Содержание статьи
    Также по теме

    ХИМИЯ АТМОСФЕРЫ

    ХИМИЯ АТМОСФЕРЫ. Атмосфера Земли – ее газовая оболочка – простирается более чем на 1500 км от поверхности планеты. Основная часть вещества атмосферы (около 80%) сосредоточена в тропосфере, верхняя граница которой расположена на высоте около 17 км на экваторе, к полюсам она снижается до 8–10 км.

    Атмосферный воздух – это сложная смесь газов. На 99,9% он состоит из азота N2, кислорода O2 и благородных газов (аргона Ar и других) (рис. 1).

          Рис. 1. Содержание газов в сухом воздухе (об. %) вблизи поверхности Земли

    Содержание этих газов в воздухе практически постоянно. Кроме того, в состав воздуха входят диоксид углерода (от 0,02 до 0,04%) и водяной пар (его содержание местами достигает 3%). В воздухе могут находиться в следовых количествах также метан CH4, водород H2, аммиак NH3, сероводород H2S, оксиды азота NO и NO2, озон O3 и другие газы. Они образуются, например, при извержении вулканов, в результате биологических процессов, на промышленных предприятиях. Кроме того, в нижних слоях атмосферы есть большое количество взвешенных твердых и жидких частиц, образующих аэрозоли – пыль, дым, туман.

    Состав и свойства атмосферы меняются с высотой. Ее давление и плотность уменьшаются при удалении от Земли, однако до высоты 100 км соотношение азота, кислорода и благородных газов меняется мало. На расстоянии до 12 км от поверхности Земли в атмосфере находится слой облаков – скоплений капелек воды или кристалликов льда. Начиная с высоты 10 км, под действием ультрафиолетового излучения Солнца молекулы кислорода диссоциируют на атомы:

    О2 = О + О

    и О2 превращается в озон О3 – одну из форм существования кислорода:

    О + О2 = О3

    Максимальное содержание озона наблюдается на высоте 25–30 км. Эту область атмосферы называют озоновым слоем. Если весь озоновый слой поместить в нормальные условия (температура 0° С и давление 1 атм), то его толщина составила бы несколько миллиметров. На большой высоте давление газов очень мало и концентрация озона в слое толщиной несколько километров очень низка, но даже настолько разреженный озон поглощает около 97% ультрафиолетового излучения Солнца, опасного для живых существ. Без озонового слоя существование жизни на поверхности Земли было бы невозможно.

    Выше 40 км в атмосфере постепенно увеличивается содержание атомарного кислорода, а на высоте 150 км кислород практически полностью диссоциирован. Диссоциация азота начинается на уровне 200 км от поверхности Земли. Самые высокие слои атмосферы состоят из легких атомов водорода и гелия, которые медленно уходят из поля притяжения Земли и рассеиваются в космическое пространство.

    Первичная атмосфера Земли возникла еще в период образования планеты из газопылевого облака. По-видимому, первоначально атмосфера состояла из диоксида углерода СО2 и азота N2 с некоторым количеством водорода и паров воды. Эволюции в сторону современной кислородной атмосферы не было до тех пор, пока не начала развиваться жизнь.

    Около 2 млрд. лет назад в атмосфере стало заметно увеличиваться содержание кислорода. Это было связано с жизнедеятельностью одноклеточных сине-зеленых водорослей, обитавших в океане. Древнейшие жизненные процессы протекали в водной среде при наличии свободного кислорода. Возможно, что его присутствие было не повсеместным, а лишь на отдельных участках. При реакции фотосинтеза кислород стал выделяться в качестве метаболита:

    6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2

    Сине-зеленые водоросли нормально развиваются при отсутствии кислорода, для них он токсичен. Широкому распространению этих одноклеточных в древнем океане способствовало то, что сначала кислород связывался в виде оксидов железа и сульфатов. Поэтому, хотя фотосинтезирующие организмы появились около 4 млрд. лет назад, содержание свободного кислорода в океане и в атмосфере длительное время не увеличивалось. Считают, что в оксидах железа связано примерно 56% всего выделившегося в результате фотосинтеза кислорода, в сульфатах – 39% и только 5% находится в свободном состоянии и распределено между атмосферой и океаном.

    С течением времени в атмосфере установилось постоянное содержание кислорода. Сейчас практически весь кислород, образующийся в ходе фотосинтеза, расходуется на дыхание, горение и гниение органических веществ. В результате этих процессов выделяются вода и диоксид углерода. Они вновь могут быть использованы в фотосинтезе. Таким образом, обмен газов между атмосферой и живыми организмами идет по кругу.

    Роль диоксида углерода не ограничивается участием в фотосинтезе, от содержания этого газа в атмосфере зависят температурные и климатические условия на поверхности Земли. Атмосфера вообще играет важную роль в формировании климата, поскольку она существенно влияет на распределение солнечной энергии на планете.

    Распределение солнечной энергии, падающей на землю
    РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ, ПАДАЮЩЕЙ НА ЗЕМЛЮ
    Отражается в космическое пространство Поглощается и переходит в тепловую энергию Расходуется на круговорот воды Расходуется на движение воздуха (ветер) Расходуется на фотосинтез
    30% 47% 23% 0,2% 0,02%

    Почти вся достигшая Земли солнечная энергия, в конечном счете, возвращается обратно в космическое пространство в виде тепловой энергии, но это происходит не сразу. Атмосфера прозрачна для основной части солнечного излучения – видимого света. Однако тепловое (инфракрасное) излучение Земли поглощается молекулами диоксида углерода СО2, воды Н2О, метана СН4, другими органическими молекулами. Облака также хорошо поглощают тепловое излучение, исходящее от земной поверхности. Это излучение вновь возвращается на поверхность Земли. Таким образом, земная атмосфера – это ловушка для энергии, которая помогает сохранить тепло на Земле. Наличие атмосферы приводит к повышению средней температуры на нашей планете и смягчает различия между дневными и ночными температурами. Это явление называют парниковым эффектом. Если бы парникового эффекта не было, средняя температура на нашей планете составляла бы не плюс 15° С, как сейчас, а минус 25° С.

    Атмосфера – самый маленький из геологических резервуаров Земли, она составляет менее 10–5 % ее массы. Именно ограниченные размеры делают атмосферу такой чувствительной к загрязнению. Кроме того, за счет вращения Земли и перепада температуры с высотой атмосфера очень быстро перемешивается.

    В последние десятилетия деятельность человека стала оказывать существенное влияние на состав атмосферы. Одной из экологических проблем, имеющих глобальный характер, является резкое возрастание содержания в атмосфере диоксида углерода (рис. 2).

          Рис. 2. Изменение содержания диоксида углерода в атмосфере с 1850 по 2000