Кругообороты веществ в биосфере

Главный источник тепла на Земле - солнечная энергия, но тропосфера в основном нагревается от Земли (отдается накопленная энергия). При этом нельзя не учитывать процессы рассеивания солнечной энергии, а также задержку тепла в приземном слое особенно из-за антропогенных выбросов СО₂, создающих парниковый эффект, что в целом приводит к увеличению доли инфракрасного (теплового) излучения в тропосфере.

Температура же в приземном слое колеблется в пределах примерно от (+50⁰С) до (-50⁰С). В целом с удалением от поверхности Земли температура в пределах тропосферы уменьшается примерно на 0,5-0,6 градуса на каждые 100 метров. С высотой разряжение воздуха возрастает, а атмосферное давление уменьшается. Ветровые потоки в тропосфере очень разнообразны.

Выше тропосферы находится тропопауза (так, тропическая на высоте 16-18 км, а полярная на высоте 9-10 км от земной поверхности). В тропопаузе нет столь разнообразных ветровых потоков как в тропосфере и температура практически постоянна. Тропопауза как бы защищает биосферу от чрезмерных потерь тепла в космическое пространство.

3.2.2 Стратосфера и защитный “озонный слой”

В следующем слое (стратосфере) с высотой концентрация воздуха в целом продолжает уменьшаться, но при этом начинает увеличиваться концентрация озона О₃ (это так называемый “озонный экран”), который располагается у полюсов с высоты примерно 9 км, а у экватора - на расстоянии 18 км от земной поверхности.

Максимума содержание озона достигает приблизительно на высоте 22-25 км (концентрация озона уровня 0,01-0,06 мг/м³, то есть на несколько порядков выше, чем в тропосфере). Однако, если содержащийся в границах экрана озон выделить в чистом виде, то слой его составит 3-5 мм. Содержание озона выражается в сантиметрах (0,3-0,5) или в единицах Допсона (миллиметры, увеличенные в 100 раз - 300-500 ед.). Из-за наличия “озонного экрана” стратосферу часто называют озоносферой. Главная роль стратосферы (благодаря “озонному экрану”) - это защита биосферы от жесткого ультрафиолетового излучения.

В 1930 году английский геофизик С. Чепмен для объяснения постоянной концентрации озона в стратосфере предложил схему (из четырех реакций), известную нам сейчас под названием - цикл Чепмена:

_h

О₂ 2О (при действии ультрафиолетового излучения с 242 мкм);

О + О₂ + М О₃ + М;

О + О₃ + К 2 О₂ + К;

_h

4) О₃ О₂ + О (защита от ультрафиолетового излучения, происходит поглощение в области = 240-320 мкм).

Первая и четвертая реакции по механизму - фотохимические (протекают под действием солнечной радиации), вторая и особенно третья реакции по механизму - каталитические. Так, в третьей реакции роль катализатора К может выполнять оксид азота NO, который образуется под действием жесткого солнечного излучения, а также при грозовых разрядах и при антропогенных выбросах (например, выбросы из двигателей реактивных самолетов в стратосфере). Упрощенно механизм катализа может быть представлен следующими реакциями:

О₃ + NO NO₂ + O₂

NO₂ + O NO + O₂,

то есть концентрация оксида азота NO не меняется, а концентрация озона О₃ снижается.

В стратосфере имеется облачность, хотя в сравнении с тропосферой она незначительна. Протяженность стратосферы (в среднем до высоты 45 км от поверхности Земли). Температура в пределах этого слоя сначала несколько уменьшается, но с высоты 22-25 км (где значительная концентрация озона) начинает увеличиваться и на верхней границе стратосферы близка 0⁰С. Причина этого, по мнению климатологов, в том, что в результате поглощения ультрафиолетового излучения “озоновым экраном” происходит преобразование лучей в инфракрасные тепловые.

В стратопаузе, имеющей несколько большую протяженность, чем тропопауза, температура изменяется незначительно. Верхняя граница стратопаузы находится на высоте порядка 50 км от земной поверхности. Стратопауза выполняет защитную функцию от ионизационного излучения.

3.2.3 Характеристика мезосферы, ионосферы и экзосферы

Третий слой атмосферы - мезосфера (средняя атмосфера) заканчивается на высоте приблизительно 80 км от земной поверхности. Характеризуется значительной разреженностью воздуха и резким уменьшением содержания озона (в сравнении со стратосферой). Это последний слой, где еще присутствует незначительная облачность. В этом слое температура уменьшается (например, на высоте 80 км от земной поверхности температура отрицательная - 70⁰С). Мезопауза находится от земной поверхности на высоте 80-100 км - это граница плотных слоев атмосферы.

Выше располагается следующий слой - термосфера (или ионосфера). Это слой с высоким разрежением “воздуха” и характеризуется постоянным ростом температуры с высотой, хотя из-за высокого разрежения сведения об уровне температуры противоречивы. Приводятся такие данные: на высоте 150 км (t⁰ = 200-240⁰C), 500-600 км (свыше 1500⁰С).

Под действием солнечного излучения молекулы ионизированы (например, N^-, O^-, O₂^-, NO₂^-, NO₃^-, H⁺, N⁺, O⁺, O₂⁺ и др.) и движутся с большими скоростями. На высоте 110-120 км уже нет молекулярного кислорода, но есть атомарный или ионизированный. Выше 400-500 км от земной поверхности все газы находятся в атомарном или ионном состояниях. Кислород и азот преобладают до высоты 400-600 км, т.к. выше 600 км начинает преобладать гелий (“гелиевая корона”). В ионосфере имеется высокая концентрация электронов. Этот слой достаточно протяженный и завершается на высоте 800 км от земной поверхности. Именно в этом слое находятся спутники, пребывают космические станции. Одна из защитных функций ионосферы - например, защита биосферы от рентгеновского космического излучения.

Последний слой атмосферы (недостаточно изученный) - экзосфера (“внешняя атмосфера”). Данные по ее протяженности противоречивы. Так, называется верхняя граница (высота 1600 км от земной поверхности, а по другим данным - на тысячи км больше, возможно, этот слой то сжимается, то расширяется на тысячи км). По одним данным, на высотах от земной поверхности от 600 до 1600 км преобладает гелий (этот промежуток известен под названием “гелиевая корона”). По другим данным, с высоты от 1000 км располагается протоносфера (весь водород в атомарном виде) с примесью гелия. По другим данным, водород начинает преобладать на высоте 2000-3000 км. Экзосфера выполняет роль защитного экрана от электронов высоких энергий.

Выше экзосферы расположена магнитосфера (пространство выше атмосферы, где формируется магнитное поле Земли). Она защищает биосферу от солнечной плазмы, содержащей частицы с высокими энергиями.

3.3 Загрязнение атмосферы

Имеется два главных источника загрязнения атмосферы: естественный и антропогенный. К естественному относятся:

вулканические, сейсмические процессы (извержения вулканов, деятельность фумарол и гейзеров, загрязнения при землетрясениях), основными компонентами которых являются: пыль, пепел, диоксид серы, сероводород, оксиды углерода и азота, HF и другие вещества;

пылевые бури, ураганы, смерчи и процессы активного выветривания горных пород, вызывающие загрязнение пылью размером частиц 10^-3 - 10^-4 см органического (споры грибов, пыльца растений и др.) и неорганического происхождения. Особенно активное запыление воздуха происходит в пустынях и степях. Однако атмосферная пыль до определенного уровня по содержанию в воздухе имеет и большое значение. Она способствует конденсации водяных паров, а значит, и образованию осадков, а также поглощает прямую солнечную радиацию (вызывает снижение температуры в приземном слое);

лесные пожары из-за грозовых разрядов (молнии) и вулканических процессов, приводящих к загрязнению оксидами, углеводородами и другими органическими веществами, пеплом.

процессы разложения, гниения вследствие деятельности бактерий и других организмов в почве, природных водоемах (особенно болотах) и др.;

космическая пыль (ежегодно на уровне 2-5 млн. т);

временные загрязнения (особенно над океанами) мельчайшими кристалликами солей натрия, кальция, магния, аэрозолями и др.

К антропогенным источникам загрязнения атмосферы относятся:

- теплоэнергетика;

- металлургия;

- транспорт (особенно авто- и авиатранспорт);

- химическая промышленность;

- горнодобывающая отрасль производства;

- строительство;

- бытовая сфера;

- военные испытания и войны;

- антропогенные катастрофы (пожары, ядерные взрывы, аварии на промышленных предприятиях, а также при транспортировке летучих токсичных веществ).

При этом главными антропогенными загрязнителями атмосферы являются: оксиды углерода, серы и азота; пыль (включая частицы металлов), аэрозоли; углеводороды, их производные и другие органические летучие вещества; галогены и их производные; радиоактивные компоненты; сероводород; аммиак.

Важнейшими свойствами атмосферы является ее способность к быстрому перемешиванию и перемещению больших масс воздуха на большие расстояния, а также связь с другими сферами и особенно с океаном (так, океан поглощает значительную долю антропогенных выбросов углекислого и сернистого газов). Загрязненность воздуха в городах в среднем в 15 раз выше, чем в сельской местности, и в 150 раз выше, чем над океаном. С одной стороны, атмосферный воздух активно переносит (за счет ветровых потоков) значительные массы загрязняющих веществ, что порой приводит к катастрофическому загрязнению почвы и водоемов в местах достаточно удаленных от места антропогенных выбросов (например, сжигание бурого угля в Англии, Германии и Люксембурге часто вызывало выпадение кислотных дождей в Скандинавских странах). С другой стороны, атмосфера (в отличие от гидросферы и особенно почвы) имеет высокую способность к самоочищению. Значительную роль в очистке атмосферы от загрязняющих играют также леса и выпадение осадков.

3.4 Глобальные проблемы атмосферы

Известны такие глобальные проблемы, непосредственно связанные с атмосферой, как парниковый эффект, разрушение озонового слоя в стратосфере, смог и кислотные дожди. Рассмотрим их. Влияние различных антропогенных загрязнителей на некоторые глобальные проблемы биосферы приведено в табл. 5.

3.4.1 Парниковый эффект