Стратосфера

Нижняя атмосфера

Тропосфера

Рис. 5. Положение нижней и верхней атмосферы. Рассеяние легких газов происходит на высоте 1000 км и выше

Поток солнечного излучения с длинами волн 240 – 300 нм проникает до высот 20 – 50 км, где поглощается озоном, вызывая его диссоциацию. Большая часть энергии излучения с длинами волн 200 – 240 и 140 – 170 нм поглощается на высотах 80 – 100 км, вызывая диссоциацию молекул кислорода. Излучение с длиной волны меньше 200 нм (жесткое УФ- и рентгеновское излучение) ионизирует атмосферный воздух, производя первичную ионизацию. Оно служит источником фотоэлектронов, вызывает процессы диссоциации молекул и атомов, разогрев атмосферы и поглощается на высотах, превышающих 100 км.

Со стороны Земли в атмосферу поступают потоки электромагнитного длинноволнового излучения. Они представляют собой преобразованные поверхностью Земли и нижней атмосферой потоки ИК-излучения и излучения в видимой области спектра.

Важным источником энергии в верхней атмосфере является солнечный ветер. Механизмы преобразования солнечного ветра в энергию верхней атмосферы весьма сложны и охватывают цепочку взаимодействий: солнечный ветер – магнитосфера – ионосфера – верхняя атмосфера. Неоднородности приходящей к Земле плазмы солнечного ветра вызывают магнитные бури, полярные сияния, нарушение ионосферной радиосвязи.

На большей высоте (более 1000 км) атмосферные газы рассеиваются и уходят в космическое пространство. Этому способствуют высокие температуры и разрежение. Здесь происходит постепенный переход от атмосферы к межпланетному пространству. Сложное строение этой части атмосферы по вертикали определяется в первую очередь распределением температуры.

Особенность строения атмосферы состоит не только в характере её температурного режима и распределении газового состава.

Есть газы, которые играют решающую роль в поддержании теплового состояния атмосферы и защищают живые организмы от опасного ультрафиолетового излучения, хотя их доля в составе атмосферы ничтожно мала. К ним относятся углекислый газ, метан, озон и пары воды.

Основное количество газов атмосферы составляют азот, кислород, аргон и углекислый газ (табл. 2). Атмосфера содержит также ничтожные количества других газов, часть которых указана в приведенной ниже таблице и, тем не менее, некоторые из них, как мы покажем позже, играют существенную роль в атмосфере и, соответственно, в биосфере Земли.

Т а б л и ц а 2

Химический состав атмосферы*

Газ	Концентрация, , % об.	Газ	Концентрация, , % об.
Азот N2 Кислород O2 Аргон Ar Углекислый газ CO2	78.08 20.96 0.93 0.033	Неон Ne Гелий He Метан CH4 Криптон Kr Водород H2 Озон О3 в тропосфере Озон О3 в стратосфере Оксид азота (I) N2O Оксид углерода (II) CO	0.0018 0.000524 0.00016 0.000114 0.00005 0.000001 0.001  0.0001 0.000001 0.000008
Объемное содержание паров воды: в полярных широтах 0.2 у экватора: 2.6

*) состав газов указан в период 1970 – 1980 гг.

Основным компонентом атмосферы является азот N₂. Прочная тройная связь в молекуле N  N делает азот химически устойчивым веществом. Устойчивость и достаточно высокая относительная молекулярная масса ( = 28) позволили азоту сохраниться в атмосфере и не улетучиться в космическое пространство в отличие от более легких атомов водорода ( = 1) и гелия (М_Не = 4).

Если в состав атмосферы входит молекулярный азот, то в земной коре он встречается в химически связанном состоянии. Химически связанного азота в минералах земной коры достаточно для использования его живыми организмами в метаболических процессах. Молекулярный азот воздуха также может использоваться в метаболических процессах, но только некоторыми растениями, например клевером. На мелких корешках таких растений образуются корневые клубеньки, содержащие бактерии, усваивающие азот прямо из воздуха.

Как компонент атмосферы, снижающий концентрацию кислорода в воздухе, азот замедляет скорость многих окислительно-восстановительных реакций. Не случайно в русских космических кораблях используют смесь кислорода с азотом, а не чистый кислород. Известен случай гибели американских космонавтов в кислородной среде, когда случайная искра вызвала пожар в корабле.

Появление в атмосфере наряду с чистым азотом его химических соединений обусловлено природными явлениями, но большая часть соединений азота попадает в атмосферу в результате техногенных воздействий.

Энергия _i, выделяющаяся при грозовом разряде, вызывает диссоциацию молекул азота и кислорода воздуха:

N₂ + _i = N* + N*.

О₂ + _i = O* + O*,

В результате таких процессов происходит образование сначала оксида азота (II):

N₂ + О* = NО + N*,

N* + О₂ = NО + O*,

где O* и N*  возбужденные атомы азота и кислорода.

В атмосфере оксид азота (II) медленно превращается в оксид азота (IV) путем сложных фотохимических процессов. В упрощенном виде они могут быть представлены реакцией:

NО + 1/2O₂  NO₂.

В двигателях внутреннего сгорания и в топках тепловых электростанций, работающих на каменном угле, мазуте или природном газе, также имеет место высокотемпературное (1500 – 2000⁰ С) превращение составных компонентов воздуха в оксиды азота, т.е. происходят такие же процессы, что и при грозовых разрядах в атмосфере.

Жизнь на планете выбрала окислительную атмосферу и уничтожила восстановительную [8,12]. Современная атмосфера содержит незначительные количества углекислого газа и громадное по сравнению с ним количество кислорода (рис. 6).

О₂ и СО₂

в атмосфере

Выделение

О₂

в атмосферу в результате фотосинтеза

Поглощение

О₂

из атмосферы в результате клеточного дыхания

Выделение

СО₂

в атмосферу

в результате клеточного дыхания, горения

Поглощение

СО₂

из атмосферы

в результате фотосинтеза

Биомасса растений

Рис. 6. «Безотходная» природная технологическая система кругооборота кислорода и оксида углерода (IV), осуществляемая растениями

Фотосинтезирующие организмы (растения) являются регуляторами содержания кислорода и углекислого газа на планете (рис. 6). За счет потока солнечной энергии вращается «колесо жизни»: осуществляются метаболические процессы, поддерживающие метастабильное состояние живых организмов.

Глобальные контуры круговорота веществ свидетельствуют, что существенных изменений кислородного состава атмосферы не происходит.

Кислород является не только окислителем в реакциях, которые служат источником энергии, но и строительным материалом тканей живых организмов, совместно с углекислым газом и другими макроэлементами.

Значительное количество кислорода входит в состав белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот, минеральных веществ. Например, человек состоит примерно на 70% из воды. Вода же в свою очередь на 88,8% состоит из кислорода.

«Легкие» планеты – растения, занимающие территорию суши (леса, травы) и воды Мирового океана (водоросли, фитопланктон), поддерживают концентрацию кислорода постоянной.

Иначе обстоит дело с углекислым газом. На основании анализа пузырьков воздуха, сохранившихся во льдах Гренландии с 1300 г., установлено, что концентрация углекислого газа в атмосфере семь веков тому назад составляла 0,027 об. %.

Однако в настоящее время темпы роста концентрации углекислого газа в атмосфере увеличиваются за счет антропогенных воздействий. Если за 650 лет (с 1300 по 1950 гг.) содержание углекислого газа повысилось примерно на 15% (с 0,027 до 0,031 об.%), то в течение последних 50 лет происходит неуклонное увеличение его концентрации.

Интенсивно сжигается ископаемое топливо (каменный уголь, природный газ), накопленное живой природой в течение сотен миллионов лет. Тепловыми станциями, промышленными предприятиями и транспортом сжигаются продукты переработки нефти (мазут, керосин, бензин, дизельное топливо). Разрушаются почвы, уничтожаются леса. Тем самым создаются условия для выброса в атмосферу техногенного углекислого газа (рис. 7). Но, пожалуй, основным источником углекислого газа являются глубинные воды мирового океана. Это более мощный резервуар растворенного углекислого газа, чем атмосфера.

В глубинных водах океана его в 60 раз больше, чем в атмосфере [15]. Предполагается, что выделение океанического углекислого газа при повышении температуры на планете, может оказаться решающим фактором изменения климата на Земле.

СО₂

О₂

О₂

СО₂

Техногенные процессы

СО₂

О₂

Сжигание ископаемого топлива

Биомасса растений

О₂ и СО₂

в атмосфере

Рис. 7. Нарушение «безотходной» природной технологической системы кругооборота кислорода и оксида углерода (IV) за счет сжигания ископаемого топлива

Метана СН₄ в атмосфере немного. Наряду с углекислым газом и парами воды он создает парниковый эффект, поэтому изменение его концентрации неизбежно сказывается на тепловом балансе атмосферы. За последние 150 лет его концентрация в атмосфере увеличилась почти в два раза.

Парниковый эффект  свойство атмосферы пропускать солнечную радиацию, но задерживать земное излучение и тем самым способствовать аккумуляции тепла Землей.

Источником метана являются природные газовые месторождения, которые интенсивно разрабатываются. Газ транспортируется на громадные расстояния, сжигается в топках электростанций, в газовых горелках бытовых приборов. Потери газа неизбежны при его потреблении. К этому следует добавить увеличение посевных площадей рисовых полей. Такие поля служат причиной увеличения количества метана в атмосфере за счет деятельности метанобразующих бактерий в слое ила.

Инертные газы представлены в атмосфере прежде всего аргоном Ar, а также гелием He и радоном Rn, которые образуются при распаде радиоактивных веществ, содержащихся в земной коре. Аргон образуется при распаде радиоактивного калия в результате захвата ядром одного электрона из окружающей ядро электронной оболочки:

 Ar

Гелий и радон получаются в результате распада ядер урана и тория.

U  He + Th  U  He + Th  Ra Pb

Гелий постепенно улетучивается из атмосферы в космическое пространство. Остальные инертные газы накапливаются в атмосфере.

Количество озона О₃ в атмосфере ничтожно даже по сравнению с водородом (табл. 2). Тем не менее, в стратосфере в результате фотохимических реакций поддерживается его относительно постоянная концентрация. Причиной образования озона в стратосфере является излучение Солнца. На высоте 30 – 50 км УФ-излучение ( = 240 нм) вызывает распад молекул кислорода c образованием атомарного кислорода:

О₂ + h_i  О + О.

Ниже 30 км поток УФ-излучения резко уменьшается и диссоциация кислорода не идет, поэтому основное количество озона, расходуемое на высоте 30  50 км, снова регенерируется в средней и верхней части стратосферы по реакции:

О₂ + О + М  О₃ + М*,

где М и М* – невозбужденная и возбужденная молекулы, например, Н₂О, СО₂.

Реакции образования и разложения озона протекают в основном на высоте 20 – 30 км. Эта часть атмосферы получила название озонового слоя. Открывателями его были французские физики. Фабри и А. Буассон. В 1913 г. им удалось с помощью спектроскопических измерений доказать существование озонового слоя, который защищает все живое на земле от жесткого УФ-излучения.

Среднемесячное содержание озона в этом слое над поверхностью Земли соответствует толщине слоя всего в 0,23 – 0,52 см при атмосферном давлении и комнатной температуре. Этого количества достаточно для защиты живых организмов от поражающего действия солнечной радиации.

АТМОСФЕРНЫЕ ГАЗЫ В ГИДРОСФЕРЕ

Полярные газообразные вещества такие, как сероводород, хлороводород, растворяются в воде лучше, чем неполярные газы такие, как азот, кислород, аргон или метан. Содержание кислорода в поверхностных водах определяется его концентрацией в атмосфере, температурой воды, глубиной водоема, условиями жизнедеятельности водных микро- и макроорганизмов.

Растворимость кислорода в воде в два раза больше, чем азота, поэтому состав воздуха, растворенного в воде, отличается от атмосферного (кислорода в нем  34 об.% от общего количества воздуха, растворенного в воде).

Наибольшее количество кислорода в воде наблюдается в период наивысшей фотосинтезирующей деятельности растительных организмов. Растворимость атмосферного кислорода в воде представлена в табл. 3.

Т а б л и ц а 3