Источники и стоки атмосферных газов

Как было сказано выше, валовое содержание газов в атмосфере поддержива­ется более или менее постоянным. Это постоянство обеспечивается наличием, как источников газов, так и их стоков, причем сумма входящих потоков каж­дого газа равна сумме исходящих потоков (то есть атмосфера находится в стационарном состоянии, вернее, находилась до начала промышленной рево­люции).

Существует четыре естественных пути поступления газов в атмо­сферу — дегазация магмы (расплавленной массы, находящейся в глубине Земли), жизнедеятельность организмов, химические реакции под действием электрических разрядов и излучения и испарение жидкостей. Стоков больше: химические реакции, растворение в воде (часто с последующими химиче­скими реакциями), разрушение под действием электромагнитного излучения, поглощение организмами, конденсация и рассеивание в космос.

Стоки атмосферных газов распределены практически по всей поверхности Земли или (для химических реакций) — по всему объему отдельных резер­вуаров атмосферы. А источники могут быть как распределенными (как для О₂ и СО₂), так и точечными (как для SO₂, HC1 и т.п.). Некоторые источники од­новременно являются стоками вследствие обратимости процессов поглоще­ния-выделения газа. Такими обратимыми источниками является выделение из раствора — растворение, некоторые химические реакции, живые орга­низмы и испарение — конденсация.

Виды источников

Дегазация магмы. В ходе формирования планеты большие количества раз­личных газов были зажаты в магме под огромным давлением и постепенно высвобождались в ходе прорыва магмы на поверхность (например, при из­вержении вулканов). Особенно активно дегазация происходила, когда Земля была юной и горячей. Тогда в атмосферу поступали СО₂, SO₂, галогеноводороды; в меньшей степени — азот и инертные газы. Для всех вышеупомянутых газов, кроме СО₂ и SO₂, магма и поныне остается основным источником. Магматические источники газов в основном точечные (жерла вулканов и специфические горные районы), хотя небольшие количества газов (в первую очередь гелия и радона) выделяются по всей поверхности Земли.

Выделение из водного раствора. Поскольку атмосфера находится в постоянном контакте с океанскими водами, в которых растворены различные газы, а растворимость газа зависит от условий, то при некоторых условиях газы могут переходить из гидросферы в атмосферу. Реально только для СО₂ этот процесс имеет значение.

Жизнедеятельность организмов. В ходе своей жизнедеятельности организмы выделяют самые разнообразные газы. Больше всего выделяется кислорода (продукт процесса фотосинтеза):

6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

и углекислого газа (отход процесса дыхания):

«С» + О₂ = СО₂

(«С» — углерод, присутствующий в органическом веществе). Если в атмосферу молодой Земли углекислый газ поступал только в результате дегазации магмы, то в наше время практически весь углекислый газ поступает как продукт дыхания организмов. Что же касается кислорода, то он поступает в атмосферу исключительно как продукт фотосинтеза — в магме его нет из-за того, что в ней присутствует много двухвалентного железа и сульфидов, которые с кислородом реагируют.

СО₂ и О₂ — продукты аэробного обмена веществ (то есть обмена с участием кислорода). Но существуют также анаэробный обмен веществ, то есть обмен без участия кислорода. В результате анаэробного обмена (анаэробного дыхания, брожения, гниения, восстановления сульфатов, денитрификации и т.д.) образуются многочисленные газы-восста­новители, такие как СН₄, H₂S, NH₃, COS, PH₃ и другие.

Биологические источники можно считать распределенными. Поскольку источником газа в ландшафте являются множество особей, то при моделировании большинства резервуаров биологические источники и стоки считают распределенными.

Химические реакции. Энергетические потоки, которые присутствуют в атмосфере, обеспечивают протекание различных химических реакций с участием газов. Продукты таких реакций часто весьма реакционноспособны.

Существует два вида энергетических потоков — электромагнитное излучение и грозовые разряды. Грозовые разряды поставляют в атмосферу оксид азота (II) и озон:

N₂ + O₂ (разряд) → 2NO