Повітря як екологічний фактор. Будова і властивості атмосфери
Ми живемо на дні великого повітряного океану - атмосфери. Повітряне середовище є однією з найбільш важливих складових частин біосфери. Існування флори і фауни, а також всього живого на Землі, в тому числі і людини, неможливо без повітря. Хоча загальна потужність повітряної оболонки досягає половини радіусу Землі, за космічними масштабами вона виглядає тонкою плівкою. Загальна вага атмосфери ~ 5,15х1015 т - надзвичайно мала - всього 1/1000000 ваги Землі, але захисні функції атмосфери переоцінити важко. Земне життя вразливе для космічних променів та потребує постійного і надійного захисту.
Атмосфера надійно захищає планету від космічного та ультрафіолетового випромінювання, визначає загальний тепловий режим поверхні Землі, впливає на кліматичні умови, а через них - на режими річок, грунтово-рослинний шар та процеси рельєфоутворення. Пробити атмосферу можуть лише великі метеорити з початковою вагою в сотні тонн - явище, як відомо, надзвичайне. Метеорити меншої ваги - явище не рідке, проте вони повністю згорають в атмосфері. Від Сонця на Землю потрапляє енергія, а значить і сама можливість життя. Якщо б не було атмосфери, вдень Сонце розігрівало б земну поверхню до плюс 100°С, а вночі до мінус 100°С охолоджував би її космос. Такий перепад добових температур набагато перевищує адаптаційні можливості більшості, якщо не всіх, форм земного життя.
На зовнішню поверхню атмосфери щосекунди потрапляє потужний потік сонячних та інших космічних випромінювань широкого діапазону хвиль та енергій: γ-випромінювання, жорсткі рентгенівські промені, ультрафіолетові промені, видиме світло, інфрачервоне випромінювання, тощо. Якщо б всі вони досягай земної поверхні, то миттєво вбивча їх енергія все живе перетворила б на попіл.
Атмосфера - газоподібна оболонка Землі, являє собою рівноважну систему, в якій безперервно відбуваються процеси обміну речовин, які протікають за певними законами. Характер цих процесів визначається багатьма факторами і, в першу чергу, складом самої атмосфери. Порушення цього складу, яке викликане як природними процесами, так і діяльністю людини, може призводити до зміни процесів в атмосфері. Завдяки компенсаційним можливостям атмосфери ці зміни до певного рівня впливу на атмосферу не будуть незворотними. Проте, із збільшенням масштабів такого впливу на атмосферу, як і на навколишнє середовище в цілому, ці компенсаційні можливості можуть бути вичерпані, що може мати катастрофічні наслідки не тільки для окремих районів Землі, але і глобальні.
По розподілу температури у вертикальному напрямку атмосферу розділяють на тропосферу, висота якої досягає над екватором 16-18 км та 8-10 км над полюсами; стратосферу,яка охоплює шар атмосфери від тропосфери до висоти 45-50 км; мезосферу - шар від стратосфери до висоти 80 км; термосферу (іоносферу) - до висоти 800 км; екзосферу (магнітосферу) - вище 800 км. Густина атмосфери, яка безперервно зменшується з висотою, поступово наближається до густини міжпланетного простору.
В тропосфері зосереджено понад 79% всієї ваги атмосфери та біля 75% її вологи, а також основна кількість твердих включень, які спричиняють утворення хмар. Тропосфера характеризується практично повною прозорістю по відношенню до потрапляючої в неї короткохвильової сонячної радіації та значним поглинанням довгохвильового випромінювання Землі. Тому, тропосфера нагрівається, переважно, від земної поверхні, наслідком чого є пониження температури з висотою ~ на 0,5-0,6°С на кожні 100 м підйому. Це, в свою чергу, призводить до виникнення конвективних потоків, переміщення повітряних мас, конденсації водяного пару, утворення хмар та випадання опадів. Фізичні процеси в тропосфері суттєво впливають на формування погодних та кліматичних умов на Землі. Температурна інверсія тропосфери, яка відіграє найважливішу роль в розсіюванні забруднювачів атмосфери, є небажаною, тому що перешкоджає вертикальному розсіюванню забруднення. Створюються зони з підвищеною забрудненістю в приземному шарі. Верхня межа тропосфери - тропопауза - область, температура в якій не змінюється із збільшенням висоти.
Для стратосфери характерні порівняна постійність температури, понижений вміст вологи, слабкі повітряні потоки (переважно горизонтального напрямку), мала кількість хмар. До висоти 25-30 км температура стратосфери є сталою і складає мінус 56°С. Починаючи з висоти 30-35 км температура починає різко підвищуватися і на висоті 40 км досягає плюс 30°С. Вище 50 км температура знову понижається до мінімуму - мінус 75°С. Стратосфера характеризується наявністю в ній шару озону, який поглинає ультрафіолетове сонячне випромінювання та переважно зосереджений на висоті 25-40 км.
Мезосфера, яка розташована на висоті 50-80 км від поверхні Землі, є найбільш холодним шаром атмосфери. Температура в мезосфері коливається в межах мінус 80°С - мінус 95°С. В мезосфері наявна значна кількість льодових хмар (амоніак, оксиди Нітрогену). Вони відіграють важливу роль в розсіюванні сонячного випромінювання і, завдяки цьому, в полярних районах спостерігається таке явище як полярне сяйво.
В термосфері наявна значна кількість іонізованих часток, які відбивають електромагнітні хвилі, в тому числі γ - і рентгенівське випромінювання і, за рахунок цього термосфера використовується для радіозв'язку.
В магнітосфері, яка оточує Землю на висоті вище 800 км, спостерігається наявність атомарного Оксигену (до 1000 км), атомів Гелію (до 1500 км) та Гідрогену - на висоті понад 1500 км. Частина Гідрогену може віддалятись в космос. В свою чергу із космосу в атмосферу Землі потрапляють потоки плазми, які викидаються Сонцем, та космічний пил.
Атмосфера приземного шару являє собою суміш постійних та змінних газів. В групу постійних газів входять азот, кисень, аргон та інші інертні гази, а змінні - діоксиди Карбону, Сульфуру та Нітрогену, озон, водяна пара. Основна складова атмосфери, як за об'ємом, так і за ваговим вмістом - азот. У вільному стані на Землі азот знаходиться, переважно, в атмосфері. Він відіграє важливу роль, адже є природним розчинником кисню і регулює окислювальні процеси, що проходять в атмосфері. Крім того, азот може із повітря безпосередньо залучатись в кругообіг. Друге місце за вмістом в атмосфері займає кисень. Він відіграє важливіше значення в життєдіяльності живих організмів, яка супроводжується витратами енергії. Джерело цієї енергії - окисно-відновні реакції, протікання яких неможливе у відсутності кисню. Без нього неможливі процеси окиснення і, як наслідок, відсутня можливість компенсації енергетичних витрат організму. Кисень потрапляє в атмосферу, переважно, за рахунок виділення його рослинами в процесі фотосинтезу. Не дивлячись на малий вміст діоксиду Карбону в атмосфері, його роль в підтриманні життя на Землі вельми суттєва. Саме наявність діоксиду Карбону в атмосфері сприяє накопиченню сонячної енергії в біосфері, в процесі фотосинтезу, при якому утворюються складні сполуки Карбону. Тобто, енергія сонячного випромінювання перетворюється в енергію хімічних зв'язків. В цілому, вміст діоксиду Карбону в атмосфері зберігається практично постійним, хоча спостерігаються незначні сезонні коливання його вмісту.
Отже, повітря як середовище існування живих організмів є відносно сталим за хімічним складом. В той же час, в залежності від географічного положення і висоти місцевості над рівнем моря, температурний і вологовий режими можуть значно коливатись. Це також є однією з причин біорізноманіття та різних пристосувальних механізмів живих організмів.