Источники и стоки атмосферных газов

Как было сказано выше, валовое содержание газов в атмосфере поддержива­ется более или менее постоянным. Это постоянство обеспечивается наличием, как источников газов, так и их стоков, причем сумма входящих потоков каж­дого газа равна сумме исходящих потоков (то есть атмосфера находится в стационарном состоянии, вернее, находилась до начала промышленной рево­люции). Существует четыре естественных пути поступления газов в атмо­сферу — дегазация магмы (расплавленной массы, находящейся в глубине Земли), жизнедеятельность организмов, химические реакции под действием электрических разрядов и излучения и испарение жидкостей. Стоков больше: химические реакции, растворение в воде (часто с последующими химиче­скими реакциями), разрушение под действием электромагнитного излучения, поглощение организмами, конденсация и рассеивание в космос.

Стоки атмосферных газов распределены практически по всей поверхности Земли или (для химических реакций) — по всему объему отдельных резер­вуаров атмосферы А источники могут быть как распределенными (как для О₂ и СО₂), так и точечными (как для SO₂, HC1 и т.п.). Некоторые источники од­новременно являются стоками вследствие обратимости процессов поглоще­ния-выделения газа. Такими обратимыми источниками является выделение из раствора — растворение, некоторые химические реакции, живые орга­низмы и испарение — конденсация.

Виды источников

Дегазация магмы. В ходе формирования планеты большие количества раз­личных газов были зажаты в магме под огромным давлением и постепенно высвобождались в ходе прорыва магмы на поверхность (например, при из­вержении вулканов). Особенно активно дегазация происходила, когда Земля была юной и горячей. Тогда в атмосферу поступали СО₂, SO₂, галогеноводороды; в меньшей степени — азот и инертные газы. Для всех вышеупомянутых газов, кроме СО₂ и SO₂, магма и поныне остается основным источником. Магматические источники газов в основном точечные (жерла вулканов и специфические горные районы), хотя небольшие количества газов (в первую очередь гелия и радона) выделяются по всей поверхности Земли.

Выделение из водного раствора. Поскольку атмосфера находится в постоянном контакте с океанскими водами, в которых растворены различные газы, а растворимость газа зависит от условий, то при некоторых условиях газы могут переходить из гидросферы в атмосферу. Реально только для СО₂ этот процесс имеет значение.

Жизнедеятельность организмов. В ходе своей жизнедеятельности организмы выделяют самые разнообразные газы. Больше всего выделяется кислорода (продукт процесса фотосинтеза):

6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

и углекислого газа (отход процесса дыхания):

«С» + О₂ = СО₂

(«С» — углерод, присутствующий в органическом веществе). Если в атмосферу молодой Земли углекислый газ поступал только в результате дегазации магмы, то в наше время практически весь углекислый газ поступает как продукт дыхания организмов. Что же касается кислорода, то он поступает в атмосферу исключительно как продукт фотосинтеза — в магме его нет из-за того, что в ней присутствует много двухвалентного железа и сульфидов, которые с кислородом реагируют.

С0₂ и О₂ — продукты аэробного обмена веществ (то есть обмена с участием кислорода). Но существуют также анаэробный обмен веществ, то есть обмен без участия кислорода. В результате анаэробного обмена (анаэробного дыхания, брожения, гниения, восстановления сульфатов, денитрификации и т.д.) образуются многочисленные газы-восста­новители, такие как СН₄, H₂S, NH₃, COS, PH₃ и другие.

Биологические источники можно считать распределенными. Поскольку источником газа в ландшафте являются множество особей, то при моделировании большинства резервуаров биологические источники и стоки считают распределенными.

Химические реакции. Энергетические потоки, которые присутствуют в атмосфере, обеспечивают протекание различных химических реакций с участием газов. Продукты таких реакций часто весьма реакционноспособны. Существует два вида энергетических потоков — электромагнитное излучение и грозовые разряды. Грозовые разряды поставляют в атмосферу оксид азота (II) и озон:

N₂ + O₂ (разряд) → 2NO

ЗО₂ (разряд ) → 2О₃

Испарение. Чем ближе температура кипения вещества к температуре воздуха, тем больше его может поступать в атмосферу при испарении. Испарение происходит и при температурах, ниже температуры кипения жидкости. При этом чем ближе температура атмосферы к температуре кипения жидкости, тем более высокая концентрация (парциальное давление) паров может быть достигнута при этой температуре. Парциальное давление паров при температуре кипения равно атмосферному давлению.

Виды стоков

Рассеивание в космосе. Небольшая доля молекул легких газов (Н₂ и Не), присутствующих в атмосфере, за счет теплового движения могут

приобрести скорости выше второй космической (11,3 м/с) и потому уйти от влияния земного тяготения. В результате атмосфера постоянно теряет эти газы.

Растворение. Хорошо растворимые в воде газы очень быстро выводятся из атмосферы с осадками. Именно поэтому в атмосфере практически нет хлороводорода и фтороводорода, хотя эти газы выделяются при дегазации магмы в огромных количествах (НС1 — 8-10⁶ т/год, HF —4-10⁵ т/год).

Жизнедеятельность организмов. Обмен организмов с окружающей средой предусматривает как выделение веществ в окружающую среду (организм — источник), так и их поглощение (организм — сток). В первую очередь организмы поглощают те же газы, что и выделяют: кислород (при дыхании) и углекислый газ (при фотосинтезе). Для многих следовых газов основным стоком также является поглощение организмами.

Химические реакции. Время пребывания реакционноспособных веществ в атмосфере невелико. Например, оксид азота (II) быстро реагирует с кислородом воздуха, превращаясь в оксид азота (IV):

2NO + О₂ = 2NO₂.

Разрушение под действием излучения. В верхних слоях атмосферы, куда проникают ультрафиолетовые лучи, разрушаются практически все сложные молекулы (подробнее — в разделе «Электромагнитное излучение — движущая сила процессов в атмосфере»).

Конденсация. Конденсация — процесс, обратный испарению. Конденсация может протекать, если температура атмосферы ниже температуры кипения соответствующей жидкости. Чем ниже концентрация паров, тем сильнее должны различаться температура кипения и температура атмосферы для конденсации. Поэтому конденсация как сток имеет значения только для газов, концентрация которых относительно высока, либо для веществ с высокими температурами кипения. Пример веществ, для которых конденсация важна как сток — вода, либо пары загрязняющих веществ при аварийных выбросах.

.