Программа учебной дисциплины наименование дисциплины: «Химия атмосферы» по направлению подготовки 021600. 62

1. Цели и задачи освоения дисциплины

Целями освоения дисциплины являются получение знаний о сущности основных химических процессов, происходящих в атмосфере, и их взаимосвязи с погодными и климатическими условиями в настоящем, прошлом и будущем, формирование у студентов 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 причины, их формирующие;

- 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.
2. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина «Химия атмосферы» входит в модуль «Физическая метеорология и химия атмосферы» профессионального цикла вариативной части ООП. Она изучается на 2 курсе в 4 семестре.

Логическая и содержательно-методическая взаимосвязь дисциплины «Химия атмосферы» с другими частями ООП определяется совокупностью общепрофессиональных компетенций, получаемых студентами в результате ее освоения.

Изучение дисциплины базируется на предварительном усвоении студентами материала основных метеорологических дисциплин: «Основы климатологии и метеорологии». «Физическая метеорология», «Динамическая метеорология», а также «Химия», «Физика», «Высшая математика», «Теория вероятностей и математическая статистика».

Изучение данной дисциплины необходимо для освоения последующих дисциплин: «Гидрометеорологические основы охраны атмосферы», «Климатология», «Теория климата», а также дисциплин направления «Экологическая климатология».
3. Требования к результатам освоения дисциплины

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

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.
  

4. Структура и содержание дисциплины
4.1. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 72 академических часа (2 з.е.)

Аудиторная нагрузка - 39 ч., из них 26 ч. – лекции, 13 ч. – семинары, 33 ч. – самостоятельная работа студентов.

№ п/п	Раздел (тема) дисциплины	Семестр	Неделя семестра	Виды учебной работы, включая СРС и трудоемкость (в часах)			Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) Форма промежуточной аттестации (по семестрам)
				лекция	семи нар	СРС
1	Вводные термины и понятия.	4	1	2	1	1	Устный опрос
2	Модели атмосферной химии.	4	2 - 3	4	2	6	Контрольная работа
3	Перенос примесей в атмосфере, их газофазное и фотохимическое преобразование.	4	4	2	1	3	Устный опрос
4	Химические процессы в жидкой фазе.	4	5 - 6	4	2	5	Устный опрос
5	Атмосферные аэрозоли.	4	7	2	1	3	Устный опрос
6	Малые газовые примеси в атмосфере. Общая характеристика.	4	8	2	1	3	Контрольная работа
7	Соединения кислорода в атмосфере.	4	9	2	1	3	Устный опрос
8	Соединения серы в атмосфере.	4	10	2	1	3	Устный опрос
9	Соединения углерода в атмосфере.	4	11	2	1	3	Устный опрос
10	Изотопный состав атмосферы.	4	12-13	4	2	3	Устный опрос
	Итого			26	13	33	экзамен

4.2. Содержание дисциплины

Раздел 1. Вводные термины и понятия

Роль основных газовых и аэрозольных составляющих атмосферы, их физико-химических превращений в понимании важнейших геофизических процессах, в том числе в формировании погодного и климатического режимов. Обзор развития и современное состояние химии атмосферы. Единицы определения концентрации вещества в атмосфере. Химическое равновесие. Динамическое равновесие. Состав атмосферы Земли. Основные компоненты и малые газовые составляющие. Формирование атмосферы Земли, роль дегазации мантии и фотохимических процессов.
Раздел 2. Модели атмосферной химии

Процессы, контролирующие концентрацию вещества в атмосфере. Основные понятия концепции резервуарных и траекторных моделей, модели Эйлера и Лагранжа. Источники атмосферного вещества, резервуары, время пребывания и стоки примесей в атмосфере. Уравнение баланса массы. Обмен вещества между различными резервуарами атмосферы.
Раздел 3. Перенос примесей в атмосфере, их газофазное и фотохимическое преобразование

Глобальный перенос. Турбулентная диффузия. Молекулярная диффузия. Роль зональной и меридиональной циркуляции. Механизмы обмена вещества между различными атмосферными резервуарами. Общие особенности газофазного и фотохимического преобразования вещества в атмосфере.
Раздел 4. Химические процессы в жидкой фазе

Источники примесей в облаках и осадках. Жидкофазные реакции. Внутриоблачное и подоблачное вымывание веществ из атмосферы. Растворение газов в каплях. Закон Генри. Ионизация газов в растворах. Окисление оксидов серы и азота в жидких растворах. Кислотность осадков. Состав атмосферных осадков континентального и морского происхождения. Различия химического состава осадков в фоновых и индустриальных районах. Химические процессы внутри капель. Влияние фотохимических процессов на возникновение радикалов в облачной среде.
Раздел 5. Атмосферные аэрозоли

Аэрозоли, их источники. Первичные и вторичные частицы. Распределение аэрозолей по размерам. Химический состав аэрозолей. Физическая трансформация аэрозолей (коагуляция, гигроскопический рост). Химическая трансформация аэрозолей. Изменений размеров аэрозолей, имеющих в составе растворимые вещества. Стоки аэрозолей (сухое осаждение, влажное выведение, влажное осаждение). Влияние аэрозолей на климат.
Раздел 6. Малые газовые примеси в атмосфере. Общая характеристика

Метан, формальдегид, гидроксильный радикал. Их источники, время пребывания в атмосфере, стоки, роль в формировании погодного и климатического режимов.
Раздел 7. Соединения кислорода в атмосфере

Кислород, его геохимический бюджет. Атмосферный озон. Географическое распределение. Источники и стоки озона в тропосфере. Озон в стратосфере. Каталитические циклы с NOx, HOx, ClOx, их раздельный и суммарный эффект. Влияние озона на погоду и климат.
Раздел 8. Соединения серы в атмосфере

Серные соединения в атмосфере. Географическое распределение. Источники и стоки. Основные резервуары серных соединений и потоки между ними. Глобальный цикл серы. Влияние на погоду и климат.
Раздел 9. Соединения углерода в атмосфере

Углеродные соединения в атмосфере. Географическое распределение. Источники и стоки. Основные резервуары и потоки между ними. Глобальный цикл углерода. Влияние на погоду и климат.
Раздел 10. Изотопный состав атмосферы

Виды радиоактивных изотопов в атмосфере. Единицы измерения радиоактивности. Время полураспада. Источники радиоактивных изотопов в атмосфере. Выведение радиоизотопов и продуктов их распада из атмосферы. Радиоуглерод (14С) атмосфере. Радиоуглеродный метод датировки. Стабильные изотопы в атмосфере. Дейтерий (²Н(D)) и кислород-18 (¹⁸О). Их источники, механизмы формирования и переноса. Связь концентрации ²Н и ¹⁸О с температурой воздуха и количеством осадков. Использование стабильных изотопов в климатических исследованиях.
4.3. Аннотация программы
Дисциплина «Химия атмосферы» предполагает получение знаний о сущности основных химических процессов, происходящих в атмосфере, и их взаимосвязи с погодными и климатическими условиями в настоящем, прошлом и будущем, формирование у студентов экологического мышления.

В разделах дисциплины рассматриваются следующие основные вопросы: состав атмосферы Земли и его изменения на протяжении истории планеты; перенос примесей в атмосфере, их газофазное и фотохимическое преобразование; химические процессы в жидкой фазе; атмосферные аэрозоли; малые газовые примеси в атмосфере; изотопный состав атмосферы; пространственно-временные особенности распределения концентрации атмосферных газов и аэрозолей, их влияние на климат Земли; модели атмосферной химии.

По окончании курса студент осваивает теоретические вопросы, касающиеся закономерностей 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. Материал курса рассчитан на получение обучающимся знаний основ моделирования процессов атмосферной химии; овладение навыками расчета количественных оценок составляющих баланса атмосферных газов и аэрозолей с учетом взаимодействия атмосферы с другими компонентами географической оболочки; обретение умения оценивать степень влияния атмосферных газов и аэрозолей на состояние климатической системы; овладение 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.
5. Рекомендуемые образовательные технологии

В процессе преподавания дисциплины «Химия атмосферы» применяются следующие виды образовательных технологий: развивающее и проблемное обучение. При чтении данного курса применяются такие виды лекций, как вводная, обзорная, проблемная, лекция-визуализация. Курс лекций должен быть обеспечен демонстрационным материалом в мультимедийном виде.

6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.

Примерные темы рефератов для самостоятельной работы студентов

1. Основные концепции эволюции химического состава атмосферы земли.

2. Резервуарные модели атмосферы в задачах атмосферной химии. Методы Эйлера и Лагранжа.

3. Учет химических процессов в моделях общей циркуляции атмосферы и океана.

4. Пространственно-временные особенности распределения кислотности атмосферных осадков по земному шару.

5. Роль атмосферных малых газовых примесей в химических процессах, их климатообразующая роль.

6. Влияние океана на химический состав атмосферы.

7. Окислительные свойства тропосферы.

8. Озон и загрязнение воздуха.

9. Кислотные дожди.

10. Парниковый эффект атмосферы.

11. Роль изотопных исследований в понимании атмосферных процессов.

Перечень контрольных вопросов и заданий

1. Вычислить отношение смеси вещества на заданной высоте, если известна его количественная концентрация, а также температура воздуха и атмосферное давление.

2. С выбросами предприятия в атмосферу поступает газообразная примесь Х с постоянной скоростью Е, кг/сек, с момента времени t=0. Выведение вещества Х из атмосферы происходит за счет химических превращений в реакции первого порядка с константой скорости реакции k, 1/сек. В начальный момент времени m(0)=0.

а) Пусть m – масса вещества Х в воздухе, поступающего за счет эмиссии. Напишите уравнение для m(t). Нарисуйте результат. Чему будет равна масса m_¥ при установившемся, равновесном процессе?

б) Покажите, что время жизни вещества Х в атмосфере составляет τ=1/k. Как будет выглядеть отношение m(t)/ m_¥ в момент времени t=τ? В момент t=3τ ?

в) В случае прекращения выброса вещества Х в атмосферу сколько времени потребуется, чтобы m уменьшилось с равновесной массы m_¥ до 5% от величины m_¥ ?

3. Представим нижнюю атмосферу над Европейской территорией России (ЕТР) в виде хорошо перемешиваемого резервуара, протяженностью с запада на восток 3000 км. Через ЕТР западный ветер дует со средней скоростью 10 м/с.

а) Вычислите время пребывания τ_out (сут) частицы в воздухе над ЕТР.

б) Пусть некоторое вещество Х выбрасывается в атмосферу над ЕТР и имеет время жизни по отношению к выведению путем химических реакций τ_chem. Рассчитайте, какая часть f вещества Х будет транпортирована за пределы ЕТР как функцию соотношения τ_out / τ_chem . Нарисуйте результат.

4. При меридиональном переносе примесей в тропосфере какой механизм (крупномасштабный или турбулентный) является наиболее эффективным?

При каком переносе будет эффективным второй процесс?

5. Где на земном шаре проникновение воздуха из южного полушария в северное в тропосфере происходит наиболее далеко? Почему? Как называется этот процесс в общей циркуляции атмосферы?

6. Если в облачной капле, где присутствует слабая муравьиная кислота,

НСООН ® Н⁺ + СООН^–

начнет растворяться оксид серы и ионизироваться в растворе, что произойдет с концентрацией ионов СООН– ? Почему?

7. Что такое константа Генри? Почему основная жизнь в Мировом океане сосредоточена в высоких широтах?

8. Назовите основной механизм внутриоблачного вымывания: а) для аэрозолей; б) для газов.

9. Присутствие каких ионов в воде облаков и осадков свидетельствует о морском влиянии? О континентальном влиянии?

10. При одновременном выпадении крупных и мелких капель дождя в каких из них концентрация примесей будет больше? Почему?

11. Почему в химически чистой (дистиллированной) воде присутствуют ионы Н+?

12. Первичных или вторичных аэрозолей больше в стратосфере? Почему?

13. Почему в добиотической атмосфере максимум концентрации кислорода располагался не у земной поверхности, как сейчас, а на высотах в несколько десятков км?

14. Если фотохимическое время жизни одной атмосферной примеси составляет 1 сут, а второй – 10 сут, какая из примесей будет иметь более равномерное горизонтальное распределение в глобальной атмосфере? Почему?

15. Почему биосфера не является основным контролирующим звеном в биогеохимическом цикле кислорода?

16. К уменьшению или увеличению содержания атмосферного СО₂ может привести рост кораллов? Почему?

17. Какие основные процессы контролируют биогеохимический цикл азота? Серы?

18. Какие процессы определяют содержание озона в тропосфере? В стратосфере?
Примерный перечень вопросов к экзамену

1. Как соотносятся между собой различные единицы концентрации вещества в атмосфере?

2. Что такое химическое равновесие?

3. Что такое динамическое равновесие?

4. Как происходила эволюция состава атмосферного воздуха на протяжении истории формирования земли? Современный состав атмосферы.

5. Как состав атмосферного воздуха влияет на структуру вертикального термического профиля атмосферы?

6. Почему на верхней границе атмосферы происходит убегание газов?

7. Какова роль крупномасштабных движений воздуха и турбулентной диффузии в процессах зонального и меридионального переноса примесей.

8. Назвать механизмы и скорости обмена веществом между различными резервуарами атмосферы.

9. Какие основные процессы контролируют концентрацию вещества в атмосфере?

10. Что такое время жизни/пребывания вещества в атмосфере?

11. Как определяется относительная важность и время жизни вещества по отношению к отдельным стокам?

12. Уравнение баланса массы в концепции резервуарных моделей.

13. В чем состоит разница понятий «время выведения» и «время полураспада»?

14. Уравнение баланса массы в концепции траекторных моделей.

15. Назовите основные механизмы внутриоблачного и подоблачного вымывания аэрозолей и газов

16. Какие основные процессы определяют кислотность водных растворов в атмосфере?

17. В чем заключается различие химического состава облаков и осадков континентального и морского происхождения? Определяющие факторы, изменение во времени.

18. Классификация аэрозолей в зависимости от их источников. Первичные и вторичные аэрозоли.

19. В чем заключается физическая и химическая трансформация аэрозолей

20. Как аэрозоли влияют на климат?

21. Кислород в атмосфере – источники, формы существования, стоки, влияние на климат.

22. Основные реакции водородных соединений в атмосфере и их влияние на климат Земли.

23. Основные реакции азотных соединений в атмосфере и их влияние на климат Земли.

24. Каковы основные источники и стоки тропосферного озона? От чего зависит его вертикальное и географическое распределение. Каково его влияние на климат?

25. Фотохимический смог – основные механизмы и условия его формирования, основные химические процессы в фотохимическом смоге.

26. Назовите основные источники формирования стратосферного озона.

27. Какое влияние на климат Земли оказывает стратосферный озон?

28. Назовите основные особенности глобального цикла серы. Какое влияние на климат оказывают серные соединения?

29. Назовите основные особенности глобального цикла азота. Какое влияние на климат оказывают азотные соединения?

30. Каковы источники естественной и искусственной радиоактивности атмосферы?

31. Каким образом данные по радиоактивным изотопам используются в исследованиях атмосферы?

32. Каковы источники стабильных изотопов водорода и кислорода в атмосфере?

33. Как используются данные об изотопном содержании атмосферной влаги в климатических исследованиях?
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

Литература

а) основная

Прибылов К.П., Савельев В.П., Латыпов З.М. Основы химии атмосферы.  Казань.: Изд-во «ДАС»., 2001. 212 с.

Суркова Г.В. Химия атмосферы. М.: Изд-во МГУ, 2002. 210 с.
б) дополнительная

Атмосфера. Справочник. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 512 с.

Бгатов В.И. История кислорода земной атмосферы. – М.: Недра, 1985. – 87 с.

Богдановский Г.А. Химическая экология. М.: Изд-во МГУ, 1994. 240 с.

Бримблкумб П. Состав и химия атмосферы. М., Мир. 1988.

Будыко М.И. и др. История атмосферы Земли. Л: Гидрометеоиздат, 1985. – 208 с.

Бютнер Э.К. Планетарный газообмен О₂ и СО₂. – Л.: Гидрометеоиздат, 1986. – 238 с.

Васильчук Ю.К. Изотопно-кислородный состав подземных льдов.  М., 1992 (том 1, гл. 3).

Дегтерев А.Х. и др. Экология потепления. – М.: Гидрометеоиздат, 1986. – 75 с.

Израэль Ю.А. Радиоактивные выпадения после ядерных взрывов и аварий. – С.–Пб.: Прогресс–погода. 1996. 356 с.

Исидоров В.А. Органическая химия атмосферы. – Л.: Химия, 1985. – 264 с.

Кислотные дожди. / Ю.А.Израэль и др., Л.: Гидрометеоиздат, 1989, 269 с.

Климат, погода, экология Москвы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1995. 440 с.

Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И. Парниковый эффект атмосферы и климат. – М.: ВИНИТИ, 1984. – 262 с.

Кароль И.Л., Розанов В.В., Тимофеев Ю.М. Газовые примеси в атмосфере. – Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 192 с.

Николаев С.Д. Изотопный состав кислорода атмосферных осадков Русской равнины в ледниковое время // ДАН СССР. 1988. Т. 298. N 2. С. 450–453.

Совга Е.Е. Загрязняющие вещества в атмосфере и их свойства в природной среде. Севастополь. 2005. 238 с.

Холленд Х.Д. Химическая эволюция океанов и атмосферы. – М.: Мир, 1989. – 551 с.

Austin J., P. Brimblecombe, W.Sturges (Eds.), Air Pollution Science for the 21st Century, Elsevier. 2003.

Brimblecombe P. Air Composition and Chemistry. Cambridge University Press. 1986/1996

Graedel T E., P J. Crutzen. Atmospheric change: an earth system perspective. W.H. Freeman, 1997. 446 p.

Jacob D.J. Introduction to Atmospheric Chemistry. Princeton University Press, 1999. 270 p.

Seinfeld J.H., Pandis S.N. Atmospheric chemistry and physics. – John Wiley & sons, inc.1998.1328 с.

Warneck P. Chemistry of the natural atmosphere. – Academic Press inc. 1988. – 700 с.
Программное обеспечение и Интернет-ресурсы

Интернет-ресурсы

Название	Адрес
Главная геофизическая обсерватория имени А.И.Воейкова	http://voeikovmgo.ru
ГПУ «Мосэкомониторинг»	http://www.mosecom.ru
Европейское агентство по окружающей среде	http://www.eea.europa.eu
Информационно-аналитический центр по углекислому газу (CDIAC)	http://cdiac.ornl.gov
Международное агентство по атомной энергии (IAEA)	http://www.iaea.org
Международный центр распределения данных Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC)	http://www.ipcc-data.org
Министерство природных ресурсов и экологии РФ	http://www.mnr.gov.ru
Мировой центр данных по химии атмосферных осадков (WDCPC)	http://wdcpc.org
Спутниковые данные о концентрации озона и концентрации атмосферных примесей	http://ozoneaq.gsfc.nasa.gov

Программное обеспечение

Стандартные программы типа Microsoft Office для редактирования текстов и подготовки электронных презентаций.

8. 
   Материально-техническое обеспечение дисциплины
   

1. 
   Учебная аудитория на 25 мест с мультимедийным проектором.
   
2. 
   Компьютерный класс с доступом в Интернет.
   

Программа составлена в соответствии с требованиями образовательного стандарта МГУ по направлению подготовки 021600.62 «Гидрометеорология».
Программа одобрена на заседании кафедры метеорологии и климатологии

Протокол №___ от ______20__г.

Заведующий кафедрой профессор А.В. Кислов ____________________________

подпись
Разработчик:

Суркова Г.В., доцент, к.г.н., доцент, географический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова
Эксперт:

Заславская М.Б., доцент, к.г.н., доцент, географический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова