АТМОСФЕРНЕ ПОВІТРЯ І ЙОГО ЗНАЧЕННЯ

Відповідно до сучасних уявлень, що ґрунтується на визначенні вмісту ізотопів свинцю в найдавніших уранових породах, наша планета утворилася близько 4,6 млрд. років тому з газопилевої хмари, розсіяної в навколосонячному просторі. На нашій планеті спочатку не було взагалі ніякої атмосфери. Перш ніж набути сучасні свої властивості і склад, земна атмосфера пройшла кілька стадій розвитку. Древня атмосфера дуже сильно відрізнялася від теперішньої. У самий ранній період формування щільної атмосфери навколо Землі, що остигає, очевидно, відбувалося за рахунок парів і газів, що виділяються в результаті дегазації мантії. Передбачається, що надалі формування атмосфери відбувалося за рахунок газів, що викидаються вулканами протягом перших 500 млн. років існування Землі, що складалися з водню, водяної пари, метану, оксидів вуглецю, аміаку й ін.

Отже, початкова атмосфера була відбудовною і містила незначну кількість кисню, що утворювався за рахунок фотодисоціації водяної пари під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця і дегазації базальтової магми. Конденсація водяної пари близько 4 млрд. років тому призвела до утворення гідросфери.

Через відсутність значних кількостей кисню, а отже, і озону, ультрафіолетові промені легко проникали крізь атмосферу, що створювало сприятливі умови для утворення таких органічних речовин, як амінокислоти і піридинових основ, що є найголовнішими складовими частинами живої матерії. Вихідними речовинами для цього процесу служили молекули метану, оксиду вуглецю (II), водню, води й аміаку. Необхідно відзначити, що передумовою ускладнення структури являлася відсутність повної деструкції молекул органічних сполук до вуглекислого газу і води, як це відбувається при наявності в атмосфері кисню. Отже, у відбудовній атмосфері відбувалося не окислювання органічних речовин, а розкладання їх на окремі фрагменти, що служили вихідним матеріалом для синтезу більш складних речовин. Ці органічні речовини могли поступово накопичуватися в окремих, найбільш сприятливих місцях первісного океану, наприклад на берегах, що забезпечило виникнення життя і її прогресивну еволюцію. Першими видами живих організмів були, імовірно, бактерії, у яких обмін речовин відбувався без участі кисню. Вони одержали назву анаеробних.

Отже, на ранній стадії розвитку існувала анаеробна відбудовна атмосфера, і якщо, зрештою, відбувся перехід до атмосфери окисної й аеробний, то фактором, відповідальним за цей перехід, стала життєдіяльність фотосинтезуючих організмів. Сутність життєдіяльності цих організмів полягає в тому, що при поглинанні з зовнішнього середовища неорганічних речовин (вуглекислого газу і води) і сонячної енергії за допомогою хлорофілу вони виробляють органічні речовини і кисень. Сумарна хімічна реакція цього процесу виражається рівнянням:

---

Таким чином, живі організми, що з'явилися у водах древнього океану, стали визначальним фактором розвитку атмосфери. Найважливішим результатом діяльності цих організмів стало нагромадження великої кількості кисню в атмосфері, що супроводжувалось поглинанням вуглекислого газу.

Нагромадження в атмосфері кисню сприяло виникненню озонового шару, що здатний затримувати велику частину короткохвильових і ультрафіолетових променів, згубних для всього живих. 0зоновий шар утворився на висоті 25—30 км від поверхні Землі за рахунок фотохімічної реакції

3O₂ +hν 2O₃.

Як тільки озоновий шар атмосфери сформувався цілком, ультрафіолетові промені вже не досягали поверхні Землі і живі організми змогли жити на суші. Еволюція живих організмів пішла ще швидше завдяки пишному розвитку рослинності. Весь вміст кисню, що збільшується, в атмосфері сприяло окислюванню аміаку, що виділяється при інтенсивному вулканізмі. У результаті реакції окислювання аміаку утворювався азот:

4NH₃ + 3O₂ =2N₂+6H₂O.

Так поступово створювалася азотно-киснева атмосфера Землі. Більша частина кисню, що виділився унаслідок фотосинтезу за геологічну історію планети, була похована в літосфері у вигляді карбонатів, сульфатів, оксидів заліза й інших осадових утворень. Похованню піддавався не тільки кисень, але і вуглець. Продукцією біохімічної діяльності живих організмів стали поклади кам'яних і бурих вугіль, нафти.

Процес поховання органічної речовини сприяв збіднінню атмосфери вуглекислим газом і збагаченню киснем. Древня атмосфера, по сучасних розрахунках, була насичена CO₂ у 1000 разів більше, ніж сучасна. Джерелом фотосинтетичного кисню є морська і континентальна рослинність. Близько 80 % загальної його кількості утвориться в результаті життєдіяльності фітопланктону, що міститься у верхніх шарах морів і океанів. Фітопланктон являє собою мікроскопічні рослинні морські організми. Наземні рослинні організми дають приблизно 20 % фотосинтетичного кисню. За сучасними уявленнями, весь вільний кисень атмосфери утворився в основному за рахунок двох могутніх джерел — фотосинтетичного й ендогенного (глибинного), тобто в результаті дегазації базальтової магми.

По підрахунках В. И. Вернадського, загальна кількість вільного кисню в атмосфері оцінюється в 1,5 • 10¹⁵ т, що погодиться з теперішніми визначеннями.

В атмосферному повітрі містяться різні домішки — пил, гази і т.д. Частина цих домішок має природне походження. Наприклад, вулканічна я ґрунтовий пил, пил лісових пожеж і т.д. Гниття органічних речовин веде до надходження в атмосферу сірководню, аміаку; шумування вуглевмісних речовин - до виділення метану. В атмосфері є різні неорганічні солі, що потрапляють у неї з океанів і морів у результаті випару і розбризкування під час хвилювання. При випарі води солі надходять у повітря в молекулярно-дисперсному стані. З 1 м³ води відноситься 0,5 м солі. При випарі з усієї поверхні Світового океану (500 тис. км²) в атмосферу щорічно переходить з водяною парою приблизно 250 млн. т розчинених речовин, до складу яких входять такі елементи: йод, бром, свинець, цинк, мідь, нікель і ін. Наприклад, щорічно з морської води в атмосферу випаровується близько 50 000 т йоду. Але головним природним джерелом металів в атмосфері є пил, утворена при вивітрюванні гірських порід і стерпна вітровими потоками. Деяка кількість металів приносить космічний пил, 1 млн. т яке щорічно осідає на поверхню Землі. В даний час головним постачальником металів в атмосферу є антропогенні джерела, що приносять у повітря в 18 разів більше свинцю, у 9 — більше кадмію й у 7 разів більше цинку.

---

За останнє десятиліття в атмосферу надійшло свинцю більше, ніж за всю історію цивілізації до 1900 р. Кількість вуглекислого газу, що щорічно утвориться в сфері товарного виробництва, у 100—200 разів більше, ніж його надходження при виверженні вулканів. Під дією земного радіоактивного випромінювання і космічних променів в атмосфері утвориться багато іонів. У 1 див³ повітря їх може міститися від декількох сотень до декількох десятків тисяч.

Таким чином, атмосфера складається з чотирьох основних і декількох другорядних газів і містить багато домішок. Середній хімічний склад сухого атмосферного повітря в об'ємних частках, %, характеризується даними:

Компонент N₂ O₂ Ar CO₂ Kr N He H₂

Об'ємна

частка, % 78,1 20,93 0,93 0,03—0,04 0,0001 0,0018 0,0005 0,00005

Безпосередніми складовими атмосфери природного походження є SO₂, HF, HC1 (вулканічного походження), а також H₂S (із природного газу). В атмосфері завжди присутня водяна пара. Кількість водяної пари в тропосфері залежить від часу року і географічної широти. Маса води, що міститься в атмосфері, досягає 13,25 • 10¹² т.

У тропосферу безупинно надходить пил різного походження — космічний, вулканічний, ґрунтова, пил лісових пожеж. Звичайно в природних умовах на 1 км² щорічно випадає близько 5 т пилу.

Хімічний склад атмосфери залишається практично постійним протягом багатьох мільйонів років. Це можна пояснити тим, що її склад регулюється біологічними процесами, що відбуваються в напрямку оптимізації умов розвитку біосфери. Як писав В. И. Вернадський, життя створює в оточуючому її середовищі умови, сприятливі для свого існування.

Маса атмосфери складає 5,15 • 10¹⁸ т. 50 % маси атмосфери зосереджено в шарі товщиною 5,5 км від поверхні Землі, а в шарі товщиною 40 км — 99 %. По характеру зміни температури із збільшенням висоти можна виділити кілька шарів, розділених вузькими перехідними зонами. У нижньому, що примикає до Землі шарі — тропосфері — до висоти 8—12 км температура може змінюватися в інтервалі +40...—50 °С. У цьому шарі зосереджена значна кількість води (у вигляді хмар і водяної пари). У стратосфері (12—40 км) температура залишається приблизно постійної до висоти 25 км, а потім поступово зростає до +10 °С. У стратосферу входить озоновий шар (25—40 км). У термосфері (іоносфері) є значна кількість іонізованих часток.

В іоносфері містяться іони: , , _,,, і інші, котрі утворяться з кисню, азоту, оксидів азоту під дією сонячної радіації. Незважаючи на те що в атмосфері протікають численні фізичні і хімічні процеси, її приземний шар зберігає практично незмінний склад, що обумовлюється інтенсивним переміщенням. Однак концентрації окремих компонентів коливаються у відносно широкому інтервалі. Наприклад, вміст водяної пари швидко зменшується з висотою. Молекула води в атмосфері в середньому знаходиться десять діб і переміщається приблизно на відстань до 3000 км. Водяна пара є одним з основних поглиначів сонячної енергії, і тому зменшення його концентрації з висотою приводить до зниження температури.

---

Вирішальний вплив на тепловий режим стратосфери здійснює вміст у ній озону. Поглинання шаром озону ультрафіолетового випромінювання Сонця не тільки визначає тепловий режим стратосфери, але і має велике біологічне значення для існування життя на нашій планеті. Загальний вміст озону досягає 3,2 млрд. т, чи 0,0006 % усієї маси атмосфери. Під час відсутності озонового екрана життя в біосфері була б неможлива.

Найбільша кількість сонячної енергії поглинається в низьких широтах, у результаті чого атмосфера в різних районах нагрівається нерівномірно. Особливо великі різниці температури спостерігаються між північним і південним полюсами й екватором. Таке нерівномірне нагрівання викликає циркуляцію атмосфери, що сприяє переміщенню великих мас повітря на великі відстані. Тому що в атмосфері присутні численні хімічні сполуки, то між ними відбуваються різні хімічні реакції, особливо фотохімічні. Наприклад, оксид азоту (II), вступаючи в хімічну взаємодію з озоном, може призвести до руйнування озонового шару:

NO + O₃ NO₂ + O₂; NO₂ + O NO + O₂.

Взаємодія водяної пари з кислотоутворюючими оксидами призводить до утворення кислот, що сприяє виводу цих оксидів з атмосфери, наприклад:

4NO₂ + 2H₂O + O₂ = 4HNO₃; H₂O + SO₂ H₂SO₃; 2H₂SO₃ + O₂ = 2H₂SO₄.

Між атмосферою, гідросферою і літосферою відбувається взаємодія шляхом передачі як енергії, так і маси. Наприклад, атмосферний оксид вуглецю (IV) і кисень у залежності від умов розчиняються у воді, особливо при знижених температурах. Тому вночі й узимку океан поглинає гази, а влітку і вдень їх виділяє. Світовий океан протягом року поглинає з атмосфери 29,3 млрд. т CO₂, а виділяє на 4,7 млрд. т менше. Підвищене поглинання СO₂ можна пояснити випаданням його в донних відкладеннях (утворення нерозчинних карбонатів).

Повітряна атмосфера має велике значення для природи. Вона захищає біосферу від космічної радіації, є джерелом кисню, без якого неможлива життя на Землі, регулює клімат планети і її тепловий баланс, сприяє круговороту кисню, води, вуглекислого газу й інших речовин, впливає на родючість ґрунту і т.д. Атмосферне повітря використовується як джерело енергії і сировини для хімічної промисловості, як постачальник кисню в процесах дихання, горіння. Наприклад, з повітря одержують кисень, азот, аргон і інші гази. Незважаючи на велику витрату кисню в різних процесах, концентрація його в атмосфері залишається практично постійною, що вказує на великі можливості саморегуляції біосфери. Протікання яких процесів сприяє сталості вмісту кисню в атмосфері? В даний час доведено, що інтенсивність фотосинтезу знижується при підвищеній концентрації кисню і підвищується при зниженій. Установлено також, що підвищення концентрації вуглекислого газу і температури сприяє протіканню реакції фотосинтезу. Отже, два основних процеси визначають біосферний цикл кисню і вуглецю — це фотосинтез і горіння (дихання), що збалансовані так точно, що газовий склад атмосфери залишається постійним.

---

Оксид вуглецю (IV) також є життєво важливим компонентом. Він бере участь у круговороті вуглецю, поглинає інфрачервоне випромінювання Землі, зменшує охолодження її поверхні, бере участь у фотосинтезі. Велика роль його й у життєдіяльності тварин і людини: він є фізіологічним збудником дихального центру.

Життєво важливим компонентом атмосфери є також азот, що бере участь у круговороті речовин і служить інертним розріджувачем кисню. Тому роль азоту як розріджувача кисню велика. Будучи обов'язковою складовою частиною білка, він відіграє велику роль у житті організмів. Його вміст у білку складає 15—19 %. Однак абсолютна більшість живих організмів не може засвоювати азот безпосередньо з атмосфери. Тільки деякі види мікробів у ґрунтах і клубеньковые бактерії, що розвиваються на коренях бобових культур, здатні засвоювати атмосферний азот. Основними формами азоту, засвоюваними рослинами, є іони і .

Установлено також, що нітратна форма азоту є більш доступною для рослин. Значних концентрацій іонів і в ґрунті не виявлено. Отже рослини беруть азот для забезпечення життєдіяльності тільки з атмосфери, за рахунок хімічної реакції між азотом і киснем. Утворені при цьому оксиди азоту, взаємодіючи з водяною парою, утворять азотну кислоту. Тому краплі дощу завжди містять розчинену в них кислоту.

Оксиди азоту сприяють також підтримці стабільної концентрації озону в атмосфері. Отже, азот атмосфери далеко не нейтральний газ, як вважали раніш. Як і кисень, він відіграє важливу роль у біологічних і інших процесах, головним чином у життєзабезпеченні. Подібно кисню і вуглекислому газу азот відповідальний за розвиток біосфери. Азот і його сполуки, що виникають в атмосфері в результаті грозових розрядів, не тільки служать для формування білка і нуклеїнових кислот рослинами, але і є також природними, постійно діючими факторами, що забезпечують мінеральне живлення рослин.

Значення повітря

Відомо, що чисте повітря і вода є запорукою здоров'я і до­вголіття людини. Навіть незначне збільшення в них деяких токсичних домішок часто призводить до невиліковних хвороб усього людського організму. Важко сказати, чистота якого з трьох компонентів, що їх споживає організм людини з навколишнього середовища (повітря, вода, харчування), має більше значення для здоров'я. Але відомо, що за до­бу доросла людина споживає в середньому 12кг (9300 л) повітря, тобто у 8 разів більше, ніж води, і в 12 разів — ніж харчів.

Фотосинтетичні процеси в біосфери

Життя на Землі залежить від потоку енергії, яка утворюється в результаті термоядерних реакцій, що проходять в надрах Сонця. Близько 1% сонячної енергії, що сягає Землі, перетворюється клітинами рослин (і деяких бактерій) в хімічну енергію синтезованих вуглеводів.

Утворення органічних речовин на світлі називається фотосинтезом (гр. photo - світло, synthesis - з’єднання).

---