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 +hн2O₃.

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:

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.

фотосинтез біосфера повітря природа 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 12 кг (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).

Фотосинтез це накопичення частини сонячної енергії шляхом перетворення її в потенціальну енергію хімічного зв’язку органічних речовин.

Фотосинтез — необхідна проміжна ланка між живою та неживою природою. Нобелевський лауреат А. Сент-Д'єрді писав: «Життям керує слабкий неперервний потік сонячної енергії». Без притоку енергії від Сонця життя на нашій планеті, підкоряючись другому закону термодинаміки, обірвалось би назавжди.

Значення фотосинтезу не усвідомлювалось до порівняно недавнього часу. Аристотель і інші вчені стародавньої Греції вважали, що рослини добувають свою «їжу» з ґрунту. Біля 350 років назад голландський природознавець Ян Баптист Ван Гельмінт (1579 — 1644) довів, що не один ґрунт «годує» рослини. Він вирощував дерево верби в глиняному горщику, поливаючи його тільки водою. Через 5 років маса дерева збільшилась на 74,4 кг, а маса ґрунту зменшилась тільки на 57 г. Гельмінт вирішив, що всі речовини рослини утворюються з води.

В кінці XVIII століття англійський вчений Джозеф Прістлі (1733 — 1804) відкрив, що рослини «виправляють» повітря. В закритій судині свічка гасла, а після того як туди помістили гілочку м’яти, свічка незабаром знову могла горіти. Досліди Прістлі вперше дозволили логічно пояснити, чому повітря на Землі залишається «чистим», не дивлячись на горіння незлічених вогнів і дихання багатьох тварин, що виділяють СО₂. Коли вченого нагороджували за відкриття, він сказав: «Рослини ростуть не даремно, а очищують і облагороджують нашу атмосферу». А в 1796 р. Голландський лікар Ян Інгенхауз (1730 — 1799) виявив, що повітря «виправляється» тільки на сонячному світлі і тільки зеленими частинами рослин.

Потім було з’ясовано, що в утворюючих при фотосинтезі органічних речовинах співвідношення вуглецю, водню і кисню такі, що на 1 атом вуглецю припадає якби 1 молекула води (СН₂О)_n, звідки і назва цукрів — «вуглеводи». Вважалось, що вуглеводи утворюються з вуглецю і води, а кисень виділяється з СО₂ .

Він припустив, що не СО₂, а вода розчиняється при фотосинтезі, і запропонував наступне сумарне рівняння фотосинтезу:

CO ₂ + 2H ₂ A — (СН₂О) _n + H₂O + 2A .

Для водоростей і зелених рослин сумарне рівняння фотосинтезу стали записувати наступним чином:

6CO ₂ + 6H ₂О — С₆Н₁₂О ₆ + H₂O + 6О_{2 .}

Синтезування рослинами вуглеводи (глюкоза, сахароза, крохмаль і ін.) є головним джерелом енергії для більшості гетеротрофних організмів, що населяють нашу планету.