ЭКОЛОГИЯ ЧАСТЬ 2
Если эта величина мала, то газ легко улетучивается
с планеты в космос, а для существования стабильной, мощной атмосферы
£,0 должно быть значительно больше единицы.
7.2. Геосферные оболочки Земли 209
7.2.2.1. Структура атмосферы
Параметры, характеризующие атмосферу (температура,
давление, химический состав и др.), изменяются прежде всего
с высотой относительно уровня моря, а характеризующие нижние
слои зависят и от географической широты. Вертикальная
структура атмосферы приведена на рис. 7.5, а—в. Давление Р,
так же как и плотность газов атмосферы, связаны с изменением
сил гравитации по мере удаления от поверхности планеты,
а температура зависит от того, как взаимодействует излучение
Солнца с разными газами в различных слоях атмосферы, а
именно — как эти газы поглощают излучения разных длин
волн. При этом все же большая часть излучения Солнца, имеющая
длины волн вблизи максимума спектра, не поглощается атмосферой
и доходит до поверхности Земли, согревая ее.
Описанные тепловые процессы и график изменения температуры
Т газов по высоте Н относятся только к дневной, освещенной
стороне Земли, а на ночной происходит охлаждение.
Тем не менее слоистая структура атмосферы сохраняется и
ночью, ибо полусуток недостаточно для размывания тропо-,
страто-, мезо-, термо- и экзосферы. Только полярной ночью атмосфера
сложена иначе.
Высота слоя тропосферы изменяется от 7—10 км над полюсами
до 16—18 км над экватором. Тропосфера содержит
почти половину всего водяного пара атмосферы, при конденсации
которого образуется облачность нижняя (до высоты 1—
2 км), средняя (на высоте 2—4 км) и верхняя (6—10 км). Содержание
водяных паров может колебаться от 0 по объему в
сухом воздухе до почти 4% в максимально влажном.
При нормальном состоянии тропосферы ей присуще снижение
температуры воздуха с градиентом 6,5 °С на 1 км высоты,
которое в значительной степени зависит от содержания паров воды
и С02 . Иногда (при температурной инверсии) на отдельных
высотах температура либо перестает изменяться с высотой, либо
увеличивается, что нарушает нормальную циркуляцию воздуха.
7.2.2.2. Газовый состав
Первичный состав атмосферы Земли определили газообразные
продукты химических реакций, происходивших
в первичном веществе под действием высоких давлений и температур;
при этом в земной атмосфере оказалось так много паров
воды, что большая их часть сконденсировалась, образовав
210 Глава 7. БИОСФЕРА
первичный океан. Эти процессы продолжаются на Земле и сейчас,
хотя уже совсем не так интенсивно, как в начале эволюции.
И ныне обновляется земная кора, а вулканы выбрасывают
разнообразные газы, присутствие которых в современной атмосфере
незаметно. Причина в том, что все газы находятся
в динамическом равновесии друг с другом, с океаном и с веществами
земных пород. Кислотные оксиды легко растворяются
в воде, образуя кислоты. Взаимодействие кислот с основными
оксидами земной коры дает соли, часть которых растворима и
остается в океане, а другая нерастворимая часть образует осадочные
породы.
Сухой воздух, лишенный твердых примесей, по составу
практически одинаков по всей территории земного шара. На
уровне моря он представляет собой физическую смесь газов —
преимущественно азота и кислорода.
Состав атмосферного воздуха над незагрязненной территорией
(на уровне моря) приведен в табл. 7.2, а изменение его состава
и давления с высотой над уровнем моря — в табл. 7.3.
н, км
-100 -60 -20
ОД 10 103 105 -40 -20 0 +20
Р, Па Т, °С
а) б)
Рис. 7.5. Изменение давления (а), температуры (б) над поверхностью
Земли и структура атмосферы (в)
7.2. Геосферные оболочки Земли 211
Воздух содержит также водород, озон, оксид серы (IV), ксенон,
оксид углерода, оксид и диоксид азота, аммиак и др.
За время эволюции с момента образования биосферы состав
атмосферы изменился принципиально — появился и стал
одним из основных компонентов кислород, образовался защитный
озоновый слой, значительно колебалась концентрация
диоксида углерода и т. д. На протяжении суток, а также в
различные периоды года состав воздуха достаточно постоянен,
что объясняется огромной массой земной атмосферы, интенсивным
перемешиванием ее нижних слоев (в пределах тропосферы),
большой скоростью диффузии газов. Исследования состава
атмосферы за последние столетия показали хотя и медленное,
но постоянное увеличение концентрации диоксида
углерода и метана, относящихся к группе «парниковых газов
».
в)
212 Глава 7. БИОСФЕРА
Таблица 7 .2
Состав атмосферного воздуха над незагрязненной
территорией на рубеже XX и XXI вв.
Компонент
Азот
Кислород
Аргон
Диоксид углерода (С02)
Неон
Гелий
Метан
Криптон
Гемиоксид азота (N20)
Содержание, %
по объему
78,084
20,95
0,93
0,036
18,0-Ю\"4
5,24-Ю\"4
1,7 -10\"4
1,14-10-4
0,53 • 10~4
по массе
75,5
23,14
1,28
0,0479
125,0-10^5
7,24-Ю- 5
9,4 -Ю\"5
33,0-10 5
8-10~5
Таблица 7.3
Изменение состава воздуха
и давления с высотой над уровнем моря
Высота,
км
0
5
10
20
100
Объемная доля, %
кислорода
20,95
20,95
20,99
18,10
0,11
азота
78,08
77,89
78,02
81,24
2,97
аргона
0,93
0,94
0,94
0,59
гелия
0,56
водорода
0,01
0,01
0,04
96,31
Давление,
кПа
101
54
22
5,5
0,009
Ускорение земного тяготения не только создает давление
атмосферы у поверхности планеты, но и препятствует рассеиванию
(диссипации) атмосферных газов в космическое про-
7.2. Геосферные оболочки Земли 213
странство. При одинаковой температуре наибольшие скорости
теплового движения имеют молекулы водорода и гелия —
газов с наименьшей молярной массой. Выше 700 км над уровнем
моря атмосфера Земли состоит практически только из этих
газов. Однако даже при очень высокой температуре (порядка
1200 К) лишь малая доля водорода и гелия обладает скоростями,
близкими ко второй космической скорости Земли
(v2 =11,2 км/с), и, следовательно, может улететь в космос.
Убыль гелия и водорода с планеты постоянно восполняется.
Гелий образуется в земной коре при распаде тяжелых радиоактивных
элементов, а водород — в верхних слоях атмосферы
(на высотах 30—50 км) из воды под действием ультрафиолетовой
части спектра излучения Солнца. Ежесекундно из
атмосферы в космос улетает примерно 1 кг водорода, для чего
разлагается 9 кг Н20. Расчет показывает, что воды Мирового
океана хватит на 5 тыс. млрд лет, т. е. навсегда, так как возраст
Земли около 4,6 млрд лет.
Образовавшееся за время существования нашей планеты из
воды (по описанной схеме) количество кислорода оценивается
в 101 5 т, что соответствует его количеству в современной атмосфере.
Но для приведения химического состава Земли к современному
состоянию потребовалось значительно большее количество
кислорода, потраченного на окисление метана и аммиака
первичной атмосферы, а также на окисление всех пород земной
коры. Без участия растений это было бы невозможно. Кислорода
они производят порядка 3 • 106 кг/с или 101 1 т/г. Однако последние
миллионы лет его содержание больше не увеличивается —
весь кислород, создаваемый растениями, расходуется на дыхание
животных, окисление вулканических газов, горение и гниение
мертвых растений. В настоящее время значительное количество
кислорода потребляется промышленностью и транспортом.
7.2.2.3. Озоновый слой
К числу наиболее важных характеристик атмосферы
Земли, имеющих существенное эколого-биологическое значение,
относится наличие в ней озонового слоя, резко (примерно в
6500 раз) ослабляющего часть (с длиной волны X < 320 нм) ультрафиолетового
спектра (10 < X < 400 нм1) электромагнитного излучения
Солнца, крайне опасную для всего живого на Земле.
1 Из всей энергии излучения Солнца на долю электромагнитного излучения
в этом диапазоне длин волн приходится около 9%.
214 Глава 7. БИОСФЕРА
Различают ближнее ультрафиолетовое излучение (УФИ)
с 200 < X < 400 нм и дальнее1, или вакуумное, — с 10 < X <
< 200 нм. По биологическому эффекту в диапазоне ближнего
УФИ выделяют три области:
УФИ-А с 320 нм < X < 400 нм; УФИ-В с 290 нм < X < 320 нм;
УФИ-С с 200 нм < X < 290 нм.
Область УФИ-А. Эта область примыкает к «фиолетовому
концу» области видимого света, имеет незначительный отрицательный
эффект, но положительно воздействует на все живое.
Под его действием в кожном покрове вырабатывается витамин
D, играющий ключевую роль в кальциевом обмене организма
человека. Недостаток этого витамина — причина
детского рахита и старческой ломкости костей. Загар и пигментация
кожи также связаны с излучением этого диапазона.
Область УФИ-В.
с планеты в космос, а для существования стабильной, мощной атмосферы
£,0 должно быть значительно больше единицы.
7.2. Геосферные оболочки Земли 209
7.2.2.1. Структура атмосферы
Параметры, характеризующие атмосферу (температура,
давление, химический состав и др.), изменяются прежде всего
с высотой относительно уровня моря, а характеризующие нижние
слои зависят и от географической широты. Вертикальная
структура атмосферы приведена на рис. 7.5, а—в. Давление Р,
так же как и плотность газов атмосферы, связаны с изменением
сил гравитации по мере удаления от поверхности планеты,
а температура зависит от того, как взаимодействует излучение
Солнца с разными газами в различных слоях атмосферы, а
именно — как эти газы поглощают излучения разных длин
волн. При этом все же большая часть излучения Солнца, имеющая
длины волн вблизи максимума спектра, не поглощается атмосферой
и доходит до поверхности Земли, согревая ее.
Описанные тепловые процессы и график изменения температуры
Т газов по высоте Н относятся только к дневной, освещенной
стороне Земли, а на ночной происходит охлаждение.
Тем не менее слоистая структура атмосферы сохраняется и
ночью, ибо полусуток недостаточно для размывания тропо-,
страто-, мезо-, термо- и экзосферы. Только полярной ночью атмосфера
сложена иначе.
Высота слоя тропосферы изменяется от 7—10 км над полюсами
до 16—18 км над экватором. Тропосфера содержит
почти половину всего водяного пара атмосферы, при конденсации
которого образуется облачность нижняя (до высоты 1—
2 км), средняя (на высоте 2—4 км) и верхняя (6—10 км). Содержание
водяных паров может колебаться от 0 по объему в
сухом воздухе до почти 4% в максимально влажном.
При нормальном состоянии тропосферы ей присуще снижение
температуры воздуха с градиентом 6,5 °С на 1 км высоты,
которое в значительной степени зависит от содержания паров воды
и С02 . Иногда (при температурной инверсии) на отдельных
высотах температура либо перестает изменяться с высотой, либо
увеличивается, что нарушает нормальную циркуляцию воздуха.
7.2.2.2. Газовый состав
Первичный состав атмосферы Земли определили газообразные
продукты химических реакций, происходивших
в первичном веществе под действием высоких давлений и температур;
при этом в земной атмосфере оказалось так много паров
воды, что большая их часть сконденсировалась, образовав
210 Глава 7. БИОСФЕРА
первичный океан. Эти процессы продолжаются на Земле и сейчас,
хотя уже совсем не так интенсивно, как в начале эволюции.
И ныне обновляется земная кора, а вулканы выбрасывают
разнообразные газы, присутствие которых в современной атмосфере
незаметно. Причина в том, что все газы находятся
в динамическом равновесии друг с другом, с океаном и с веществами
земных пород. Кислотные оксиды легко растворяются
в воде, образуя кислоты. Взаимодействие кислот с основными
оксидами земной коры дает соли, часть которых растворима и
остается в океане, а другая нерастворимая часть образует осадочные
породы.
Сухой воздух, лишенный твердых примесей, по составу
практически одинаков по всей территории земного шара. На
уровне моря он представляет собой физическую смесь газов —
преимущественно азота и кислорода.
Состав атмосферного воздуха над незагрязненной территорией
(на уровне моря) приведен в табл. 7.2, а изменение его состава
и давления с высотой над уровнем моря — в табл. 7.3.
н, км
-100 -60 -20
ОД 10 103 105 -40 -20 0 +20
Р, Па Т, °С
а) б)
Рис. 7.5. Изменение давления (а), температуры (б) над поверхностью
Земли и структура атмосферы (в)
7.2. Геосферные оболочки Земли 211
Воздух содержит также водород, озон, оксид серы (IV), ксенон,
оксид углерода, оксид и диоксид азота, аммиак и др.
За время эволюции с момента образования биосферы состав
атмосферы изменился принципиально — появился и стал
одним из основных компонентов кислород, образовался защитный
озоновый слой, значительно колебалась концентрация
диоксида углерода и т. д. На протяжении суток, а также в
различные периоды года состав воздуха достаточно постоянен,
что объясняется огромной массой земной атмосферы, интенсивным
перемешиванием ее нижних слоев (в пределах тропосферы),
большой скоростью диффузии газов. Исследования состава
атмосферы за последние столетия показали хотя и медленное,
но постоянное увеличение концентрации диоксида
углерода и метана, относящихся к группе «парниковых газов
».
в)
212 Глава 7. БИОСФЕРА
Таблица 7 .2
Состав атмосферного воздуха над незагрязненной
территорией на рубеже XX и XXI вв.
Компонент
Азот
Кислород
Аргон
Диоксид углерода (С02)
Неон
Гелий
Метан
Криптон
Гемиоксид азота (N20)
Содержание, %
по объему
78,084
20,95
0,93
0,036
18,0-Ю\"4
5,24-Ю\"4
1,7 -10\"4
1,14-10-4
0,53 • 10~4
по массе
75,5
23,14
1,28
0,0479
125,0-10^5
7,24-Ю- 5
9,4 -Ю\"5
33,0-10 5
8-10~5
Таблица 7.3
Изменение состава воздуха
и давления с высотой над уровнем моря
Высота,
км
0
5
10
20
100
Объемная доля, %
кислорода
20,95
20,95
20,99
18,10
0,11
азота
78,08
77,89
78,02
81,24
2,97
аргона
0,93
0,94
0,94
0,59
гелия
0,56
водорода
0,01
0,01
0,04
96,31
Давление,
кПа
101
54
22
5,5
0,009
Ускорение земного тяготения не только создает давление
атмосферы у поверхности планеты, но и препятствует рассеиванию
(диссипации) атмосферных газов в космическое про-
7.2. Геосферные оболочки Земли 213
странство. При одинаковой температуре наибольшие скорости
теплового движения имеют молекулы водорода и гелия —
газов с наименьшей молярной массой. Выше 700 км над уровнем
моря атмосфера Земли состоит практически только из этих
газов. Однако даже при очень высокой температуре (порядка
1200 К) лишь малая доля водорода и гелия обладает скоростями,
близкими ко второй космической скорости Земли
(v2 =11,2 км/с), и, следовательно, может улететь в космос.
Убыль гелия и водорода с планеты постоянно восполняется.
Гелий образуется в земной коре при распаде тяжелых радиоактивных
элементов, а водород — в верхних слоях атмосферы
(на высотах 30—50 км) из воды под действием ультрафиолетовой
части спектра излучения Солнца. Ежесекундно из
атмосферы в космос улетает примерно 1 кг водорода, для чего
разлагается 9 кг Н20. Расчет показывает, что воды Мирового
океана хватит на 5 тыс. млрд лет, т. е. навсегда, так как возраст
Земли около 4,6 млрд лет.
Образовавшееся за время существования нашей планеты из
воды (по описанной схеме) количество кислорода оценивается
в 101 5 т, что соответствует его количеству в современной атмосфере.
Но для приведения химического состава Земли к современному
состоянию потребовалось значительно большее количество
кислорода, потраченного на окисление метана и аммиака
первичной атмосферы, а также на окисление всех пород земной
коры. Без участия растений это было бы невозможно. Кислорода
они производят порядка 3 • 106 кг/с или 101 1 т/г. Однако последние
миллионы лет его содержание больше не увеличивается —
весь кислород, создаваемый растениями, расходуется на дыхание
животных, окисление вулканических газов, горение и гниение
мертвых растений. В настоящее время значительное количество
кислорода потребляется промышленностью и транспортом.
7.2.2.3. Озоновый слой
К числу наиболее важных характеристик атмосферы
Земли, имеющих существенное эколого-биологическое значение,
относится наличие в ней озонового слоя, резко (примерно в
6500 раз) ослабляющего часть (с длиной волны X < 320 нм) ультрафиолетового
спектра (10 < X < 400 нм1) электромагнитного излучения
Солнца, крайне опасную для всего живого на Земле.
1 Из всей энергии излучения Солнца на долю электромагнитного излучения
в этом диапазоне длин волн приходится около 9%.
214 Глава 7. БИОСФЕРА
Различают ближнее ультрафиолетовое излучение (УФИ)
с 200 < X < 400 нм и дальнее1, или вакуумное, — с 10 < X <
< 200 нм. По биологическому эффекту в диапазоне ближнего
УФИ выделяют три области:
УФИ-А с 320 нм < X < 400 нм; УФИ-В с 290 нм < X < 320 нм;
УФИ-С с 200 нм < X < 290 нм.
Область УФИ-А. Эта область примыкает к «фиолетовому
концу» области видимого света, имеет незначительный отрицательный
эффект, но положительно воздействует на все живое.
Под его действием в кожном покрове вырабатывается витамин
D, играющий ключевую роль в кальциевом обмене организма
человека. Недостаток этого витамина — причина
детского рахита и старческой ломкости костей. Загар и пигментация
кожи также связаны с излучением этого диапазона.
Область УФИ-В.
