© Владимир Каланов,
сайт "Знания-сила".

29. Газообмен двух сред.

Напомним основные сведения о газовом составе атмосферы. У земной поверхности атмосферный воздух состоит из следующих газов (в % по объёму): азот (78,084), кислород (20,946), аргон (0,934), углекислый газ (0,033), другие газы: водород, гелий, метан, неон, криптон (0,004 все вместе).

По газовому составу атмосфера делится на два слоя. Нижний слой высотой около 100 км имеет по всей высоте практически одинаковое соотношение основных образующих его газов. Этот слой называется гомосферой. Постоянство газового состава в гомосфере объясняется активным перемешиванием воздуха как по вертикали, так и по горизонтали. Исключение составляют углекислый газ CO₂ и озон O₃, содержание которых меняется в зависимости от сезона и географического места. О том, что в индустриальную эпоху содержание углекислого газа в атмосфере постоянно возрастает, мы уже упоминали. В химическом отношении углекислый газ пассивен, время жизни молекулы СО₂ – около 4,5 года, поэтому он может длительно находиться в атмосфере и накапливаться.

В воздухе всегда содержится водяной пар, как в газообразном, так и в жидком (вода) или твёрдом (лёд) состоянии, в зависимости от температуры. Основным источником поступления пара в атмосферу является океан. Пар поступает в атмосферу также от растительного покрова Земли.

На высоте 100 км остаётся меньше одной миллионной (10^-6) доли общей массы атмосферы. Но даже на высоте 1000 км имеется воздух, о чём свидетельствуют наблюдаемые на таких высотах полярные сияния. Плотность воздуха там, естественно, ничтожна.

Выше гомосферы, вплоть до внешней границы атмосферы, простирается гетеосфера. Термин «внешняя граница» здесь использован условно, ибо у атмосферы никакой внешней границы не существует: на высотах в несколько тысяч километров она постепенно переходит в космическое пространство. В гетеосфере с высотой под воздействием солнечного и космического излучения происходит изменение газового состава вследствие разложения сложных молекул на атомы. Этот процесс, называемый фотодиссоциацией, приводит к возникновению в воздухе ионов и электронов, которые вместе с нейтральными молекулами образуют ионизированную плазму. Слои, содержащие такую плазму, составляют ионосферу. Ионосфера простирается от верхней части гомосферы до высоты 400 – 500 км. Выше преобладают лёгкие газы – водород и гелий, которые, начиная с высоты 800 км, улетают в космическое пространство.

Диссоциация молекул кислорода O₂ в верхних слоях атмосферы приводит к появлению атомарного кислорода (O). Его молекула, соединяясь с двухатомной молекулой, образует трёхатомный кислород O₃, называемый озоном. Образование озона происходит в слое 15 – 70 км, а максимальное содержание озона наблюдается на высоте около 20 – 25 км. Эти слои называются озоносферой.

В тропосфере на уровне тропопаузы (10 – 12 км) содержание озона превышает приземные значения приблизительно в 5 раз. На высоте 23 км содержание озона больше приземного примерно в 100 раз. Учёные подсчитали, что если бы удалось выделить весь озон из атмосферы и привести к давлению 760 мм рт.ст. и температуре 0 °С, то озон образовал бы слой атмосферы толщиной от 1,2 до 7,6 мм, то есть в среднем около 3 мм.

Наличие в атмосфере озона имеет большое значение – он защищает живые организмы от вредного, а порой и губительного воздействия избыточного потока ультрафиолетового излучения Солнца.

Постоянный контакт атмосферы с огромной акваторией океана предопределяет непрерывный крупномасштабный газообмен этих двух сред. У поверхности моря воздух постоянно смешивается с водой: воздух поглощает влагу, которая уносится морскими ветрами, а атмосферные газы проникают в воду и растворяются в ней. Морские ветры, доставляя всё новые потоки воздуха к поверхности воды, облегчают проникновение атмосферного воздуха в воду океана.

Растворимость газов в воде зависит от трёх факторов: температуры воды, парциального давления газов, входящих в состав атмосферного воздуха, и их химического состава. В холодной воде газы растворяются лучше, чем в тёплой. С повышением температуры воды с поверхности моря выделяются растворённые газы в холодных областях, а в тропиках частично возвращает их в атмосферу. Конвективное перемешивание воды обеспечивает проникновение растворённых в воде газов по всей толще воды, вплоть до океанского дна.

Существуют расчёты, согласно которым в Мировом океане растворено газов столько, что их объём в три раза превышает объём океанских вод. С океаном связано много разных гипотез, научных и не очень. Если упомянутые расчёты верны, то нетрудно подсчитать, что уровень океана, лишённого растворённых в нём газов, понизился бы настолько, что все подводные хребты почти наполовину вышли бы из воды, а морское судоходство стало бы практически невозможным. Но лучше не фантазировать на эту тему, потому что морская вода, не содержащая растворённых газов, в природе не существует, не говоря уже о том, что растворы являются химическими соединениями, а не механической смесью.

Три газа, составляющих основную часть атмосферы, – азот, кислород и углекислый газ, в больших количествах присутствуют и в морской воде. Главным источником насыщения морских вод газами является атмосферный воздух. Часть этих газов образуется в самом море в результате жизнедеятельности животных, растений и бактерий, живущих в воде. Углекислый газ поступает в воду при извержении подводных вулканов (вместе с другими веществами) или образуется в процессе гниения органических веществ. Азот выделяется в процессе гниения тел морских животных при участии морских бактерий. Кислород в большом количестве выделяется в процессе фотосинтеза, при помощи которого водоросли и другие водные растения создают органические вещества для своего питания. Она часть этого кислорода уходит в атмосферу, другая растворяется в морской воде.

Учёные предполагают, что весь кислород атмосферы образовался за счёт фотосинтеза, и его количество поддерживается зелёными растениями. Рост городов и промышленных предприятий приводит к сокращению площади суши, занятой зелёными растениями. Катастрофическое уменьшение лесных массивов вследствие бессистемной и хищнической их вырубки, а также по причине постоянных лесных пожаров снижает содержание кислорода в земной атмосфере. В такой обстановке возрастает роль океана в регенерации воздушной оболочки Земли. Природа позаботилась о том, что кислорода в Мировом океане вполне хватает для всех морских организмов, а «излишки» кислорода постоянно улетучиваются в атмосферу. Когда мы любуемся морем, то обычно не думаем о том, что оно наполнено газом и что именно растворенным в воде кислородом дышат рыбы, крабы и другие существа, живущие в морской воде.

Мировой океан не только обогащает атмосферу кислородом, но и способствует удалению из неё углекислого газа. В современную эпоху в морской воде углекислого газа содержится в 60 раз больше, чем в атмосфере. В океане углекислый газ претерпевает сложные химические превращения. Значительная его часть используется многочисленными морскими организмами для строительства их известковых скелетов и раковин и таким образом превращается в составную часть малорастворимой соли – углекислого кальция CaCO₃. При отмирании организмов их скелеты и раковины накапливаются на морском дне, образуя слой известковых осадочных пород.

Относительное количество углекислого газа в воздухе ничтожно мало – чуть больше 0,03 % по объёму. Но значение углекислого газа в жизни нашей планеты огромно, потому что углекислый газ атмосферы задерживает тепловое излучение Земли. При уменьшении содержания углекислоты в атмосфере климат становится холоднее, а при увеличении наступает потепление. По некоторым оценкам, в последние 4–5 десятилетий содержание углекислого газа в атмосфере увеличилось на 10–12 %. Если такая тенденция сохранится, то парниковый эффект вызовет повышение температуры в глобальном масштабе, а затем и таяние антарктических ледников, что равносильно гибели земной цивилизации. Когда такая угроза может стать реальностью? Гадать не стоит. Ясно одно: океан является могучим регулятором газообмена на Земле, но и его возможности не безграничны. Многое зависит от людей и, в первую очередь, от ума и воли обличённых властью и доверием народов мировых лидеров.