Сторінка
4

Природні системи абіотичного середовища біосфери

Загальну масу атмосфери Землі кожен може розрахувати самостійно, виходячи зі звичного для нас показника атмосферного тиску — 760 міліметрів ртутного стовпчика. В одиницях SI такий тиск відповідає 1,013 · 105 Ра. Для розрахунку беремо (приблизно) тиск 1 kgf/cm2, звідки отримаємо значення маси повітря над 1 m2 поверхні землі в 10 тонн, що відносно поверхні Землі становитиме близько 5 більйонів тонн, з яких близько 1,15 більйонів тонн (23%) припадатиме на кисень.

Сучасна атмосфера Землі (див. табл. 15) за своїм хімічним складом унікальна і неповторна у відомих нам межах космічного простору: на Марсі, наприклад, вміст молекулярного кисню в атмосфері становить лише 0,1%, що відповідає стану атмосфери Землі понад 2 млрд років тому (задовго до появи найпростіших живих клітин).

У сучасному температурному діапазоні біосфери Землі її атмосфера не змінює ні свого складу, ні агрегатного стану, що забезпечує стабільні умови абіотичного середовища різних біоценозів. Ясна річ, що таке явище є наслідком встановленої протягом останнього півмільярда років динамічної рівноваги (балансу) генерування молекулярного кисню (і біомаси) в глобальному процесі фотосинтезу і його витрат в окислювально-відновлювальних біотичних і абіотичних процесах біосфери. Але зовсім не є очевидним джерело механізму регулювання такого балансу. Невипадково, що вчені мають два протилежні погляди на первинний біоценоз. Згідно з однією гіпотезою спочатку під впливом радіаційної енергії відбулися фізико-хімічні зміни середовища, що ініцію­вало виникнення первинних форм зародкових організмів, які адаптувалися протягом усієї історії еволюції атмосфери. Ця гіпотеза вказує на алогенний (зовнішній) фактор регуляції атмосфери і біогенезу.

Згідно з іншою гіпотезою, розробленою Джеймсом Левлоком (James Lovelock) і відомою під назвою гіпотеза Геї*, регуляція стану середовища організмів з самого початку їх виникнення на Землі має автогенну природу: організми не тільки пристосовуються до умов абіотичного середовища, а й активно впливають на його формування. Згідно з такою гіпотезою організми і середовище (живе й заскніле) розвиваються як одне ціле і утворюють складну систему регуляції свого середовища, оптимальну стосовно власного життєзабезпечення. Прихильники теорії Геї вважають, що тільки людина (як найбільш активний фактор впливу живих організмів на біосферу) ігнорує цю проблему, веде паразитичний спосіб життя в середовищі інших організмів.

Параметри і процеси атмосфери

Найбільш суттєвим фактором впливу на термодинамічну рівновагу процесів біосфери може бути порушення балансу діоксиду вуглецю. Це може статись як унаслідок природничих процесів, наприклад, надходження в атмосферу СО2 через збільшення вулканічної активності, так і процесів антропогенного походження — надмірне використання викопного палива, винищення лісів, забруднення океану нафтопродуктами. Що відбувається за порушення такого балансу? Розглянемо таке явище. За день земна поверхня нагрівається, поглинаючи короткохвильовий і видимий спектри енергії сонячних променів, а вночі випромінює довгохвильову променеву енергію теплового спектра. Зі збільшенням СО2 в атмосфері водночас збільшується і частка теплових променів, яка відбивається атмосферою знов до поверхні Землі, що, зрозуміло, призводить до підвищення її температури.

Про наслідки такого явища, відомого під назвою «парникового ефекту», йтиметься далі у розділі «Промислова енергетика».

Другий компонент атмосфери, зміна якого суттєво впливає на умови біологічних процесів організмів, — це озон (О3). Ми вже спинялися на механізмі його утворення в атмосфері під впливом ультрафіолетових променів Сонця. А чому весь кисень не перетворюється на озон? Річ у тім, що, поглинаючи енергію Сонця (ендотер­мічний процес), молекули озону термодинамічно не стійкі і в нижніх шарах атмосфери розпадаються: .

Кількість озону в атмосфері невелика. Якби його можна було зібрати в один прошарок близько до поверхні Землі, то товщина такого прошарку (за нормальних умов) не перевищувала б 3… 4 mm. Але крім згубного впливу на земні організми, озон значно впливає на параметри атмосфери. Поглинаючи енергію ультрафіолетового спектра Сонця, він нагріває повітря. Саме завдяки цьому вище тропосфери (близько 30 km) температура повітря починає підвищуватись і в стратосфері на висоті 50 km становить + 10°С. Далі вона знову знижується. На думку багатьох учених, саме від озонового шару залежать сезонні температури. Як впливають викиди різних промислових газів на рівновагу утворення і розпаду озону, ми роз­глянемо в процесі техніко-економічного аналізу відповідних технологічних процесів у промисловості (розд. ІІІ).

Верхня межа атмосфери лежить на висоті близько 2000 km. До висоти 100 km склад атмосфери суттєво не змінюється і відповідає наведеному в табл. 15. Безперервні турбулентні (хаотичні) переміщення повітря внаслідок градієнта температури і закономірності збільшення ентропії, перешкоджають розшаруванню атмосфери за густиною. Вище 100 km елементний склад атмосфери майже той самий, але молекулярний кисень під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця повністю атомізовано. Уважають, що на висоті 400…500 km азот також перебуває в атомарному стані. Водяна пара наявна в атмосфері, головне, у приповерхневому шарі на висоті до 5 km. Це зумовлено тим, що з висотою температура повітря знижується і насиченість її водяною парою зменшується.

Нижній шар атмосфери до 10 … 12 km — це тропосфера. Унаслідок того, що через повітря тропосфери сонячні промені проходять до Землі, майже не втрачаючи енергії, воно нагрівається від поверхні Землі. Градієнт температури в тропосфері становить близько 5° на 1 km. Тропосфера містить близько 80% маси всього повітря, а до висоти 30 km — 99%. На рівні моря густина повітря тропосфери становить 1,033 kg/m3, а на її межі зі стратосферою — тільки 0,3 kg/m3. Відповідно тиск атмосфери на поверхні Землі становить 1, 013 · 105 Ра (1,033 kgf · cm–2 = 1 аtm), але на висоті близько 20 km знижується до 0,04 аtm (за такого тиску закипає кров у судинах).