2.4. Экологические функции подсистем атмосферы

Защитные экраны атмосферы (по О.П. Добродееву, 1996)

«Экологическая роль верхней атмосферы (гетеросферы) заключается прежде всего в том, что она создает целый ряд экранов, препятствующих прохождению к поверхности Земли опасного для жизни коротковолнового излучения Солнца. Происходит это следующим образом.

Поток заряженных частиц солнечного ветра, взаимодействуя с магнитным полем Земли, образует магнитосферу. За пределы верхней границы магнитосферы – магнитопаузы атмосфера Земли не распространяется. Она сдувается солнечным ветром в космическое пространство. Поэтому магнитопауза может рассматриваться и как верхняя граница атмосферы и как граница 3емли и Космоса. Расстояние магнитопаузы от поверхности Земли в сторону Солнца – около 10 Земных радиусов, а в противоположную сторону – 900 – 1000 Земных радиусов. Это самый внешний экран, препятствующий проникновению частиц солнечного ветра и космических излучений в биосферу, защищающий жизнь на Земле и создающий возможность существования на ней экосферы.

Однако, через магнитопаузу проходит электромагнитное излучение Солнца, ультракоротковолновая часть спектра которого губительна для живых организмов. Экраном, не пропускающим эту опасную радиацию, является верхняя, надтропосферная часть атмосферы Земли, её главные газы: азот и кислород.

Самая коротковолновая часть спектра солнечного излучения с длиной волны 0,1150 – 0,1250 мкм расходуется на ионизацию и диссоциацию на атомы молекулярного азота, который выше 300 км над поверхностью Земли оказывается полностью диссоциированным на атомы:

N₂ + hv  N + N

Проходящая ниже радиация с большей длиной волны (до 0,2245 мкм) расходуется на диссоциацию молекулярного кислорода O₂:

O₂ + hv  O + O

В результате выше 150 км над поверхностью Земли весь молекулярный кислород оказывается диссоциированньм на атомы. Из оставшейся части спектра солнечного излучения, так называемый жёсткий ультрафиолет (до 0,2900 мкм) расходует свою энергию, главным образом, на высотах ~ 15 – 25 км над поверхностью Земли, вызывая образование озона, нагревая при этом атмосферу:

O₂ + hv  О₂ (возб) + O₂  O₃ + O (возб) и О₂ + O  O₃

Озоновый слой является последним экраном, отсекающим последнюю часть спектра солнечного излучения опасного для живых организмов!

Ниже озонового слоя проходит излучение только с длинной волны более 0,2900 мкм, оказывающее на живые организмы уже не вредное, а благотворное действие. Это видимый свет, ФАР, инфракрасная радиация, трансформирующиеся во все виды энергии биосферы» [2].

Озоновый слой, «озоновые дыры»

Озон (О₃) – газ светло-голубого цвета. Общее содержание озона в атмосфере очень мало (около миллионной доли от массы атмосферы), причем большая часть атмосферного озона находится в стратосфере, в слое 15 – 50 км. Максимальная концентрация озона отмечена в слое 20 – 25 км, который часто и называют собственно озоновым экраном, «подошва» которого находится на высоте 20 км.

Образование атмосферного озона – это ступенчатый фотохимический процесс, который упрощенно можно представить следующим образом. Сначала происходит разрыв связи в молекуле О₂ под действием ультрафиолетового излучения с длиной волны меньше 242 нм (квант этого излучения обозначают как hv) и образование атомарного кислорода по схеме:

O₂ + hv  O + O

Затем атомарный кислород взаимодействует с молекулой О₂ с образованием озона:

O₂ + О  O₃

Даже в атмосфере, содержащей исключительно кислород, одновременно с реакциями образования озона должны протекать и реакции его разрушения по схеме:

O₃ + hv  O₂ + O

O₃ + О  2O₂

В реальных условиях концентрация атмосферного озона зависит от протекания многих десятков, если не сотен химических реакций, особое место среди которых занимают циклические реакции разрушения озона антропогенными загрязнителями. Например, оксиды азота, достигающие стратосферы, действуют как своеобразные катализаторы, разлагающие озон с образованием дикислорода по схеме:

NО + О₃  О₂ + NО₂

NО₂ + О  NО + О₂

Более широкую известность в качестве разрушителей озонового слоя получили так называемые хлорфторуглеводороды (ХФУ), использующиеся в качестве охлаждающих веществ (фреоны, хладоны), пенообразователей, распылителей аэрозолей, например, СFCl₃. Хлор, высвобождающийся из ХФУ, также способен катализировать процесс разрушения озона по схеме:

О₃ + Cl  О₂ + ClО

ClО + О  О₂ + Cl

Начиная с 80-х годов ХХ века в средствах массовой информации активно обсуждается вопрос об ответственности хлорфторуглеводородов, оксидов азота и других антропогенных загрязнителей за образование так называемых «озоновых дыр». Озоновыми дырами образно называют обширные области атмосферы, в которых отмечается значительное (до 50% от обычного) снижение концентрации озона. В последнее время области с пониженной концентрацией озона зарегистрированы не только над Антарктидой или Арктикой, но и во многих других регионах, что представляет непосредственную угрозу здоровью человека.

Энергетические и геохимические функции атмосферы (по О.П. Добродееву, 1996)

Вся масса воздуха атмосферы предохраняет поверхность Земли от метеоритных бомбардировок. От трения о воздух большая часть проникающих в атмосферу частиц космического вещества сгорает, пополняя атмосферу газами и твердым аэрозолем.

Атмосфера пропускает часть спектра солнечного излучения, совершенно необходимую для существования жизни. Это, прежде всего, видимый свет (от 0,390 до 0,760 мкм), часть ультрафиолетового излучения, с длиной волны более 0,290 мкм и инфракрасное излучение, которые трансформируются в другие виды энергии в биосфере.

Наличие газовой атмосферы сильно ослабляет колебания температур, связанных с вращением Земли вокруг своей оси. При отсутствии атмосферы амплитуда колебаний температуры на земной поверхности составила бы 200 С.

Атмосфера – составная часть наземно-воздушной среды обитания, резервуар, в котором сосредоточен мобильный запас важнейших для экосистемы элементов, таких как углерод, кислород, водород и азот. Низкая по сравнению с гидро- и литосферой плотность воздуха (около 1,2 кг/м³ в приземном слое) способствует свободному росту и передвижению организмов. Но из-за отсутствия надежной опоры настоящие аэробионты и собственно экосистемы атмосферы (аэроэкосистемы) не наблюдаются.

Самый нижний слой атмосферы - тропосфера характеризуется активным перемешиванием воздушных масс. Здесь формируется погода. В воздухе тропосферы присутствуют экологически очень важные компоненты, отсутствующие или содержащиеся в ничтожных количествах в остальной части атмосферы. Это водяной пар, диоксид углерода, жидкие и твердые аэрозоли, а также разнообразные газообразные загрязнения.

Водяной пар атмосферы является аккумулятором солнечной энергии. На испарение 1 г воды расходуется более 550 кал тепловой энергии. При конденсации пара в жидкость тепло выделяется и нагревает воздух. Воздушные массы, перенося водяной пар, переносят и тепло из теплых районов в более холодные, обогревая последние. Таким образом функционирует глобальный механизм выравнивания температур в биосфере.

Энергетическая роль воды в атмосфере на этом не ограничивается. Молекулы воды в атмосфере препятствуют тепловому излучению поверхности Земли в Космос, создавая тем самым, наряду с молекулами CO₂, парниковый или оранжерейный эффект в атмосфере. Чем больше водяного пара в атмосфере, тем выше её парниковый эффект.

Кроме того, при образовании облаков увеличивается альбедо Земли. В среднем альбедо облаков составляет около 55%, а для мощных слоисто-кучевых облаков может достигать 80%. В результате значительная часть приходящей солнечной радиации, отражаясь от облаков, уходит обратно в Космос. При безоблачном небе величина солнечной радиации, которая попадает на земную поверхность, может достигать 80% радиации, поступающей на верхнюю границу атмосферы, а при плотном облачном покрове она снижается до 20%.

Холодная ловушка. Выше тропосферы вода (пар) подняться практически не может, поскольку при низкой температуре (около минус 60 ⁰С) верхней тропосферы она вымораживается и опускается вниз. Этот эффект имеет большое экологическое значение, поскольку если бы парам воды удалось подняться выше озонового слоя, а молекулярная масса воды это позволяет, то она подверглась бы фотохимическому разложению на водород и кислород жестким ультрафиолетовым излучением Солнца.

Содержание диоксида углерода (CO₂) в тропосфере составляет около 2,6  10¹² т. Экологическая роль CO₂ в атмосфере чрезвычайно велика. Диоксид углерода – основное питание зеленых растений, важный фактор выветривания горных пород, осадкообразования, а также наряду с молекулами H₂O – один из главных парниковых газов.

Твердые аэрозоли также играют важную экологическую роль. Мелкие твердые взвеси выполняют роль ядер конденсации, без которых не могут образоваться жидкие взвеси и, соответственно, облака и атмосферные осадки. Увеличение твердых взвесей, таким образом, приводит к увеличению облачности и атмосферных осадков.

Твердые взвеси в атмосфере пополняются за счёт космической и вулканической пыли, морских солей, почвенной и органической пыли, золы от пожаров, а в последнее время – в результате, как непосредственного поступления техногенной пыли, особенно золы от сжигания каменных углей, так и активизации развевания почвенной пыли при распашке почв, разработке карьеров.

Твердые частицы в атмосфере препятствуют прохождению прямой солнечной радиации в результате её отражения (обратного рассеяния) и тем самым увеличивают альбедо системы: атмосфера – земная поверхность, что, в свою очередь, ведет к понижению температуры у земной поверхности. Кроме того, твердые аэрозольные частицы поглощают солнечную радиацию и затем отдают тепло атмосфере. Однако, в целом аэрозоль понижает температуру у земной поверхности, особенно, если взвешенные частицы находятся в стратосфере, поскольку там обогревание разреженного воздуха за счет отдачи тепла частицами практически не сказывается на температуре воздуха у земной поверхности. Поэтому вулканические извержения взрывного характера, поставляющие в стратосферу большое количество твердых частиц, значительно сокращают поступление солнечной радиации к земной поверхности. Подобное же действие оказывают наземные ядерные взрывы и крупные лесные пожары.

Твердые дисперсные частицы всегда содержат много редких и рассеянных элементов, как в составе тонкодисперсных минералов, так и в сорбированном состоянии на большой удельной поверхности частиц. Поэтому в атмосферу поступает много различных элементов. С воздушными массами они переносятся на значительные расстояния, частично растворяются в жидких взвесях и с атмосферными осадками или в твердом аэрозоле под влиянием гравитации и с нисходящими потоками постепенно осаждаются.

Ежегодно в атмосферу поступает до 3  10⁹ т твердых аэрозолей. Средняя продолжительность существования их в тропосфере около 10 дней. Общая масса твердых частиц в тропосфере оценивается в 5 – 8  10⁷ т. В тропосфере аэрозоль способна задерживаться до нескольких лет.

Поступление дополнительного количества химических элементов с атмосферным аэрозолем в экосистемы может иметь как положительное (пополнение недостающих веществ), так и отрицательное экологическое значение (загрязнение избыточными элементами).

Задание 2.1. На рисунке 2.1 зашифрованы 17 характерных особенностей атмосферы. Дайте им названия. Кратко обоснуйте их экологические особенности, экологическое значение (используя текст). Впишите ответы под соответствующими номерами.

Рис. 2.1. ГЛОБАЛЬНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ АТМОСФЕРЫ

290 нм