Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Социальная экология. Взаимодействие общества и природы. Учебное пособие
.pdf
Глава III
АТМОСФЕРА
§ 4. Общая характеристика атмосферы
1. Формирование атмосферы
Газовая оболочка Земли — атмосфера — представляет собой в основном (на 99 % по объему) смесь двух газов: азота и
кислорода. Оставшийся 1 % почти целиком приходится на аргон и углекислый газ. Прочие газы содержатся в атмосфере
в следовых количествах (неон, гелий, криптон, водород, озон,
метан и некоторые другие).
Такой состав атмосферы характерен для нижних ее слоев;
с высотой состав несколько изменяется. Причем в результате
фотодиссоциации молекул в атмосфере появляется (и все более нарастает с высотой) количество атомарного кислорода
и азота. На высоте 500 км молекулярный кислород практиче
ски отсутствует, но молекулярный азот все еще превалирует
над атомарным. Общее количество азота и кислорода доста
точно быстро уменьшается с высотой, поскольку эти газы от
носительно тяжелые.
Выше 600 км доминирующим становится легкий газ ге
лий. На высотах от 2000 до 20 000 км преобладает наиболее
легкий газ — водород (в виде так называемой водородной ко
роны Земли).
В формировании атмосферы Земли важную роль играло
«живое вещество» (по В. И. Вернадскому), то есть все организ
мы планеты. Например, кислород, будучи активным окисли
телем, наверняка давно бы исчез из атмосферы, если бы не
-
-
-
-
-
-
-
42 ГЛАВА III. АТМОСФЕРА
генерировался растениями. Первичная атмосфера была
практически бескислородной. Почти вся масса кислорода
в геологическом времени ушла на окисление земной коры.
Причем большинство исследователей сходятся на том, что ос
новная масса связанного кислорода в земной коре образова
лась в геологическом прошлом в процессе фотосинтеза. По
скольку жизнь зародилась в океане, то резонно думать, что
первичный свободный кислород в атмосфере появился за счет
фотосинтетической деятельности водных растений. По мне
1
нию М. Руттена
, кислородная атмосфера образовалась не ра
нее 1,8 млрд лет назад (скорее всего — в позднем докембрии),
когда масса кислорода, генерируемого фотосинтезом в едини
цу времени, стала превышать расход кислорода на окисление
2
минералов земной коры
.
По мере накопления кислорода в атмосфере в верхних ее
слоях образуется так называемый «озоновый экран», препятствующий проникновению на поверхность Земли жесткой ультрафиолетовой радиации Солнца. Количество кислорода, потребовавшегося для создания этого экрана, составляет приблизительно 10 % от современного уровня.
Образование «озонового экрана» привело к заселению суши растениями. К концу силурийского периода (около 435 млн
лет назад) существовало уже множество видов наземных растений, что в несколько раз ускорило образование свободного
кислорода.
Первичным источником образования газообразного азота
в атмосфере являются процессы дегазации мантии Земли. В ре
зультате в атмосферу поступает азот в виде NH
(аммиак), ко
3
торый затем окисляется кислородом воздуха с образованием
молекулярного азота и воды. В меньших количествах образу
ются также другие оксиды азота (окись азота (NO), двуокись
азота (NO
), азотный ангидрид (N2O5)ит.д).
2
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1
Руттен М. Происхождение жизни.— М., 1973.
2
Существует также гипотеза, что первичный свободный кислород об
разовался в атмосфере за счет разложения водяного пара под воздействием
солнечного ультрафиолета.
-
§ 4. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АТМОСФЕРЫ 43
Дегазация мантии стала причиной появления в атмосфере
и других газов, в том числе CO
(углекислого газа). Первона
2
чальное накопление в атмосфере углекислоты сдерживалось
процессами ее поглощения океаном. Океан длительное время
поглощал поступающий из глубоких недр углекислый газ, по
ка к началу палеозоя (около 570 млн лет назад) не наступило
насыщение океанической толщи этим газом. Лишь после этого
начала формироваться углекислотная атмосфера, ускорившая
процессы эволюции фитосферы, а следовательно, и производ
ства кислорода. Концентрация CO
в атмосфере на протяже
2
нии основной части фанерозоя составляло величину 0,1–0,4 %,
что соответствует, по-видимому, максимальной продуктивно
сти большинства видов растений
1
. От девона, закончившегося
около 350 млн лет назад, до четвертичного периода (вторая
часть кайнозоя) ежегодная продукция фитомассы возросла
в 160–190 тыс. раз
2
, что и привело массу кислорода в атмосфе-
ре к современному уровню (20,95 %).
Быстрый рост продуктивности фитоценозов привел, в свою
очередь, к нарастанию темпов изъятия углекислого газа из атмосферы. Это изъятие нарастало к концу мезозоя — началу
кайнозоя. Вместе с отмиравшей растительностью углерод переходил из атмосферы в осадочные толщи пород в форме органического углерода (угольные и нефтяные пласты), а также
в форме гумосферы (почвенной органики). В течение последней геологической эпохи шло неуклонное снижение CO
2
ват
мосфере, приостановленное в последнее столетие антропоген
ной деятельностью. Естественно, что этот процесс сопровож
дался соответствующим снижением общей массы растений на
Земле.
В целом атмосфера в ее современном состоянии сохраня
ется в течение миллионов лет — гораздо дольше, чем сущест
вует на Земле человек. В довольно широких пределах изменя
ется лишь содержание водяного пара.
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1
Никитин Д. П., Новиков Ю. В. Окружающая среда и человек. — М.,
1980. — Ñ. 122.
2
Алпатьев А. М. Развитие, преобразование и охрана природной сре
äû. — Ë., 1983. — Ñ. 188.
-
44 ГЛАВА III. АТМОСФЕРА
2. Строение атмосферы
В гравитационном поле Земли атмосфера приобретает
слоистое строение. Из общей массы атмосферы (5,15 × 10
15
почти половина сосредоточена в пределах первых пяти кило
метров, считая от уровня моря. Слой атмосферы толщиной
10 км содержит уже 75 % всей ее массы. Приблизительно до
этого уровня простирается тропосфера, хотя благодаря суточ
ному вращению Земли она имеет различную толщину в раз
ных районах Земного шара: 8–10 км над полюсами, 10–12 км
над умеренными широтами и 16–18 км на экваторе. Вместе
с водяным паром тропосфера заключает в себе 80 % всей мас
сы атмосферного воздуха.
Температура в тропосфере является убывающей функцией
от высоты. На каждые 100 м температура падает в среднем на
0,65 градуса. Именно в тропосфере протекает большинство
метеорологических процессов, происходит конвективный перенос влаги и формируются облака. До 80 % и более всей влаги
содержится в тропосферном слое.
Выше тропосферы находится стратосфера, простирающаяся до высоты 40–55 км от поверхности Земли. Этот слой
уже сильно разрежен и содержит небольшое количество влаги.
В нижней части стратосферы температура отличается постоянством (около – 50 °C), незначительно изменяясь лишь в зависимости от времени года. Начиная с высоты 30 км температура
довольно быстро растет, достигая положительных значений
(до + 20 °С). Это объясняется поглощением солнечной радиа
ции, используемой для разрыва молекулярных связей (диссо
циацию молекул), в результате чего в стратосфере появляются
более подвижные свободные атомы.
Переходный слой между тропосферой и стратосферой на
зывается тропопаузой. Высота тропопаузы может меняться
в зависимости от широты и времени года. Район тропопаузы
характеризуется ветрами, нередко сильными (до 100 м/с),
обычно западного направления. Выше 20 км в летнее время
преобладают восточные ветры.
Выше стратосферы находится ионосфера, которая имеет
вертикальную протяженность в сотни километров. Обычно ее
ò)
-
-
-
-
-
-
-
§ 4. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АТМОСФЕРЫ 45
делят на нижнюю часть — мезосферу и верхнюю — термо
сферу. В мезосфере температура изменяется так же, как в тро
посфере, то есть падает с высотой и достигает наименьших
значений (часто ниже –100 °С) на уровне мезопаузы — грани
цы между мезосферой и термосферой.
В термосфере, простирающейся от 80 до 800 км от поверх
ности Земли, вновь наблюдается быстрый рост температуры.
Достигнув значения около 1500 °С на высоте 200–300 км,
температура далее остается практически постоянной до грани
цы атмосферы, которая является весьма условной (от 2000 до
20 000 км). Рост температуры в термосфере обусловлен погло
щением солнечной энергии, расходуемой в этом случае на
ионизацию атомов. Поэтому здесь наблюдается значительное
количество положительных ионов и свободных электронов.
Известно, что данный ионизированный слой играет важную
роль в распространении радиоволн короткого диапазона. Достигая ионизированного слоя, короткие волны отражаются обратно на Землю. В этом же слое наблюдаются полярные сияния и происходят магнитные бури.
3. Основные атмосферные процессы
Атмосфера планеты обладает рядом важных функций. Она
регулирует степень и характер солнечной радиации у поверхности Земли. Как известно, альбедо Земли (доля отраженной
планетой радиации), уточненное в последние годы с помощью
спутников, принимается равным 0,33. Причем именно атмо
сфера (ее облачный слой и аэрозольный компонент) вносят
наиболее существенный вклад в формирование альбедо. Око
ло 25 % солнечной энергии отражается облаками и уходит
в космическое пространство. Приблизительно5%солнечной
энергии отражается непосредственно земной поверхностью.
Поглощаемая Землей энергия (около 70 %) переизлучается
поверхностью планеты в инфракрасном диапазоне, для кото
рого атмосфера является непрозрачной. Находящиеся в атмо
сфере парниковые газы (углекислый газ (CO
озон (O
), закись азота (N2O), хлорфторуглероды) и пары воды
3
), метан (CH4),
2
задерживают инфракрасное излучение и возвращают его к по
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
46 ГЛАВА III. АТМОСФЕРА
верхности Земли. Сама атмосфера нагревается восходящими
потоками воздуха и теплом, выделяющимся при образовании
облаков. Если бы не было задержки тепла атмосферой, то на
Земле было бы холоднее приблизительно на 33 °С, и зарожде
ние жизни на ней было бы невозможно
1
.
Неравномерность распределения тепла на Земле приводит
к перетокам атмосферного воздуха между различными регио
нами планеты. Вместе с воздушными потоками переносятся
пары воды. В тропосфере происходит формирование и распре
деление запасов атмосферной влаги. Особо важное значение
имеет меридиональный транспорт влаги. Испаряясь в эквато
риальной зоне Мирового океана, вода переносится затем в уме
ренные широты, где и выпадает на поверхность Земли в виде
атмосферных осадков. Таким образом, благодаря атмосферным циркуляциям происходит обеспечение водными ресурсами промышленно развитых регионов планеты.
В процессах влагопереноса и образования осадков важную
роль играют атмосферные аэрозоли — твердые или жидкие частицы, находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии. Áåç
атмосферных аэрозолей невозможно было бы образование облаков и тумана, более того — прекратился бы круговорот
воды в природе.
Пронизывающая атмосферу солнечная радиация является
не только источником тепловой энергии. Она стимулирует в атмосфере разнообразные фотохимические процессы. Один из та
ких процессов приводит к образованию на высоте 19–21 км (для
умеренных широт) и 24–27 км (для экваториальной зоны) так
называемого «озонового экрана». Образование стратосферного
озона описывается реакциями:
hn
O
¾®¾¾
2
O+O,
-
-
-
-
-
-
O+O
® O3.
2
Здесь символом hv обозначен квант солнечной радиации.
1
Шнайдер С. Г. Меняющийся климат // В мире науки. — 1989. —
¹ 11. — Ñ. 26–36.
§ 4. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АТМОСФЕРЫ 47
С нарастанием количества озона в стратосфере интенси
фицируются процессы его разрушения в результате реакций:
hn
O
¾®¾¾
3
O
3
+O® 2O2.
O
+O,
2
При установлении равновесия возникает озоновый слой
с максимальными концентрациями, доходящими до величин
12ñì–3
2 × 10
(в тропиках)и4·1012см–3(в средних широтах).
На практике содержание озона в слое оценивают в так на
зываемых единицах Добсона (е. Д.). Содержание озона равно
1 е. Д., если после приведения к нормальному давлению
(760 мм рт. ст.) и нормальной температуре (0 °C) толщина слоя
озона будет составлять 10
–3
см. Например, для тропиков содержание озона оценивается величиной около 260 е. Д., а для
умеренных широт — 340 е. Д. Самый мощный слой озона находится в полярных областях. Общее количество озона в нем
может превышать 400 е. Д.
Стратосферный озон составляет более 90 % всего ат-
мосферного озона.
При фотохимических процессах в атмосфере образуются
свободные радикалы, обладающие повышенной реакционной
способностью. Например, гидроксильный радикал (HO
·
)может образоваться при взаимодействии с парами воды атомарного кислорода, образующегося в результате фотохимическо
го расщепления молекул озона. Вступая в реакцию с диоксида
ми серы, азота, углерода, гидроксильный радикал чаще всего
вызывает образование кислотной среды в атмосфере. В част
ности, серная кислота образуется в результате цепочки реак
ций:
SO
+OH·® HSO
2
·
,
3
-
-
-
-
-
-
HSO
SO
·
+O2® HO
3
+H2O ® H2SO4.
3
·
+SO3,
2
При наличии в атмосфере множества других примесей фо
тохимические процессы могут привести к образованию целого
«букета» различных химических соединений. С потоками ат
-
-
48 ГЛАВА III. АТМОСФЕРА
мосферного воздуха эти соединения, в том числе кислоты, пе
реносят на значительные расстояния, иногда на тысячи кило
метров.
4. Атмосфера — важнейший фактор поддержания жизни
Без атмосферного воздуха немыслима жизнь человека и
других организмов биосферы. Для жизнедеятельности челове
ка воздух — самый важный ресурс. Без пищи человек может
обходиться 5 недель, без воды — 5 дней, без воздуха—5ми
нут. Исходя из этих данных сложились следующие нормы по
требления. Ежедневно человек потребляет (в норме) около 1 кг
пищи, около 1,5 кг воды и не менее 12 кг воздуха (в состоянии
отдыха). При активной физической работе потребление возду
ха может возрасти более чем в 10 раз.
Наличие атмосферы является необходимым условием поддержания многих биосферных процессов. Составляющие атмосферу газовые компоненты, прежде всего кислород и углекислый газ, активно участвуют в обмене веществ живых организмов. Что касается азота, которого в атмосфере больше всего, то он играет важную биологическую роль в общем круговороте веществ благодаря азотофиксирующей способности некоторых видов растений. К сожалению, до сих пор неизвестен
точный список организмов, способных к фиксации атмосферного азота. Расходуемый на формирование биомассы азот за
тем возвращается в атмосферу в процессе денитрификации
при разложении органических остатков.
Кроме того, азот важен и как инертный разбавитель кисло
рода воздуха. То, что мы называем чистым воздухом, пред
ставляет собой именно смесь газов, образовавшихся на протя
жении геологических эпох. За многие миллионы лет живые
организмы настолько тонко приспособились к сложившемуся
составу атмосферы, что даже незначительные изменения
в этом составе грозят тяжелыми последствиями для жизнедея
тельноcти организмов. Например, замечено, что если углекис
лого газа в воздухе содержится более 0,07 %, то проявляется
его угнетающее действие на дыхательные функции животных
и человека. При содержании CO
в количестве4%наступает
2
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
§ 4. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АТМОСФЕРЫ 49
смертельный исход. Критическим пределом для человека в со
держании атмосферного кислорода является его снижение
с 23,3 % до 17 % (по массе)
1
.
Происходящими в атмосфере процессами обусловливают
ся климатические явления. Регулируя тепло, влажность, свет,
облачность, туманы, атмосфера определяет агроклиматиче
ский потенциал территорий. Например, обеспеченность терри
тории ресурсами тепла определяется обычно по сумме темпе
ратур, превышающих 10 °С, для вегетационного периода. Дан
ный показатель используется также для агроклиматического
районирования.
Помимо тепловых ресурсов для продуктивности сельско
хозяйственных культур большое значение имеет режим увлаж
нения территории. Хорошо коррелирует с приростом фитомассы отношение продуктивного увлажнения (осадки минус сток)
к сумме активных температур (выше 10 °С) за вегетационный
период. При отсутствии надежных данных о поверхностном
стоке за вегетационный период часто используется более простой в расчетах так называемый гидротермический коэффициент (ГТК) Селянинова:
ÃÒÊ=10·R /S
,
t
-
-
-
-
-
-
-
-
ãäå R — сумма осадков, мм; S
— сумма активных температур.
t
Численный коэффициент 10 введен в формулу, исходя
из учета эмпирически установленного факта, что значение
0,1 S
личных климатических условиях
— примерно коррелирует с испаряемостью влаги в раз
t
2
.
Определение соотношения тепла и влажности важно так
же для самочувствия животных и человека. Например, уста
новлено, что хорошее самочувствие у человека сохраняется
при следующих сочетаниях температуры и влажности («зона
комфорта»):
1
Миланова Е. В., Рябчиков А. М. Использование природных ресурсов
и охрана природы. — М., 1986. — С. 93.
2
Òàì æå. — Ñ. 101.
-
-
-
50 ГЛАВА III. АТМОСФЕРА
Температура, °С Относительная влажность, %
20 85
25 60
30 44
35 33
Атмосфера играет фундаментальную роль во всех произ
водственных процессах, требующих затрат энергии. Эта энер
гия черпается за счет сжигания атмосферного кислорода. Кис
лород, хотя и относится к возобновляемым ресурсам, тем не
менее способен легко истощиться. При нынешнем уровне тех
нической оснащенности человечества расход кислорода уже
превысил 23 % от величины, ежегодно продуцируемой назем
ной растительностью. Для некоторых регионов, например,
США, общий расход кислорода вот уже несколько десятилетий устойчиво превышает то его количество, которое способны выработать все фитоценозы США. За всю историю человеческой цивилизации с момента, когда люди научились пользоваться огнем, на сжигание топлива было израсходовано более
273 млрд т кислорода. Причем около 90 % этого количества
было израсходовано за последние 50–60 лет.
Еще в 1970 году был сделан прогноз о том, что человечество в первую очередь столкнется с недостатком кислорода на
1
Земле
. Этот прогноз не потерял актуальность и сегодня.
§ 5. Атмосфера и климат
1. Климатические изменения в прошлом Земли
-
-
-
-
-
Люди издавна заметили, что за изменчивым ликом погоды
скрывается некий строгий закон, удерживающий эту изменчи
вость в определенных рамках. Скажем, такие параметры пого
ды, как температура, влажность и количество осадков, при
многолетнем их наблюдении обнаруживают высокую степень
устойчивости своих усредненных значений. Этот многолетний
1
Богоров В. Г. Океан и будущее человечества // Будущее науки. — М.,
1970. — Âûï. 3. — Ñ. 295–317.
-
-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]