Глава 4. Биосфера

Биосфера – это глобальная экосистема, активная оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяется и контролируется планетарной совокупностью живых организмов – биотой биосферы. Существующая биосфера сформировалась в результате закономерного эволюционного процесса развития нашей планеты в целом.

Первые представления о биосфере, как области жизни были высказаны в начале 19 века Ж. Ламарком. В 1875 году Э.Зюсс впервые ввёл в научную литературу современный термин «биосферы», понимая под ним взаимодействие основных оболочек Земли (атмосферы, литосферы, гидросферы) и живых организмов, их населяющих.

Целостное учение о биосфере принадлежит (1926 г.) В. И. Вернадскому. Именно он отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля. Границы биосферы наглядно показывают широту диапазона распространения живых организмов: от высот атмосферы, где царит холод и низкое давление до глубин океана, где давление достигает 12 тыс. атм. Они встречается практически всюду, за исключением обширных оледенений и кратеров действующих вулканов.

4.1. Структура биосферы

Как любая экосистема она состоит из абиотической и биотической частей.

Абиотическая часть биосферы включает в себя:

-аэробиосферу – нижнюю часть атмосферы до высоты озонового слоя (7-30км);

-гидробиосферу – всю гидросферу, включая Марианскую впадину 11 км;

- литобиосферу – верхние горизонты литосферы (земной коры) примерно до глубины 3 км.

4.1.1. Атмосфера

Атмосферой называется газообразная оболочка нашей планеты. Она выполняет ряд функций в биосфере:

- атмосферный воздух это источник дыхания живых организмов;

- защищает живые организмы на земной поверхности от губительного воздействия ультрафиолетого излучения солнца;

- защищает Землю от метеоритов и космической пыли (за счет магнитного поля Земли);

- служит, так называемой «одеждой» Земли, предохраняющей от потери тепла, излучаемого Землей в пространство;

- является средой для распространения световых и акустических волн.

Отличительными чертами этой земной оболочки являются следующие:

- атмосфера обладает наименьшей массой из всех других сфер планеты, она составляет 1/1000 гидросферы и 1/10000 массы земной коры;

- атмосфера имеет слоистое строение;

- атмосфера обладает высокой подвижностью (время вертикального перемешивания слоя толщиной 11 км – 2,5 месяца);

- атмосфера характеризуется постоянным составом главных компонентов и высокой изменчивостью малых примесей.

Атмосфера связана с Землей силой тяжести и принимает участие в ее суточном и годовом вращении.

Химический состав основных компонентов атмосферного воздуха сложился в процессе исторического развития нашей планеты и с точки зрения химика представляет собой раствор кислорода, CO₂, инертных газов, метана, водорода в азоте.

Кислород – самый необходимый атмосферный элемент для функционирования биосферы. В атмосфере его конечно меньше, чем в воде (соответственно 23% / 89%), но зато он в значительном количестве находится в свободном состоянии. Обладая высокой химической активностью, он взаимодействует практически со всеми другими компонентами, составляющими атмосферу. Сейчас известны соединения кислорода даже с инертными газами, типа XeO₃ (кроме гелия и неона).

В атмосфере кислород существует в виде двух аллотропных модификаций O₂ и O₃ . Во всех состояниях (газообразных, жидких) кислород парамагнитен и имеет очень высокую энергию диссоциации – 496 кДж/моль. Озон диамагнитен, токсичен, имеет темно-голубой цвет. Озон в атмосфере образуется под воздействием УФ-излучения или электрического разряда. Максимальная концентрация O₃ наблюдается на высотах 25-45км и носит название «озонового слоя» Земли.

Не менее важен и основной компонент азот - N₂ , хотя он и является инертным, не активным в химическом отношении. Энергия диссоциации N₂ = 2N в два раза больше, чем у O₂ (944,7 кДж/моль). Низкая реакционная способность обусловлена прочностью связи между атомами азота.

Кроме этих компонентов в атмосфере содержатся:

- органические и неорганические соли;

- кислоты почти всех элементов периодической таблицы (почти все антропогенного происхождения);

- органические соединения (около 500 - это ациклические ароматические углеводороды и их производные: альдегиды, кетоны, спирты, кислоты, эфиры).

Кроме соединений в атмосфере содержится большое количество радикалов органического происхождения: CH₃˙, C ₂H ₅˙ и радионуклидов (т. е. радиоактивных изотопов, которые образуются под воздействием космического излучения Na²² , Be⁷ , P³² , P³³ , C¹⁴ и изотопов искусственного происхождения: C¹⁴ , H³ , Y¹³¹ , Sr ⁹⁰ , Cs¹³⁷ , Zr ⁹⁵ ).

Все эти составляющие принимают активное участие в различных химических процессах в атмосфере:

- В протекании преобладающих окислительно-восстановительных реакций с участием разных соединений, в основном, с ковалентным типом химической связи;

- В протекании фотохимических реакций;

- В протекании цепных реакций с участием различных радикалов;

- В образовании новых соединений в слое атмосферы (в ряде случаев токсичных).

Рассматривая вертикальное строение атмосферы можно выделить несколько сфер: тропосферу; стратосферу, мезосферу, ионосферу (или термосферу), экзосферу.

Переход от одной сферы к другой характеризуется изменением не только химических компонентов, но и физических параметров, таких как температура, давление и т.п.

Основополагающим фактором при делении атмосферы на слои является температура: в тропосфере температура падает с увеличением высоты, далее в стратосфере она растет (примерно на 50⁰С); в мезосфере – вновь падает и возрастает в термосфере. Это явление носит название температурной инверсии.

Температурные инверсии протекают и в приземном слое атмосферы и оказывают значительное влияние на процессы циркуляции и рассеивания примесей в атмосфере.

Циркуляция атмосферы представляет собой сложную систему воздушных турбулентных течений. (Турбуленция – хаотическое движение воздуха с множеством завихрений). Причинами вызывающими процесс циркуляции атмосферы являются :

- вращение Земли

- неравномерное нагревание земной поверхности солнцем - меньшее у полюсов и большее у экватора.

Циркуляция атмосферы очень важна, так как она способствует сглаживанию контрастов температур; осуществляет перенос водяного пара; усредняет состав основных компонентов воздуха.