Атмосфера в составе биосферы

Атмосфера в составе биосферы – газовая среда обитания организмов. До появления фотосинтезирующих организмов она формировалась в основном из вулканических газов. С превращением бескислородной атмосферы в кислородную связаны основные этапы биологической эволюции биосферы. Сегодняшний состав атмосферы существенно отличается о вулканических газов, за счет которых она возникла. Это свидетельствует о том, что в течение геологической истории Земли происходили мощные процессы, изменившие состав ее газовой оболочки. Эти процессы связывают с активностью живого населения биосферы. Расчеты показывают, что в добиологический период атмосфера Земли мало отличалась от близкой к ней по размерам и расстоянию от Солнца Венеры. Первоначально атмосфера Земли состояла из углекислого газа (98 %) и азота (1,5 %).

Чистый воздух на уровне моря представляет собой механическую смесь нескольких газов. Соотношение между главными составляющими атмосферу газами – азотом (объемная концентрация 78,08 %) и кислородом (20,95%) постоянно. Кроме них в атмосферном воздухе содержится аргон (0,93 %) и углекислый газ (0,03 %). Количество остальных газов неона, гелия, криптона, ксенона, водорода, йода, угарного газа и оксидов азота – ничтожно мало (менее 0,01 %). Важнейшими компонентами атмосферы являются озон и углекислый газ, которые контролируют функционирование биосферы.

Почти 50 % всей массы атмосферы сосредоточено в нижнем 5-километровом ее слое, 75 % - в 10-километровом и 90 % - в 16-километровом. Выше 3 тыс. км плотность атмосферы мало чем отличается от плотности межпланетного пространства, хотя следы атмосферы обнаружены на высоте 10 тыс. км.

Озон – трехатомный кислород (О₃) присутствует в атмосфере Земли до высоты 70км. В приземном слое он образуется под влиянием случайных факторов (грозовые разряды, окисление органического вещества и др.). Озон чрезвычайно ядовит (больше чем угарный газ - СО). В более высоких слоях атмосферы (стратосфере) озон образуется в результате воздействия ультрафиолетового излучения на молекулу кислорода, которая вначале распадается на атомарный кислород (О₂ ® О + О). В конечном итоге этой фотохимической реакции появляется озон (О₂ + О ® О₃). Озоновый слой располагается на высоте 10 – 100 км; максимальная его концентрация наблюдается на высоте 25 км. Слой максимальной концентрации озона на высоте 20 – 25 км получил название озонового экрана. Озоновый экран имеет громадное значение для сохранения жизни на Земле. В озоновом слое поглощается большая часть, идущего от Солнца, ультрафиолетового излучения с длиной волны меньше 400 нм. Поверхность Земли достигает лишь часть ультрафиолетового излучения с длиной волны 280 нм. Благодаря озоновому слою (хотя его толщина, приведенная к нормальным условиям давления атмосферы и температуры на поверхности Земли, составляет около 3 мм) наиболее активная в биологическом отношении часть солнечной радиации не может губительно воздействовать на живые организмы.

В целом озоновый слой поглощает около 13 % солнечной энергии. Благодаря этому поглощению температура в стратосфере (выше 10 км) значительно повышается. Если в тропосфере (до 10 км) температура понижается в среднем на 0,6 ⁰С на каждые 100 м, до –60 ⁰С и более, то в стратосфере, благодаря наличию озона, она повышается, достигая над экватором 0 ⁰С и над полюсами 10 ⁰С. В мезосфере на высоте 75 – 80 км температура вновь понижается до – 80 ⁰С и более.

Колебания количества озона в стратосфере происходит под влиянием естественных причин (изменение интенсивности ультрафиолетового излучения, активности Солнца и др.). Эти вариации, вероятно, являются, одной из причин изменения климата на Земле.

Уменьшение озона в стратосфере связано с антропогенным фактором. Этот газ обладает сильными окислительными свойствами и вступает в активные фотохимические реакции с фреонами, оксидами азота и другими загрязняющими газообразными веществами. В «озоновых дырах» содержание озона меньше, чем в самом экране. Защитные свойства уменьшаются и при полном исчезновении озона из этой дыры, под ней последует незамедлительная гибель всего живого, включая и человека.

Кроме защиты Земли от ультрафиолетового излучения Солнца, важнейшим свойством атмосферы является аккумуляция тепла, которая вызывает парниковый эффект. Современная средняя температура воздуха у поверхности Земли составляет 14,6 ⁰С и отражает динамическое равновесие между приходящей и уходящей радиацией. Практически единственным энергетическим источником всех природных процессов в биосфере служит солнечная радиация, поставляющая 99,98 % всего тепла на земную поверхность. Его интенсивность равна 1,95 кал/(см²×мин) и называется солнечной постоянной. Годовые колебание ее составляют ± 3,5 %. Около 33 % солнечной энергии, поступающей на верхнюю границу атмосферы, отражается в мировое пространство. Примерно сколько же этой энергии отражается верхним слоем облаков и земной поверхностью. Атмосфера поглощает до 20 % солнечной радиации (в том числе озоновый слой до 13 %) и активно участвует в создании парникового эффекта. Остальная часть (около 15 %) солнечной энергии достигает земной поверхности и нагревает верхние слои почвы, горных пород и воду, а также участвует в различных фотохимических реакциях, в том числе и в фотосинтезе. Нагреваясь за счет поглощения солнечной энергии, земная поверхность становится источником земного, в основном длинноволнового излучения, которое почти полностью поглощается атмосферой. Основным поглотителем этого излучения является водяной пар. Ночью при ясном небе потери тепловой энергии способствуют охлаждению земной поверхности. Из остальных поглотителей длинноволнового излучения следует назвать различные примеси в атмосфере и углекислый газ, который прозрачен для коротковолнового солнечного излучения и непрозрачен для длинноволнового земного.

В качестве основных причин, вызывающих изменение климата можно назвать непостоянство солнечной активности, изменение магнитного поля Земли и атмосферного электрического поля, вариации концентрации озона и углекислого газа в атмосфере. В частности, похолодание за последние 25 млн. лет связано с уменьшением углекислого газа в атмосфере. Вероятная причина уменьшения углекислого газа обусловлена уменьшением вулканической деятельности.

Антропогенное загрязнение воздушного бассейна углекислым газом не только предотвратило дальнейшее вероятное снижение его концентрации при современной малоактивной вулканической деятельности, но и привело к некоторому его увеличению, усилив «парниковый эффект» атмосферы.