Азот – основной компонент воздуха

Азот газообразный, благодаря химической инертности изначально аккумулировался в атмосфере, выделяясь из недр Земли при извержении вулканов, выносе гидротерм и газовых струй. В настоящее время годовое поступление газообразных соединений азота из недр Земли в атмосферу составляет 1,0×10⁶ т [12, с.86].

Мы уже говорили, что первыми организмами, начавшими преобразование планеты, были цианобактерии – сине-зеленые водоросли. Но они осуществляли облагораживание атмосферы не только в виде разложения углекислоты, фиксации углерода в своих тканях и выделения кислорода. Не менее важно, что цианобактерии способны усваивать и накоплять атмосферный азот – один из самонужнейших элементов в построении белков, нуклеиновых кислот и других составляющих живого организма. Хотя мы, как и все остальные растения и животные прямо-таки купаемся в азоте (78% в воздухе), без азотфиксирующих сине-зеленых бактерий, поставляющих живым организмам Земли 90% азота (остальное количество его дают грозовые разряды молний), наше существование, а равно и существование всей остальной Жизни, было бы невозможно.

Непосредственно из воздуха ни животные, ни растения усвоить азот не могут, и в этом кое-кто склонен видеть вопиющую непредусмотрительность природы. Но … можно только с восхищением изумиться предусмотрительности природы, поставившей единственный лимитирующий фактор на пути безграничного стремления к размножению живого вещества. Если бы растения свободно усваивали азот из воздуха, возможно, что давно бы наступил конец света, а может быть, во всяком случае для нас, и не начинался. Ибо безудержно размножаясь, они бы заполонили сплошным покровом не только сушу, но и море и океаны, превратив их в верховые болота. Не говоря уже о катастрофической для всей биосферы потери равновесного состояния между атмосферой, гидросферой и литосферой.

Мало того, чтобы предотвратить даже локальное апокалипсическое размножение растительности, существуют и микроорганизмы, которые денитрифицируют почву, восстанавливая нитраты, которые улетучиваются в атмосферу. Так основной фонд мирового азота сохраняется в той стабильности, которая и обеспечивает безграничное уже не размножение, а развитие и обновление жизни (рис. 2).

Рис. 2. Биохимический цикл азота

Грозы мы привыкли считать неуправляемыми стихийными бедствиями. Но в биосферном организме они не только естественное, но и необходимое явление. Самый грозовой месяц – июль. Как выяснилось, грозовые разряды поставляют на землю, а значит, растениям 10 процентов потребного для них азота из воздуха. И поставляют как раз вовремя: именно к июлю иссякают накопленные в семенах и остатках отмерших прошлогодних растений запасы азота, именно в этом месяце растениям для роста и развития необходимы дополнительные поступления свободного азота, иначе они не успевают вызреть и дать семена.

Таким образом, круговорот азота – один из самых сложных, поскольку включает как газовую, так и минеральную фазу, и одновременно самых идеальных круговоротов.

Уточните понятие денитрификация….

[1] превращение газообразного азота в аммонийную форму;

[2] осуществляется окисление иона аммония (NH₄⁺) до нитрита (NO₂^-) или нитрита до нитрата (NO₃^-);

[3] связывание атмосферного азота с кислородом в процессе электрических разрядов во время гроз, а затем выпадение с дождями на поверхность почвы;

[4] восстановление нитритов и нитратов до газообразных соединений молекулярного азота (N₂) или оксида азота (N₂O).

1.6. Углекислый газ – третий важнейший
для живых организмов компонент воздуха

Количество углекислого газа в составе атмосферы мизерно – всего три сотых процента от общего объема. Но мал золотник, да дорог. Значение именно атмосферного углерода огромно. И не только для растений, для которых он является основой питания и синтеза белков и других жизненно важных процессов [7, с.168].

Непосредственно, через пищевые цепи, атмосферный углерод вместе с белками, сахарами, жирами попадает и в организм животных, где опять же становится основой всех без исключения процессов жизнедеятельности. О том, какое место занимает углерод в нашей жизни, говорит хотя бы тот факт, что в человеческом теле его содержится 15–20 кг в зависимости от веса человека, а в долевом отношении – 23 %. Углерод в составе углеводов организма является самым мобильным энергетическим ресурсом.

В атмосфере, по уточненным данным (Г.В. Войткевич, 1986 г.), находится 2450×10⁹ т углекислого газа, что соответствует 668×10⁹ т углерода.

Непрекращающееся выведение углерода из атмосферы могло бы обусловить постепенное убывание его в атмосфере и постепенное сокращение массы живого вещества, а затем и полное прекращение жизни на нашей планете.
К счастью, в действительности это не происходит, так как CO₂ постоянно дополнительно поступает на поверхность планеты, и его количество поддерживается на определенном уровне. Единственным источником такого дополнения служат вулканические газы. Было обнаружено (А.Б. Ронов, 1976 г.), что массы CO₂, связанного в карбонатных толщах, и углерода, содержащегося в рассеянном органическом веществе древних пород, изменяются согласно с колебаниями величин объемов вулканических пород. Объем лав отражает интенсивность выноса вулканических газов. На протяжении 570 млн. лет в осадочных отложениях было погребено 71300×10¹² т углерода, связанного в составе карбонатов, и 9100×10¹² т – в рассеянном органическом веществе.

Усиление притока углекислого газа в периоды активного вулканизма, по-видимому, сопровождалось общим потеплением климата (О.П. Добродеев и др); уменьшением контрастности температур высоких и низких широт. Ученые предполагают, что смена ледниковых и межледниковых периодов обусловлена колебаниями содержания CO₂ в атмосфере.

Определенные изменения в структуре глобального массообмена углерода вносит хозяйственная деятельность человечества. Суммарное поступление углерода из техногенных источников в атмосферу оценивается в 5×10⁹ т/год. Сжигание более 90% горючих веществ происходит в северном полушарии, что отражается на неравномерном распределении оксида углерода. Максимальные концентрации CO₂ приурочены к полосе между 40 и 50 ^о с. широты, где расположены главные центры индустрии.

Содержание диоксида углерода в атмосфере возросло за счет лесных и степных пожаров. В то же время поглощение СО₂ из атмосферы основными его потребителями – лесными растениями и фитопланктоном Мирового океана – сократилось за счет уменьшения площадей лесов, гибели фитопланктона. В результате этого поступление углерода в атмосферу стало превышать его потребление растениями. Ежегодный прирост СО₂ в атмосфере составляет около 14 млрд. т. (рис. 3).

Рис. 3. Модель цикла углерода, млрд. тонн:

I – масса углерода в форме СО₂ в атмосфере и океане;

II – количество СО₂, поступающего в атмосферу в процессах окисления;

III – количество окисленного органического вещества (дыхание, горение);

IV – биомасса сухопутных живых организмов;

V – масса, использованная для питания этими организмами.

Укажите, почему круговорот углерода не замкнут ….

[1] растения усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере;

[2] растения, используя механизм фотосинтеза, выполняют функцию продукта кислорода и основного потребителя углекислого газа;

[3] элемент часто выходит из круговорота на длительный срок в виде карбонатов, торфов, сапропелей, углей, гумуса;

[4] благодаря поступлению в атмосферу глубинного углекислого газа и оксида углерода.

Циркуляция атмосферы

Количество солнечной радиации, поступающей в атмосферу, зависит от угла падения солнечных лучей на земную поверхность. Поэтому атмосфера в различных районах земного шара нагревается неравномерно. Особенно большие различия температур у поверхности наблюдаются между полярными и экваториальными областями. Эта неравномерность нагревания служит главной причиной общей циркуляции атмосферы, представляющей собой сложную крупномасштабную систему воздушных течений [8, с.12] (рис.4).

Рис. 4. Крупномасштабная система воздушных течений

Энергия движущихся воздушных масс расходуется на трение, а пополняется за счет солнечной радиации. Благодаря такой циркуляции сглаживается градиент температуры атмосферного воздуха в различных районах. Воздушные массы в среднем проходят за сутки расстояние в 1,5 тысячи километров, а за неделю половину полушария.

К устойчивым воздушным течениям относятся пассаты. Эти ветры дуют в низких широтах обоих полушарий и направлены от субтропиков к экватору. На экваторе воздух прогревается, поднимается вверх и на больших высотах поворачивает к полюсам. Круговые движения воздуха с подъемом в районе экватора и опусканием вблизи тропиков называются пассатными ячейками циркуляции (ячейками Гадлея).В ходе такой циркуляции происходит, вероятно, обмен воздуха между тропосферой и стратосферой.

В некоторых тропических регионах наблюдаются другие устойчивые воздушные течения, возникающие между океаном и материком, – муссоны. В умеренных широтах преобладают течения с запада на восток, включающие крупные вихри, – циклоны и антициклоны.

Рис. 5. Схема движения воздуха в циклоне (а) и антициклоне (б)

Образование таких вихрей является обычным для внетропических районов. В высоких же широтах обоих полушарий происходит вращение атмосферы вокруг полюсов с запада на восток (циркумполярные вихри). На эти общие потоки налагаются возмущения за счет циклонической активности в более низких широтах. Циклоническая деятельность во многом обусловливает весьма изменчивый и сложный характер как региональной, так и общей циркуляции атмосферы.

Проанализируйте, почему циклон сопровождается неустойчивой дождливой погодой…

[1] между холодным фронтом полярного воздуха и теплым фронтом тропического создается область низкого давления; водяные пары в поднимающемся теплом воздухе конденсируются;

[2] опускающиеся воздушные массы в форме большой спирали вращаются в Северном полушарии по часовой стрелке, а в Южном – против нее, и в этих широтах устанавливается дождливая погода;

[3] морские течения приводят в движение воздушные массы, их путь лежит от более теплых вод к более холодным. Так происходит ухудшение погоды.

[4] благодаря образованию различных течений в атмосфере происходит перемешивание больших масс воздуха.

Аэрозоли атмосферы

Подобно тому, как в природных водах присутствуют растворенные вещества и тонкие взвеси, в атмосфере содержатся не только свободные молекулы и ионы газов, но также распыленные частицы твердых и жидких веществ [7, с.72].

Взвеси твердых и жидких частиц в газообразной среде называются аэрозолями. Твердые аэрозольные частицы играют очень важную роль, являясь ядрами конденсации паров воды. Размеры этих частиц колеблются от нескольких микрометров до сотых и тысячных долей микрометра. Более мелкие частицы самостоятельно существовать не могут и присоединяются к другим. Есть электронейтральные и заряженные частицы. Последние состоят из молекул, группирующихся вокруг иона. Количество электронейтральных частиц меньше 0,1 мкм (так называемых ядер Айткена) очень большое, но в силу своих ничтожных размеров они составляют всего 10–20 % от общей массы аэрозолей.

Как суша, так и океан находятся в состоянии непрерывного циклического обмена с нижними слоями атмосферы, поставляя аэрозольные частицы в воздух и получая их обратно в составе атмосферных осадков и форме сухих осаждений. Частицы континентального происхождения относительно крупные, их средние размеры около 2–3 мкм. Над океаном преобладают более мелкие частицы размером 0,25 мкм.

На суше в процессе обмена с атмосферой вовлекаются не только испаряющиеся поверхностные воды, но и твердое вещество литосферы. Среди аэрозольных частиц морского происхождения преобладают растворимые в морской воде соли. С поверхности континентов выносятся мелкие частицы почвы, горных пород, вулканического пепла. Обломки величиной 0,1–0,01 мм могут переноситься в нижних слоях тропосферы на расстояние в сотни – первые тысячи километров. Частицы величиной 1–10 мкм мигрируют во всей толще тропосферы, дальность их переноса достигает 10 тыс. км.

Хотя миграция основных масс аэрозолей проходит в тропосфере, очень небольшая их часть поступает и в стратосферу, где находятся от 4 до 14 лет (в тропосфере длительность нахождения частиц в воздухе колеблется от 1 до 30–40 суток, чаще всего около 5 суток). Размер этих частиц 0,2–2 мкм. Их перенос осуществляется преимущественно с востока на запад очень быстрыми струйными течениями. Эти струйные течения (Set Streams) кружат над землей со скоростью более 200 км/ч. Ширина течений составляет несколько сотен километров. В стратосфере отсутствуют пары воды. Аэрозоли стратосферы не столь многообразны. Они состоят главным образом из сульфатов. Экспериментально установленное соотношение [NH₄⁺]:[SO₄]^2- оказалось равным 1–2, т.е. основным твердым компонентом стратосферы является сульфат аммония (NH₄)₂SO₄. Масса осаждающихся стратосферных аэрозолей в северном полушарии оценивается от 2 до 3 мг/км²×100 лет.

Учитывая, что в тропосфере различают три типа распределения частиц: фоновое, океаническое и континентальное, дайте определение фонового содержания…

[1] количество частиц в 1 см³ чистейшего воздуха, не подверженного влиянию локальных источников аэрозолей, с верхним пределом концентрации 700 частиц/см³;

[2] естественные пределы примесей в воздухе при существовании природного равновесия между поступлением примесей в атмосферу и ее самоочисткой;

[3] концентрация частиц над сельской местностью составляет 10⁴ частиц/см³;

[4] концентрация частиц над большими городами и промышленными центрами 10⁵ частиц/см³.