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).

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.