
веществ в атмосфере, некоторые из них также играют важную роль 
в формировании климатического режима. Влияние химического 
состава атмосферы на климат может быть прямым и косвенным. 
Прямое влияние заключается в том, что оптические свойства атмосферы, а следовательно, и бюджет тепла климатической системы 
во многом определены ее химическим составом. Например, водяной 
пар, углекислый газ, метан, тропосферный O3 и другие вещества, 
так называемые парниковые газы, поглощают уходящую от земной 
поверхности длинноволновую радиацию, способствуя повышению 
температуры в тропосфере и охлаждению стратосферы.
Косвенное влияние подразумевает химические преобразования 
в атмосфере, приводящие к изменению концентраций оптически 
активных соединений, от которых зависит радиационно-тепловой 
баланс. Так, угарный газ, оксиды азота и летучие органические соединения влияют на концентрацию тропосферного и стратосферного озона. Уменьшение концентрации озона вызывает понижение 

температуры в стратосфере и способствует возрастанию количества 
проникающей к поверхности ультрафиолетовой (УФ) радиации. 
Рост количества атмосферного аэрозоля затрудняет прохождение 
солнечной радиации через атмосферу как напрямую, т.е. путем 
увеличения рассеяния радиации при ясном небе, так и косвенным 
образом, а именно за счет увеличения отражательной способности 
и времени жизни облаков.
Сжигание горючих ископаемых, сельскохозяйственная деятельность, автотранспорт, лесные пожары и вырубка леса нарушают 
сложившийся природный баланс вещества. Примером является 
драматический рост концентрации в атмосфере парниковых газов 
(СН4, СО2, О3, N2O и др.), которые активно поглощают уходящую 
от поверхности Земли длинноволновую радиацию. Анализ концентраций СО2 и СН4 в пузырьках воздуха, извлеченных из ледниковых кернов, показывает, что последние 10 тыс. лет (в течение 
голоцена) они оставались практически неизменными — соответственно 260 и 0,7 млн–1 по объему. В последние 300 лет их содержание быстро увеличивалось. В настоящее время содержание СО2 
превышает 400 млн–1, концентрация метана достигла и превысила 
1,8 млн–1 по объему. До начала промышленного выпуска фреонов естественное содержание хлоринов в атмосфере составляло 
0,6 млрд–1, теперь — 1 млрд–1 и более по объему.
Для описания влияния атмосферных газов и аэрозолей на радиационный бюджет системы «Земля — атмосфера» используется понятие «радиационное воздействие» (РВ) (от англ. radiative forcing). 
Согласно определению Межправительственной группы экспертов 
по изменению климата (МГЭИК) под радиационным воздействием следует понимать изменение радиационного баланса (разница нисходящего и восходящего потоков радиации) на верхней 
границе атмосферы (ВГА) в условиях радиационно-динамического 
равновесия под воздействием конкретного климатообразующего 
фактора, например, изменения концентрации СО2 или других оптически активных газов; отдельно рассматриваются вещества антропогенного происхождения. В оценочных докладах МГЭИК современное радиационное воздействие сравнивается с показателями 
1750 г. и регулярно уточняется на основе новых данных. Согласно 
Пятому оценочному докладу МГЭИК от 2013 г. радиационный 
форсинг за счет совокупного антропогенного и природного воздействия вырос с 0,57 Вт/м2 в 1950 г. до 2,29 Вт/м2 в 2011 г. Вклад 
конкретных газов и аэрозолей в этот эффект показан в табл. В.1.
Химические элементы циркулируют по характерным путям 
из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Эти 

пути называют биогеохимическими циклами. В рамках полного глобального цикла происходит обмен элементов между биосферой, 
гидросферой, литосферой и атмосферой, которые рассматривают 
как четыре главных резервуара пребывания элементов на разных 
стадиях цикла.

Таблица В.1

Оценка радиационного воздействия атмосферных газов и аэрозолей

Выбрасываемые соединения
Результирующие 
атмосферные факторы

Радиационное воздействие, 
Вт/м2

Антропогенные

Хорошо 
перемешанные 
в атмосфере парниковые 
газы

СО2
СО2
+1,68

СН4
СО2, Н2О, О3, СН4
+0,97

Галоидоуглеводороды
О3, ХФУ, ГФХУ
+0,18

N2O
N2O
+0,17

Короткоживущие 
газы 
и аэро золи

CO
СО2, О3, СН4
+0,23

НМЛОС
СО2, О3, СН4
+0,10

NOx
Нитрат, О3, СН4
–0,15

Аэрозоли и предшественники (минеральная пыль, 
SO2, NO3, органический и технический углерод) 

Минеральная пыль, 
сульфаты, нитрат, 
органический и технический углерод

–0,27

Воздействие аэрозолей на облака
–0,55

Изменение альбедо в результате землепользования
–0.15

Естественные

Изменение солнечной радиации
+0.05

Скорости перемещения элементов внутри разных резервуаров 
и скорости обмена между резервуарами различаются. В связи 
с этим различается и время пребывания элемента в том или ином 
резервуаре. Для многих элементов наименьшее время пребывания 
характерно для атмосферы.
Литосфера — наиболее инертный резервуар. Время полного 
цикла определяется самой медленной стадией цикла. Например, 
полный цикл обмена углерода между литосферой и атмосферой 

может составлять тысячи и миллионы лет. Такой медленный 
обмен определяется временем пребывания в литосфере — оно 
больше (тысячи и миллионы лет) и поэтому контролирует скорость обмена на этом масштабе времени. Однако неоднократный 
переход углерода из атмосферы в биосферу и обратно в процессе 
дыхания и фотосинтеза может происходить в течение сезона. Хотя 
если с останками животных или растений углерод в составе органических соединений попадает в гумус, он может оставаться там 
десятки и сотни лет.
В зависимости от скорости перехода элементов между различными резервуарами различают медленные и быстрые части глобального цикла. На коротких отрезках времени быстрые циклы 
могут рассматриваться самостоятельно, отдельно от медленных. 
Атмосфера может представляться как самостоятельный резервуар, 
в котором происходит сравнительно быстрое преобразование веществ. Например, процесс образования и разрушения озона в стратосфере представляет собой замкнутый цикл. В этом случае в качестве резервуара может рассматриваться даже не вся атмосфера, 
а отдельный ее слой — стратосфера, в котором проходят все стадии 
цикла. В других случаях атмосфера является одним из нескольких 
резервуаров, где пребывает вещество на одном из этапов глобального цикла. Это происходит, например, в случае перехода углерода 
между биосферой и атмосферой в процессе фотосинтеза растений.
Учет переноса вещества в атмосфере, его физическая и химическая трансформация важны для детального изучения влияния 
на состояние атмосферы процессов обмена веществом между компонентами климатической системы, формирования синоптического «прогноза химической погоды», а также для исследования 
возможных сценариев климата прошлого и будущего с учетом 
био геохимических циклов в современных моделях климатической 
системы.

Глава 1. 

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СОВРЕМЕННОЙ 

АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ И ИСТОРИЯ 

ЕЕ ФОРМИРОВАНИЯ

1.1. ВВОДНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ

В атмосфере различные вещества существуют в виде молекул, 

атомов, радикалов, ионов или их комплексов. Напомним их краткие 
определения.

Молекула — мельчайшая электронейтральная частица вещества, 

которая обусловливает его физические и химические свойства и состоит из атомов, связанных между собой химическими связями.

Атом — электронейтральная частица, состоящая из положи
тельно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Ионы — заряженные частицы, которые образуются в результате 

отрыва или присоединения дополнительных электронов к атому.

Радикалы — частицы, имеющие один неспаренный электрон 

на внешних орбиталях, что делает их крайне реакционноспособными. Далее в тексте, где необходимо подчеркнуть высокую реакционную способность радикалов, они обозначены с точкой, например, ОН• — радикал гидроксила.

Для определения содержания вещества в атмосфере используют 

различные единицы.

Отношение смеси — это количество (или масса) отдельной суб
станции в данном объеме, отнесенное к общему количеству (массе) 
всех субстанций данного объема. Отношение смеси может быть выражено через моль/моль, кг/кг, г/кг, г/г. При рассмотрении смеси 
газов в общее количество также включается водяной пар, но не 
включаются вещества в твердой и жидкой фазах. В одном моле 
вещества присутствует 6,022 · 1023 молекул (число Авогадро NA), 
т.е. столько же, сколько атомов содержится в 12 г углерода 12С.

Известно, что для идеального газа молярная концентрация M 

в любой точке равна

,
N
p
M
V
RT
=
=
 
 (1.1)

где N — количество молей газа; V — его объем; p — давление; 
Т — температура; R — универсальная газовая постоянная (R = 
= 8,314 Дж/моль · K).