10. Современный состав и происхождение атмосферы.

Атмосфера – газовая оболочка, окружающая Землю и вращающаяся вместе с ней. Масса атмосферы нашей планеты ничтожна – всего лишь одна миллионная массы Земли. Однако ее роль в природных процессах биосферы огромна. Наличие вокруг земного шара атмосферы определяет общий тепловой режим поверхности нашей планеты, защищает ее от вредных космического и ультрафиолетового излучений. Циркуляция атмосферы оказывает влияние на местные климатические условия, а через них на режим рек, почвенно-растительный покров и на процесс рельефообразования.

Современный газовый состав атмосферы – результат длительного исторического развития земного шара. Он представляет собой в основном газовую смесь двух компонентов – азота (78,09%) и кислорода (20,95%).

В нормальных условиях в нем присутствуют аргон (0,93%), углекислый газ (0,03%), незначительное количество инертных газов (неон, гелий, криптон, ксенон), аммиак, метан, озон, диоксид серы и другие газы. Наряду с газами в атмосфере содержатся твердые частицы, поступающие с поверхности Земли (например, продукты горения, вулканической деятельности, частицы почвы) и из космоса (космическая пыль), а также различные продукты растительного, животного и микробного происхождения.

Наибольшее значение для жизни экосистем имеют три газа, входящие в состав атмосферы: кислород, углекислый газ и азот. Эти газы участвуют в основных биохимических циклах.

Кислород играет важнейшую роль в жизни большинства живых организмов на нашей планете. Он необходим для дыхания. Кислород не всегда входил в состав земной атмосферы. Он появился в результате жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов. Под действием ультрафиолетовых лучей он превращался в озон. По мере накопления озона произошло образование озонового слоя в верхних слоях атмосферы. Озоновый слой, как экран, надежно защищает поверхность Земли от ультрафиолетовой радиации, гибельной для живых организмов.

Современная атмосфера содержит едва ли не двадцатую часть кислорода, имеющегося на нашей планете.

Главные запасы кислорода сосредоточены в карбонатах, органических веществах и окислах железа, часть кислорода растворена в воде.

В атмосфере, по-видимому, сложилось приблизительное равновесие между производством кислорода в процессе фотосинтеза и его потреблением живыми организмами. В последнее время появилась опасность, что в результате человеческой деятельности запасы кислорода в атмосфере могут уменьшиться. Особую угрозу представляет разрушение озонового слоя, которое наблюдается в последние годы. Большинство ученых связывает это с деятельностью человека.

Круговорот кислорода в биосфере необычайно сложен, так как с ним вступают в реакцию большое число органических и неорганических веществ, а также водород, соединяясь с которым, кислород образует воду.

Углекислый газ (диоксид углерода) используется в процессе фотосинтеза для образования органических веществ.

Именно благодаря этому процессу замыкается круговорот углерода в биосфере. Как и кислород, углерод входит в состав почв, растений, животных, участвует в многообразных механизмах круговорота веществ в природе. Содержание углекислого газа в воздухе, который мы вдыхаем, примерно одинаково в различных районах планеты. Исключение составляют крупные города, в которых содержание этого газа в воздухе бывает выше нормы.

Некоторые колебания содержания углекислого газа в воздухе местности зависят от времени суток, сезона года, биомассы растительности. Так, в тропических дождевых лесах наблюдаются локальные скопления углекислого газа, превышающие иногда атмосферную норму до 30 раз. В то же время известно, что с начала ХХ в. среднее содержание углекислого газа в атмосфере, хотя и медленно, но постоянно увеличивается. Ученые связывают этот процесс, главным образом, с деятельностью человека.

Азот – незаменимый биогенный элемент, поскольку он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Атмосфера – неисчерпаемый резервуар азота, однако основная часть живых организмов не может его непосредственно использовать: он должен быть предварительно связан в виде химических соединений.

Частично азот поступает из атмосферы в экосистемы в виде окиси азота, образующегося под действием электрических разрядов во время гроз. Однако основная часть азота в воде и почве – результат его биологической фиксации. Существуют несколько видов бактерий и сине-зеленых водорослей, которые способны фиксировать азот атмосферы. В результате их деятельности, а также благодаря разложению органических остатков в почве растения-автотрофы получают возможность усваивать необходимый азот.

Круговорот азота тесно связан с круговоротом углерода. Несмотря на большую сложность, чем круговорот углерода, он, как правило, происходит быстрее.

Если вмешательство человека в экосистемы незначительно, то в биосфере сохраняется равновесие. Однако усиливающееся влияние человека на природу – вырубка лесов, которые выделяют кислород и испаряют много воды, сжигание больших количеств топлива, содержащего углерод, уменьшение испарения с поверхности океана из-за загрязнения нефтью – нарушает круговороты веществ и приводит к глобальному ухудшению состояния биосферы.

Опасная перспектива изменения биосферы – потепление климата под влиянием парникового эффекта. Диоксид углерода, а также метан, оксиды азота, некоторые другие газы и пыль в атмосфере по своему влиянию на тепловой режим планеты подобны полиэтиленовой пленке над парником. « Пленочное покрытие » пропускает к Земле прямые лучи солнца, но задерживает тепло, отраженное ее поверхностью. Поэтому влияние загрязнения на изменения температуры в атмосфере называют « парниковым эффектом ». В результате хозяйственной деятельности человека концентрация газов и пыли в атмосфере возрастает, и парниковый эффект усиливается. Если этот процесс не будет приостановлен, может начаться таяние льдов Антарктики и Арктики, горных ледников. Уровень Мирового океана может подняться на несколько метров. При повышении уровня Мирового океана на 1 м будут затоплены территории, на которых проживает 1 млрд человек, с лица Земли исчезнет большая часть таких государств, как Бангладеш и Нидерланды.

Не менее опасно для биосферы и разрушение озонового слоя, который расположен на высоте 15–50 км от земной поверхности и защищает живые организмы от опасных коротковолновых ультрафиолетовых лучей. Озоновый слой разрушается в результате попадания на него летучих хлорфторорганических соединений, которые распадаются под действием солнечного света. Каждый атом хлора или фтора, попавший в озоновый слой, может разрушить до 105 молекул озона.

Последствий разрушения озонового слоя может быть множество. Обычно в первую очередь говорят о росте числа раковых заболеваний, прежде всего рака кожи, который вызывается увеличением на поверхности Земли ультрафиолетового излучения. По оценкам ученых, уменьшение толщины озонового слоя на 1% повысит интенсивность ультрафиолетового излучения на поверхности Земли на 2%, что увеличит уровень заболеваемости раком кожи на 3–6%. Ультрафиолетовое излучение, поступающее к Земле, при превышении некоторой критической дозы, угнетает фотосинтез растений. А это в свою очередь приводит к уменьшению кислорода в атмосфере, содержание которого и так падает из-за сжигания 15 млрд т топлива в год.

Возрастающее ультрафиолетовое излучение губительно действует на молекулы ДНК и РНК, приводя к генетическим изменениям.