3.2. Екологічне значення основних компонентів атмосферного повітря

Загальна кількість вільного кисню в атмосфері оцінюється в 1,5·10¹⁵ т. В атмосфері кисень знаходиться не лише у вигляді молекул О₂. На висоті, що перевищує 150 км, йдуть процеси дисоціації О₂, і з’являються атоми кисню. Поряд з цим, відбувається і зворотний процес – синтез О₂. Тому в атмосфері вміст вільних атомів кисню малий, і підтримується постійна концентрація О₂ у нижньому її шарі. З висотою концентрація вільних атомів кисню збільшується за рахунок зниження інтенсивності його синтезу в О₂. На висоті приблизно 100 км і більше вільні атоми кисню є переважаючим компонентом атмосфери.

В повітрі кисень у молекулярному вигляді, як проста речовина досягає 21,3 % по масі. Кисень в цілому складає від 50 до 85% маси тваринних та рослинних тканин.

Вільний кисень відіграє велику роль в біохімічних та фізіологічних процесах, зокрема в процесі дихання. Виключно важливою є роль кисню в проходженні процесів фотосинтезу. Основними біогеохімічними процесами зв’язування та вивільнення кисню для нових реакцій в живих організмах є окислення-відновлення, аеробне дихання, аеробне бродіння.

Якщо не враховувати антропогенну діяльність, то на даний час процеси фотосинтезу і дихання врівноважені, тому накопичення кисню в атмосфері не відбувається, і його вміст залишається постійним.

У зв’язаному вигляді кисень входить до складу води, мінералів, гірських порід та усіх речовин, з яких побудовані живі організми (білків, жирів, вуглеводнів та ін.).

Вміст вуглекислого газу в атмосфері за різними даними становить лише 0,033 – 0,035%, проте з огляду на те, що він є природним ресурсом для фотосинтезу та формування рослинами фітомаси, його екологічне значення виключно важливе.

Відомо, що в процесі фотосинтезу рослини поглинають вуглекислий газ і виділяють кисень. Таким чином відбувається регенерація кисню в атмосфері. Вміст вуглекислого газу в атмосфері постійно збільшується як з природних причин, так і внаслідок техногенезу. Такі процеси як гниття, лісові пожежі, деякі інші хімічні реакції відбуваються з виділенням СО₂. У результаті техногенних викидів в атмосферу надходить величезна кількість вуглекислого газу. За рахунок діяльності людини щорічне надходження СО₂ в атмосферу перевищує 14 млрд. т. Тому його концентрація в атмосфері постійно збільшується. Моніторинг показав, що за останні 100 років вона зросла з 0,027 до 0,0325%, а в найближчі 100 років досягне 0,40%. Із збільшенням концентрації СО₂ учені пов’язують зміну багатьох екологічних умов на Землі, в тому числі й глобальне потепління. Повний цикл відновлення СО₂ в біосфері відбувається за 300 років.

Озон – це триатомна форма двоатомного кисню. Він утворюється в стратосфері у два етапи:

1. фотодисоціація –

О₂ + УФ-промені → О + О;

2. хімічна реакція –

О₂ + О + < М > → О + < М >;

(< М > – чужорідні частинки як співударні частинки).

В атмосфері озоновий шар розташований на висоті 15 – 20 – 30 км (за іншими даними – 15 – 35 км) і є природним захисним щитом для проникнення на поверхню Землі жорсткого ультрафіолетового випромінювання Сонця з довжиною хвиль 100 – 315 нм, яке призводить до порушення структури білків та нуклеїнових кислот і загибелі живих клітин. Тому важливою є підтримка постійної концентрації озону, до якої адаптувалися живі організми на Землі. У стратосфері існує рівновага між процесами утворення та розщеплення озону, однак внаслідок зростання обсягів викидів оксидів азоту, водню та фреонів, концентрація озону в атмосфері зменшується. Завдяки хімічним реакціям, що відбуваються між О₃ і NО, відбувається руйнація озону з утворенням молекул О₂:

О₃ +NO^- = NO₂ + O₂ ;

NO₂ + O = NO + O₂

Джерелами NO₂ і NO в атмосфері є, насамперед, викиди продуктів згоряння палива космічної та ракетної техніки, сучасних надзвукових літаків, азотні добрива, що при внесенні в ґрунт частково розпорошуються в атмосфері. За рахунок азотних добрив в атмосферу надходить 25–40% природного надходження закису азоту. Закис азоту утворюється й як побічний продукт спалювання різних видів палива.

Крім оксидів азоту в хімічних реакціях, що призводять до руйнування озону, беруть участь і оксиди водню:

ОН^- + О₃ = Н₂О +О₂ ;

Н₂О + О = ОН^- +О₂

Джерелом утворення оксидів водню є продукти дисоціації, утворені в результаті ультрафіолетового опромінення атмосферної води, а також промислові викиди. Руйнування озону відбувається й під впливом хлоро- і бромопохідних вуглецю (фреони), тетрахлориду карбону, метилхлороформу та ін. Особливу небезпеку становлять фреон – 11 (CFCl₃), фреон – 12 (CF₂Cl₂), галон 1211, які мають широке застосування як холо-доагенти в холодильній техніці та розпорошувачі в аерозольних упаковках дезодорантів, лаків, інсектицидів тощо. Під дією ультрафіолетового випромінювання фреони розкладаються з виділенням атомарного хлору, який є ефективним каталізатором в реакції розщеплення озону на кисень. Доведено, що один атом хлору призводить до розкладання 1000 тис. атомів озону.

Cl + O₃ = ClO + O₂ ;

ClO + O = Cl + O₂

Зменшення концентрації озону внаслідок його руйнації призвело до виникнення озонових дір – отворів в озоновому шарі, вміст озону в яких менший від звичайного на 40 – 50 %. Озонові дірки виявлено у Південній та Північній півкулі. В 1956 р. була відкрита озонова діра над Антарктикою, в 1968 р. про це вперше було повідомлено, а з 1978 р. зафіксоване постійне збільшення її розмірів. Як наслідок цього, в країнах Південної півкулі спостерігається підвищений ультрафіолетовий фон, що спричиняє збільшення частоти захворювань людей на онкозахворювання шкіри (базальноклітинний та лускатоклітинний рак) та катаракту очей. Озонова дірка виявлена й в Північній півкулі над Антарктикою (Шпіцберген). Процес зменшення озону в атмосфері невпинно триває: відбувається руйнування озонового шару над усією Північною Америкою, Європою, територією колишнього СРСР, Австралією, Новою Зеландією та частиною Південної Америки.

Знищенню озонового шару найбільш „сприяють” 25 країн світу, серед яких найактивнішими виробниками озоноруйнувальних речовин є США, Японія та Великобританія, внесок яких відповідно становить 30,85%, 12,42% та 8,62%. Незважаючи на вимоги Віденської конвенції про охорону озонового шару (набула чинності 22.09.1989 р.) та Монреальського протоколу про речовини, що руйнують озоновий шар (набув чинності 01.01.1989 р.), скорочення виробництва хладонів практично не відбувається, що спричиняє щорічне зростання кількості озоноруйнувальних речовин на 2%.

Вода постійно знаходиться в атмосфері у вигляді пари, а також у рідкому і твердому стані. Загальний вміст її в складі атмосфери коливається від 0,1 до 40 м² на кілограм сухого повітря. З висотою вміст вологи зменшується.

У складі атмосфери знаходяться й аерозолі, що являють собою дрібні часточки твердих тіл різних за походженням і природою.