Планета Земля
© 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.
© Владимир Каланов,
сайт «Знания-сила».
Источник
Мировой океан атмосферные газы
Водная и воздушная оболочки Земли соприкасаются друг с другом на пространстве, равном площади поверхности Мирового океана. Обе среды постоянно находятся в непосредственном контакте и на поверхности раздела вода-воздух непрерывно обмениваются энергией и веществом. Связь между океаном и атмосферой настолько тесна, что изменения в одной из сред не могут быть поняты и объяснены без учета влияния другой среды и наоборот. Поэтому в настоящее время все в большей степени становятся необходимыми строгие количественные критерии изменчивости состояния атмосферы и океана. С этих позиций атмосфера и океан рассматриваются как единая термодинамическая система.
Взаимодействие атмосферы и океана (ВАО) есть совокупность разномасштабных, взаимовлияющих механизмов обмена теплом, влагой, импульсом, солями и газами, обеспечивающая в многолетнем плане динамически равновесное состояние климатической системы Земли. Соприкасающиеся газовая и жидкая среды отличаются по многим параметрам, таким как плотность, степень подвижности, химический состав, теплофизические свойства, которыми определяются значительные градиенты многих характеристик на поверхности контакта, вызывающие соответствующие потоки разных субстанций. Например, плотность воды почти на три порядка превышает плотность воздуха, соответственно скорости ветров как минимум на два порядка выше скоростей морских течений. Средняя по массе температура Мирового океана, равная 3,7 о С, на 22,3 о С выше, чем средняя по массе температура атмосферы. ВАО в значительной степени определяется состоянием поверхности океана. Средняя температура воды на поверхности океана (17,82 о С) на 3,6 о С выше, чем средняя температура воздуха у поверхности Земли, следовательно, поток тепла преимущественно направлен от поверхности океана вверх.
Безоблачная атмосфера практически прозрачна для большей части солнечной коротковолновой радиации. Океан, напротив, в основном поглощает коротковолновую энергию и при этом нагревается, а отдает тепло в длинноволновом инфракрасном диапазоне, нагревая таким образом атмосферу. Иными словами, атмосфера нагревается снизу, океан – сверху. В результате океан оказывается стратифицирован преимущественно устойчиво, а в нижней атмосфере очень часто наблюдается неустойчивая стратификация.
Поступление тепла на земную поверхность изначально задано равномерным достаточно стабильной светимостью Солнца, но из-за сферичности Земли, ее осевого и орбитального вращения, а также наклона оси вращения к плоскости эклиптики оказывается весьма изменчивым по времени и пространству, в результате чего в атмосфере и верхнем деятельном слое океана постоянно наблюдаются значительные горизонтальные градиенты температуры. Последние в свою очередь вызывают соответствующие перестройки в поле плотности, что приводит к перемещению воздушных масс, возникновению ветра, волнения, морских течений, то есть прежде всего – динамическому взаимодействию воздушной и водной оболочек Земли. Одновременно происходит испарение воды – наиболее энергоемкий в климатической системе процесс фазового перехода жидкости в пар. Так дается начало созданию механизмов перераспределения тепла и влаги, которые имеют наиболее высокий энергетический уровень. За ними следуют менее энергоемкие, но весьма важные процессы обмена солями и газами.
Практически все движения воды в океане (за исключением имеющих приливную природу) есть прямой или опосредованный результат атмосферных воздействий. Таковы широко распространенные в океане ветровые волны, дрейфовые течения, океанские вихри, а также упомянутые сейши, ветровые и волновые нагоны – то есть явления, возникающие в результате воздействия атмосферы на водную поверхность.
Принципиальная разница взаимовлияния жидкой и газовой земных сфер заключается еще и в том, что атмосфера оказывает на океан преимущественно динамическое воздействие, а океан на атмосферу – тепловое.
Процессы взаимодействия океана и атмосферы, приводящие к взаимному приспособлению геофизических полей, являются одними из наиболее сложных в климатической системе Земли. Большинство этих процессов происходят одновременно, на разных уровнях и разных пространственно–временных масштабах.
Источник
Газы в воде океана
Вода поглощает (растворяет) газы, с которыми она соприкасается. Поэтому в океанической воде содержатся все атмосферные газы, а также газы, приносимые водами рек, выделяющиеся при химических и биологических процессах, при подводных извержениях.
Особое значение имеет кислород. Содержание его изменяется, как и содержание всех других газов, в зависимости от солености и температуры воды, от степени перемешивания поверхностных вод и т. д. Чем выше температура и соленость воды, тем меньше кислорода может в ней раствориться. Поэтому содержание его от экватора к полюсам возрастает.
Кислород поступает в воду океана не только в результате контакта воды с воздухом, но и в результате фотосинтеза водорослей, населяющих воды океанов и морей. На глубине количество кислорода, как правило, уменьшается, так как процесс фотосинтеза имеет наибольшее развитие в поверхностном слое. В этом слое, особенно на мелководье, наблюдается повышенное содержание кислорода. Избыток его передается атмосфере. Кислород в океане расходуется также на дыхание живых организмов и на окисление различных веществ.
Азот проникает в воду из атмосферы и образуется при распаде органического вещества. Содержание его в воде изменяется мало, так как он плохо вступает в соединения, редко и в небольших количествах потребляется. Только некоторые придонные бактерии превращают его в нитраты и аммиак. Большой роли в океане он не играет.
Углекислый газ, в отличие от кислорода и азота, находится в воде океана в основном в связанном виде, в виде углекислых соединений — карбонатов и бикарбонатов. Запасы углекислоты в океане поддерживаются дыханием организмов и растворением известковых пород дна и берегов, а также современных органогенных отложений (скелетов, раковин и т.
Сероводород в океанах и морях образуется в придонных слоях при слабом водообмене и отсутствии кислорода, который его окисляет. Производят сероводород микроорганизмы при разложении остатков организмов и восстановлении сульфатов. Постоянно сероводород содержится в Черном море на глубинах более 150-200 м вследствие отсутствия обмена глубинных вод через мелководный пролив Босфор и чрезвычайно медленного обмена вод по вертикали. Здесь его объемное содержание достигает 6 %о. Временное образование сероводорода отмечается в глубоких фьордах Норвегии, во впадинах Балтийского моря и т. д.
Источник