Раздел 2. Современная атмосфера и характеристика основных ее составляющих

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 (Приложение 2.1.). 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 [1, с. 1].

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 [1, с. 2].

В атмосфере сложилось приблизительное равновесие между производством кислорода в процессе фотосинтеза и его потреблением живыми организмами. 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 [4, с. 2].

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.

Также важной активной компонентой атмосферы является водяной пар (и вода в каплях облаков). Содержание водяного пара и воды в атмосфере достигает (0, 12 – 0, 13)·1020 г, что в пересчете на слой конденсированной воды составляет 2, 5 см (25 мм), или в среднем 2, 5 г/см² земной поверхности. Если учесть среднегодовое испарение и выпадение осадков, приблизительно равное 780 мм водяного столба, то можно определить, что водяной пар в атмосфере обновляется примерно 30 раз в году, или каждые 12 дней.

По распределению температуры в атмосфере Земли можно выделить три характерных слоя. Нижний и наиболее плотный слой земной атмосферы – ее тропосфера простирается до высот порядка 8–10 км в высоких широтах и до 16–18 км в экваториальном поясе (в среднем до 12 км), содержит около 80% массы всей атмосферы и характеризуется почти линейным распределением температуры [3, с. 1].

Средний слой уже существенно разреженной атмосферы включает в себя стратосферу и мезосферу и характеризуется крупным максимумом температуры, достигающим 270 К на высотах около 50 км. Этот температурный максимум связан с поглощением озоном ультрафиолетового излучения Солнца.

Еще выше расположена термосфера, в которой температура увеличивается с высотой до 1000 К и более, а на высотах, превышающих 1000 км, термосфера постепенно переходит в экзосферу и далее в открытый космос (Приложение 2.2.). Между тропосферой и стратосферой, мезосферой и термосферой существуют переходные слои, соответственно тропопауза, с температурами около 190–220 К и мезопауза с температурами, близкими к 180–190 К. Распределение температуры в тропосфере Земли принципиально отличается от ее распределения в стратосфере, мезосфере и термосфере. В тропосфере это распределение почти линейное, тогда как в верхней атмосфере оно резко нелинейное с характерным максимумом на высотах около 50 км и ростом температуры выше 90 км. Максимум температуры на высотах около 50 км связан с поглощением ультрафиолетового излучения Солнца озоном, повышение температуры выше 90 км связано с ионизацией разреженного воздуха жестким излучением Солнца [3, с. 2]. Таким образом, в стратосфере и мезосфере температура в основном определяется радиационным механизмом передачи тепла, тогда как распределение температуры в тропосфере определяется другими процессами, главным из которых является конвективный вынос тепла из этого нижнего и плотного слоя атмосферы в стратосферу, где далее оно теряется в космосе уже радиационным путем.