Атмосферные газы

ЛЕКЦИЯ 5

Факторы среды (продолжение)

Объемный состав атмосферы Земли следующий. Основу ее составляют азот (N₂) – прибл. 78% и кислород (O₂) – прибл. 21%. На долю остальных газов приходится прибл. 0,95% объема атмосферы.

Газообразный азот (от греческого «а» – отрицательная частица и «зоон» - «жизнь», т.е. «безжизненный») не является ядовитым газом, иначе на Земле не было бы жизни. Однако он является малоактивным газом, уступая в этом отношении лишь инертным газом. При нормальных условиях (20^оС и давление 1 атм.) азот практически вступает в химические реакции. С другой стороны, азот необходим всем живым организмам, но абсолютное большинство их способно усваивать только «связанный» азот, т.е. соединения азота с другими химическими элементами. Дефицит связанного азота -- один из важнейших лимитирующих факторов для живых организмов.

Очень небольшое количество атмосферного азота связывается азотфиксаторами. К ним относятся прокариотные организмы – некоторые бактерии и цианобактерии, самостоятельно или в составе лишайников. Связывание, или фиксация азота происходит по схеме:

N₂ + H₂ → NH₃

соединений азота, или т. наз «связанного азота». Эукариотные организмы использовать газообразный азот, по-видимому, не способны.

Напротив, кислород, является очень активным химическим элементом. Благодаря своей высокой окислительной способности он легко вступает в химические реакции окисления с различными органическими соединения и металлами, образуя окислы.

Если бы еще и азот обладал более высокой химической активностью, в океанах Земли была не вода, а азотная кислота.

О₂ + N₂ → NO₂

и далее

Н₂О + NO₂ → НNO₃

В верхних слоях атмосферы кислород под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца превращается в cвой изомер озон (О₃):

3О₂ → O₃

Содержание озона в атмосфере очень невелико, не более 10^-6 %. Наибольшая его концентрация («озоновый слой») наблюдается на высотах 21 – 25 км, или в нижнем слое стратосферы. Концентрация озона несколько выше над тропическим поясом Земли и ниже – над полюсами.

Значение озонового слоя для Биосферы трудно переоценить. Он поглощает значительную часть губительного для живых организмов ультрафиолетового (УФ) излучения. При отсутствии озонового слоя жизнь на поверхности Земли в местах, открытых для солнечного излучения, была бы невозможной.

Содержание озона в атмосфере измеряют в единицах Добсона. Одна единица Добсона равна концентрации озона 10^-9 %. Обычно содержание озона изменяется в пределах 250 – 550 единиц Добсона.

Концентрация озона в атмосфере над различными участками поверхности Земли по разным причинам постоянно изменяется. При ее существенном понижении над каким-либо районом Земли образуется «озоновая дыра». Повышение интенсивности УФ-излучения вследствие этого оказывает неблагоприятное воздействие на живые организмы.

C другой стороны, озон очень нестойкое соединение и быстро распадается с выделением атомарного кислорода:

О₃ → O₂ + О

Атомарный кислород быстро вступает в реакции окисления и потому очень опасен для живых организмов. Накопление его в закрытых помещениях представляет большую опасность. Его пытались использовать для обеззараживания воды.

Остальными компонентами земной атмосферы являются – инертные газы – аргон – 0,93%, неон – 0,0018% и гелий – 0,00052%.

Из них аргон является радиоактивным элементом (порядковый номер 88). Он постоянно образуется в земной коре при распаде урана-235, урана-238 и тория-232, откуда поступает в атмосферу. Различные изотопы аргона имеют периоды полураспада от 2 секунд до 3,6 суток. При их распаде образуются еще один радиоактивный элемент – полоний, альфа-частицы и гамма-излучение. Распад аргона составляет значительную долю естественного радиоактивного фона Биосферы.

В атмосфере присутствует также некоторое количество углекислого газа (СО₂) – 0,03%, а также водорода (Н₂), метана (СН₄), сернистого газа (SO₃), водяного пара (Н₂О).

Метан образуется преимущественно в болотах и верхнем слое почвы благодаря деятельности метановых бактерий.

Сернистый газ присутствует в вулканических газах, а также в промышленных выбросах.

Пути поступления углекислого газа атмосферу разнообразны. Он образуется в процессах дыхания живых организмов, горения органических соединений, а также деятельности человека – в выхлопных газах автомобилей, выбросах промышленных предприятий и пр.

Углекислый газ хорошо диффундирует в атмосфере. Он тяжелее воздуха, поэтому концентрируется в ее приземном слое. Углекислый газ используется растениями для фотосинтеза. Как правило, его концентрация в достаточна для осуществления фотосинтеза и лимитирующим фактором для растений он не является.

Углекислый газ хорошо растворяется в воде с образованием гидрокарбонатов:

СО₂ + Н₂O → Н₂CO₃

и далее

Н₂CO₃ → Н⁺ + НCO₃ ^-

Поэтому избыток СО₂, поступающий в атмосферу, в значительной степени поглощается водоемами, в первую очередь, Мировым океаном.

Несмотря на свое незначительное содержание в атмосфере, углекислый газ, сернистый газ, метан и пары воды имеют важнейшее значение для Биосферы. Они препятствуют теплу, излучаемому нагреваемой Солнцем поверхностью Земли, уходить в космическое пространство, создавая т. наз. «парниковый эффект». Эти газы, называемые «парниковыми газами», значительно снижают суточные колебания температуры в приземном слое атмосферы, чем создаются более благоприятные условия для существования живых организмов. Однако значительное повышение их концентрации в атмосфере нежелательно, поскольку ведет к перегреву ее нижних слоев.

Кислород имеет огромное значение для дыхания подавляющего большинства видов живых организмов. Как уже упоминалось, содержание кислорода в атмосфере (по объему) составляет в среднем 21%, т.е. в 1 л воздуха содержится 210 мл кислорода. Такая концентрация кислорода близка к верхнему критическому уровню для существования Биосферы. Экспериментально установлено, что даже незначительное повышение его доли во вдыхаемом воздухе (до 25%) оказывает возбуждающее и наркотическое воздействие на людей. Кроме того, при подобной концентрации кислорода даже при температуре ниже 100^оС может происходить самовозгорание органических веществ.

Организмы, которые используют для дыхания кислород, называются аэробными (от греческого «аэр» - воздух) организмами, а такой тип дыхания – аэробным дыханием.

Процесс аэробного дыхания, который проходит в особых органеллах клетки – митохондриях, выражается общим уравнением:

С₆Н₁₂0₆ + 6 0₂ → 6 СО₂ ↑ + 6 Н₂0

При расщеплении одной молекулы глюкозы образуется до 38 молекул АТФ.

Дата добавления: 2014-01-07