Часть II. Экологические аспекты геосфер

Несмотря на неоднозначность нашего отношения к разработкам русских философов XX века и, в частности, к проповеднику "русской идеи" Н. Бердяеву, его отношение к человеку, как космическому существу, нельзя не признать обоснованным. Земля, обладающая собственной атмосферой, вместе с тем, входит в Солнечную систему, энергетически "обогревается" его энергией, пополняется космическим веществом, участвует в космическом круговороте массоэнергообмена. Возможно, что магнитные полюсы Солнца взаимодействуют с магнитным полем Земли, вызывая и его инверсионное превращение, как это предполагается, в частности, согласно представлениям о периодической смене полюсов Земли.

Непрерывное увеличение энергетических потребностей человека заставляет обращать все более пристальное внимание на исследования возможности прямого использования солнечной энергии. Ведь каждый м² поверхности Солнца в энергетическом отношении можно сравнить с электростанцией мощностью 60 тыс. кВт.

Земля погружена в исключительно подвижную внешнюю оболочку атмосферы Солнца и подвержена сильному влиянию "погоды" на Солнце: вспышкам, коронам, ветрам, cолнцетрясениям, осцилляциям и т.п. Энергия наружной вспышки достигает 10³³ эрг, что в несколько сот раз больше, чем энергия разведанных запасов нефти и угля на Земле.

Человечество все более и все далее проникает в космическое пространство, одновременно расширяя границы биосферы, но все еще принципиально не осознав последствия подобного освоения космоса. Тем не менее, мы должны представлять себе и понимать в каком направлении и насколько возможно наше взаимодействие и с "заатмосферным" пространством, и к каким экологическим последствиям это может привести.

Начнем последовательное рассмотрение геосфер.

Гл.3. АТМОСФЕРА

1. Состав и структура атмосферы

Атмосфера - это газовая оболочка Земли, состоящая (по объему), исключая воду и пыль, из азота (78,09%), кислорода (20,95%), аргона (0,93%), углекислоты (около 0,03%), а также H, Ne, He, Kr, Xe и ряда других газов (в сумме около 0,01%) - табл. 3.1.

Таблица 3.1

Газовый состав атмосферы

Газ	Содержания, %		Содержания, 1020 г г
	Объемные	Весовые
N2	78,0900	75,5100	38,648
О	20,9500	3,1500	11,841
Аг	0,9300	1,2800	0,655
Ne	0,0018	0,0460	0,0233
Не	0,00052	0,00125	0,000636
СН3	0,00022	0,00012	0,000062
Кг	0,0001	0,00029	0,000146
N2O	0,0001	0,00015	0,000077
Н2О	0,00005	0,000003	0,000002
Хе	0,000008	0,000036	0,000038
О3	0,000001	0,00036	0,000031

За последнее время выяснено, что в составе атмосферы принимают участие и органические вещества, 500 из которых уже идентифицированы (рис. 3.1).

Рисунок 3.1. Хроматограмма органических компонентов воздуха Санкт-Петербурга

1-2 - метилпропан; 2 - бутан; 3 - 2-метилбутан; 4 - пентан; 5 - метилпентан; 6 - циклопентан; 7 - метилпентан; 8 - ацетон; 9 - гексан; 10 - метилциклопентан; 11 - 2-метилгексан; 12 - циклогексан; 13 - 3-метилгексан; 14 - гептан; 15 - бензол; 16 - метилциклогексан; 17 - 2-метилгептан; 18 - 4-метилгептан; 19 - 3-метилгептан; 20 - транс-1,4-диметилциклогексан; 21 - октан; 22 - толуол; 23 - триметилциклогексан

Атмосфера простирается вверх до 2000-3000 км. Условно она подразделяется на верхнюю и нижнюю, с границей между ними ниже максимума озонового слоя. Она неоднородна. По вещественному составу, температуре и характеру воздушных течений в ней выделяют несколько групп слоев, границы между которыми называются паузами. Они проводятся с учетом расположения максимумов и минимумов в высотном распределении температуры.

Вплоть до уровня мезапаузы в верхней атмосфере (рис. 3.2) доминируют процессы перемешивания, что обеспечивает относительное постоянство средней молекулярной массы воздуха. Эту часть верхней атмосферы принято называть гомосферой. Выше, там, где особую роль приобретает молекулярная диффузия газов, приводящая к гравитационной дифференциации с высотой, находится область гетеросферы.

В приземной атмосфере температура убывает от поверхности Земли до тропопаузы, являющейся верхней границей тропосферы.

Именно этот слой наиболее важен для жизни на Земле. Здесь сосредоточено около 90 % массы атмосферы. Тропосфера распространена от 8 до 17 км от земной поверхности, составляя у полюсов 8-9 км, в умеренных широтах 10-12 км, в тропиках - 15-17 км.

Средняя температура поверхности Земли 15 С. Температура вблизи поверхности Земли около 31,2, на высоте 200 м 30,0 С.

Таким образом, вертикальный градиент температуры в тропосфере 0,6/100 м (примерно 6,5/1 км).

Вес столба атмосферы определенного сечения на разных широтах и при разной температуре несколько различен. На широте 45 при 0 С он равен весу ртутного столба 760 мм, или давлению 1,0333 кг/см.

Рис. 3.2. Высотное распределение температуры в атмосфере

Важное влияние на состояние атмосферы оказывает и атмосферный аэрозоль - взвешенные частицы размером от десятков ангстрем до нескольких десятков микрометров. Они поглащают и рассеивают солнечную радиацию и являются ядрами конденсации облачной влаги. Концентрации аэрозолей убывают достаточно быстро с высотой, причем на это накладываются многочисленные вторичные максимумы, связанные с существованием аэрозольных слоев.

Как выясняется, аэрозоль имеет существенное влияние на озон и, наоборот, существует эффект влияния изменения содержания озона от климатических факторов вулканических извержений.

Появились предварительные сообщения об «оседании» нижних слоев атмосферы. Основанием служат исследования по скорости фиксирования отраженных радиосигналов.

Наиболее важная переменная составная часть атмосферы - водяной пар. Содержание влаги у земной поверхности 0,2% в полярных широтах, 2,6% у экватора. В умеренных широтах в вертикальном столбе атмосферы содержится 1,6-1,7 см «слоя осажденной воды». На него влияет взаимодействие испарения, конденсации, горизонтального переноса. Именно пары воды пропускают коротковолновое излучение и задерживают "отраженное" длинноволновое.

В припочвенной части атмосферы существенно возрастает роль углекислоты. Среднее содержание ее в атмосфере 300 ppm, то есть в 2600 раз меньше чем азота. Но продолжительность ее пребывания здесь 50-200 лет. Именно в зоне, наиболее обогащенной углекислым газом, происходит генерация кислорода за счет реакций фотосинтеза автотрофных растений. По видимому, на всем протяжении истории Земли содержание СО₂ изменялось не слишком сильно, но под антропогенным воздействием с начала XX века оно повысилось на 5%.

Самый нижний максимум температуры атмосферы обусловлен поглащением озоном ултрафиолетового излучения и отвечает стратопаузе - верхней границе стратосферы. Здесь до высоты 40 км температура воздуха ниже 0С и лишь в верхней ее части возрастает в среднем до 15.

На высоте около 30 км, отличающейся относительно повышенной влажностью, распространены перламутровые облака.

На высоте около 40 км расположен защитный озоновый слой Земли, определяющий верхний предел жизни в биосфере. Он появился одновременно с возниновением в земной атмосфере кислорода. Его очень мало - всего 410^-7об.%. Если собрать его в один слой в «нормальных» условиях (Р=1 атм., Т= 273 С), его толщина составит всего 3 мм, а так же «спрессованная» атмосфера будет иметь мощность в 8,3 км. Однако, защитные свойства озона весьма существенны. Он полностью поглащает энергию ультрафиолетовой (УФ) радиации Солнца в полосе 2900-2200 Å, что совершенно исключает попадание на поверхность Земли губительных для всего живого солнечных лучей с длиной волны 2900 Å. Озон одновременно поглащает инфракрасное излучение (ИК) Земли, препятствуя ее охлаждению.

Распределение озона испытывает значительные вариации по времени, широте, высоте. Вертикальное распределение озона следующее (рис. 3.3). Максимальные концентрации наблюдаются на высоте 25 км. Слой озона постоянно возникающий и разрушающийся - это явление, получившее название «озонового дождя».

Спектр поглащения озона (1) в области УФ хорошо коррелируется со спектрами поглащения нуклеиновых кислот (2) и белков (3) - (рис. 3.4). Поэтому при больших дозах УФ происходит распад важнейших частей клетки; возникают вещества, блокирующие процессы воспроизводства ДНК и синтеза РНК. Отрицательное влияние распространяется и на растительность.

Мезопауза, также отвечающая минимуму температур атмосферы (160-190К), отделяет мезосферу от выше расположенной термосферы, что соответствует высоте 855 км. Температура к этой границе понижается от +20 до -75-90. Газовый состав, с преобладанием азота и кислорода, очень устойчив. Для верхней границы характерны так называемые «серебристые облака» - скопления мельчайших ледяных кристаллов.

Рис. 3.3. Вертикальное Рис. 3.4. Спектры поглащения

распределение озона озона (1), нуклеиновых

кислот (2) и белков (3) в

ультрафиолетовой области

Химический состав стратосферы и мезосферы обусловлен прони-кновением ряда компонентов из приземной атмосферы и определен фотодиссоциацией. Кроме молекулярных азота, кислорода и атомарного аргона, здесь присутствуют кислородные, водородные, углеродные и азотные соединения, а также соединения Cl, Br,F и др.

Выше мезопаузы находится термосфера - сфера роста температуры и постепенного достижения ее постоянных значений, соответствующих термопаузе. Это наиболее разряженная атмосфера с относительно повышенной ионизацией газов и существенным повышением температур (от

-75-90 до более +400С). Инструментально выделять термосферу позволяют радиоволны.

В нижней части термосферы преобладают относительно тяжелые компоненты, в верхней - более легкие, вначале атомарный кислород, затем - гелий и водород. Основными поглотителями ультрафиолетового излучения здесь являются молекулярный кислород и азот.

Кроме сильных суточных, сезонных и широтных вариаций, вызы-ваемых солнечным УФ излучением, возмущения термосферы связаны с геомагнитной активностью.

Важнейшей особенностью верхней атмосферы является очень сильное падение плотности с высотой, достигающее значений в сотни миллиардов раз. Она является внешней газовой оболочкой Земли, главными особенностями которой, помимо резкого падения плотности с высотой, является наличие нескольких температурных максимумов.

В самой верхней, очень разряженной части верхней атмосферы происходит «убегание» легких газов - H и He, отдельные атомы которых имеют достаточную для этого скорость, в соответствии с распределением Максвелла. Это – экзосфера.