Kitabı oku: «Воздух. Неожиданные факты о том, без чего нельзя прожить», sayfa 2

2,5 миллиарда лет назад

Появляется кислород. Кстати, если бы не он, Земля бы попросту перегрелась. К этому времени мощность излучения Солнца увеличилась, и тепла на нашу планету стало поступать значительно больше. Чрезмерно концентрированная парниковая атмосфера из метана перестала быть полезной.

На помощь снова пришла жизнь. Примерно 2,5 миллиарда лет назад появились синезеленые водоросли – цианобактерии. Они расщепляли воду, запасали органические вещества и выделяли побочный продукт своей жизнедеятельности – кислород. Конечно, удивительно называть такой важный газ побочным продуктом, ведь с его появлением началась новая, кислородная эра Земли, но с биологической точки зрения это именно так.

После появления кислорода концентрация метана снизилась, и парниковый эффект уменьшился. Кислород стал постепенно накапливаться и обогащать собой атмосферу. В более высоких слоях под действием солнечного ультрафиолета начал образовываться озоновый слой. Конечно же, всё это не происходило в одночасье и заняло миллионы лет. И вот, спустя еще каких-то пару миллиардов этих самых лет мы видим привычную нам картину.

Наши дни

Земля – настоящий зеленый оазис, полный жизни. Трудно говорить о всей Вселенной, но то, что в Солнечной системе сейчас такая планета одна, – это точно. Атмосфера Земли насыщена кислородом и сбалансирована по составу. Для нас с вами он самый удачный и лучший из всех, что был и когда-либо будет. Более подробно о нем мы поговорим дальше.

То, что состав атмосферы не сразу был пригодным для жизни, – факт. Но почему лучше уже не будет? Дело в том, что перемены не закончились. Жизнь продолжает вмешиваться в состав атмосферного воздуха, и в наши дни один из самых главных влияющих на него факторов – это человек. Химическая промышленность, транспорт, фабрики и заводы медленно, но верно меняют состав воздуха.

Конечно, полностью оценить всю силу вмешательства и сделать окончательный вывод – к чему это привело, можно только по прошествии миллионов, а может, и миллиардов лет. Но процесс идет довольно быстро, изменения заметны уже сегодня. Прогнозы неутешительные и намекают нам, что, возможно, в будущем оценивать атмосферу будет попросту некому.

Воздух сегодня – это что-то привычное, некая константа, существующая повсюду. Но, если на секундочку задуматься, можно поразиться, ведь в создании «просто воздуха» приняли участие все: начиная с космоса и заканчивая живыми организмами. Вы только представьте, благодаря каким сложным процессам он появился! Мы столько тысячелетий им пользуемся, так, возможно, стоит сказать хоть раз спасибо? И осознать, как он хрупок и как легко всё испортить?

Глава 2
Как устроен воздух?
Строение и состав атмосферы

Слоеный пирог из воздуха

Давайте ближе познакомимся с атмосферой, которая существует сегодня. Теперь вы знаете, насколько сложным был процесс ее образования, и могли подумать, что самое грандиозное позади. Поверьте, поводов для удивления еще достаточно. И один из них – ее строение.

Атмосфера – это газовая оболочка Земли, которая удерживается за счет гравитации и вращается с планетой как единое целое. Нижней ее границей считается поверхность Земли, верхней нет: переход в космическое пространство происходит плавно. Международная авиационная федерация предложила считать границей атмосферы линию Кáрмана, которая располагается на высоте 100 км.

Атмосферу нельзя назвать однородной. Она больше похожа на слоеный пирог, чем на однородное желе. По мере отдаления от поверхности Земли ее свойства меняются. Давайте рассмотрим каждый слой этого «пирога» и узнáем, что он собой представляет. Начнем с уровня земли.

■ ТРОПОСФЕРА. В ней находится 80 % всей массы воздуха Земли и практически весь водяной пар. Верхняя граница тропосферы меняет высоту в зависимости от широты и сезона года. Так, она может достигать 10 км в полярных широтах и 18 км в тропических. Именно в этом слое «пирога» образуются дождь, ветер и почти все привычные нашему взгляду облака. Здесь летают пассажирские самолеты. Вы наверняка помните слова капитана: «Наш экипаж приветствует вас на борту, время полета составит столько-то часов, температура за бортом – минус 50 градусов». Почему так холодно? Дело в том, что в тропосфере нет источников тепла. Она нагревается от поверхности Земли, поэтому по мере удаления от нее, с увеличением высоты, температура воздуха понижается: примерно на 6 градусов каждый километр.

■ СТРАТОСФЕРА. Располагается над тропосферой, верхняя граница находится на высоте около 50 км. В стратосфере температура сначала, где-то до ее середины – отметки 25 км, снижается, а затем повышается и достигает значения порядка 0 ℃. Так происходит, потому что примерно в 25 км от поверхности Земли располагается озоновый слой – прослойка атмосферы, в которой содержится большое количество озона (О₃), защищающего Землю от ультрафиолетового излучения. Поглощенная озоном энергия переходит в тепло, поэтому в озоновом слое температура увеличивается.

Высота расположения озонового слоя, так же как и всё в атмосфере, не имеет четких границ. Максимальная плотность озона регистрируется на высоте 15–20 км в полярных широтах и 25–30 км в тропических.

■ МЕЗОСФЕРА. Располагается в пределах 50–90 км от уровня земли. Температура мезосферы ниже, чем в стратосфере, и может достигать –90 ℃. Существует интересная закономерность: летом в мезосфере высоких широт (условное название приполярных областей земного шара, ограниченных примерно 60° северной и южной широты) намного холоднее, чем зимой. Поэтому в так называемые холодные летние месяцы в мезосфере конденсируются маленькие льдинки и образуют красивое атмосферное явление: серебристые облака. Их можно наблюдать на сумеречном небе в виде серебристо-синего свечения. Серебристые облака – завораживающее зрелище, очень советую взглянуть на них. В интернете можно найти множество фотографий, сделанных в Якутии, Швеции, Эстонии, Санкт-Петербурге и Ленинградской области и даже в Москве.

■ ТЕРМОСФЕРА. Ее верхняя граница проходит на высоте примерно 800 км. Воздух здесь очень разреженный, увеличивается содержание легких газов, таких как водород и гелий. Термосфера названа так неспроста, ведь именно в ней происходят различные реакции под воздействием космических лучей и солнечной радиации, а воздух резко разогревается от –90 до +1500 ℃. Благодаря этому мы видим потрясающе красивое свечение атомов газов, известное как полярное сияние.

■ ЭКЗОСФЕРА. Самый верхний слой атмосферы Земли. Лежит в границах от 800 до нескольких тысяч километров, плавно рассеивается и переходит в космическое пространство. Толщина экзосферы зависит от солнечной активности и увеличивается с ее усилением. Верхний, граничный слой экзосферы в основном состоит из атомов ионизированного водорода, который улетучивается в космическое пространство.

Атмосфера, которая существует сегодня, – слаженный механизм, играющий важную защитную роль для Земли. То, что она довольно «толстая» и состоит из такого большого числа слоев, – огромная удача для нас. Ежедневно в пространство планеты вторгаются тонны космических тел: метеоритов, осколков комет, астероидов и мусора. Подавляющее большинство из-за трения о воздух полностью сгорают. Даже если часть такого тела и достигает поверхности Земли, его масса составляет считаные проценты от первоначальной.

Атмосфера защищает Землю от космической радиации, от разрушающего ультрафиолетового излучения Солнца. Кроме того, она регулирует тепловой баланс планеты и обеспечивает дыхание живых существ. Без атмосферы Земля была бы другой: безжизненной. Вот такой парадокс: без жизни не было бы атмосферы, а без атмосферы не было бы жизни. Вы еще сомневаетесь, что воздух – это что-то особенное?

Состав атмосферного воздуха

Всё – яд, всё – лекарство; то и другое определяет доза.

Парацельс

Если взять весь воздух на нашей планете и положить на гигантские весы, то стрелка покажет 5,27×10¹⁸ кг. Столько же весят 878 триллионов саванных слонов, самых крупных из ныне живущих наземных животных. Кстати, если взвесить всю Землю целиком, выйдет в миллион раз тяжелее – 5,98×10²⁴ кг.

Долгое время ученые считали воздух единой субстанцией. То, что это не отдельное вещество, а смесь различных газов, выяснил шотландский физик и химик Джозеф Блэк в 1754 году. Он же открыл и углекислый газ. Сегодня состав воздуха находится в состоянии динамического равновесия. Его можно разделить на постоянные и переменные компоненты. Концентрация постоянных компонентов практически не меняется до высоты 90 км. До этого уровня газы хорошо перемешаны и представляют собой однородный коктейль. Выше состав меняется, так как газы начинают разделяться по плотности.

В этой книге мы рассматриваем воздух, окружающий нас, то есть существующий на высоте до 90 км. Газовый состав сухого воздуха таков:

■ азот – 78,08 %;

■ кислород – 20,95 %;

■ аргон – 0,93 %;

■ углекислый газ – 0,03 %;

■ неон, криптон, метан, гелий, водород и ксенон – незначительное количество.

Однако важно учитывать, что воздух, которым мы дышим, далек от этого идеального постоянного состава. Он включает в себя еще и переменные компоненты: твердые частицы, пыль, токсические газы. И, самое главное, он далеко не сухой, а очень даже влажный, ведь в нем содержится вода. Влажность играет огромную роль. Содержание водяного пара во влажном воздухе колеблется от 0,2 % в полярных широтах до 2,5 % на экваторе. В отдельных случаях количество влаги может достигать 4 %. Как же вода попадает в воздух? Она испаряется с поверхности Мирового океана, водоемов, почвы. Растения, животные и даже тело человека выделяют влагу. Например, когда человек спит, он теряет 40 г влаги в час. А при тяжелых нагрузках в спортзале – все 300 г.

Воздух в разных местах земного шара при неодинаковых погодных условиях будет немного различаться. Например, на закрытой автомобильной парковке в торговом центре он совсем не похож на воздух в лесу. Когда топливо сгорает, концентрация углекислого газа повышается. На этом фоне незначительно снижается относительное содержание азота и общее содержание кислорода. Воздух в лесу и на берегу моря тоже неодинаковый. Разница заключается в содержании влаги, частичек соли или, например, пыльцы растений. Даже в вашей комнате вчера и сегодня он разный. Ведь вы могли открыть окно, развесить белье на просушку, заболеть или покрасить стену. На состав окружающего воздуха влияет всё: влага, испарения от почв, аэрозоли, растения, люди, животные.

Каким бы ни был переменчивым воздух, в нем постоянно одно – практически идеальная для жизни комбинация газов. Я хочу, чтобы вы поняли и прочувствовали важность каждого из них. Атмосфера сформировалась так, а не иначе. Нам очень сильно повезло. Только представьте, каков был шанс и какое это счастье, что он выпал именно нашей планете. Сделайте глубокий вдох. Чувствуете? Так пахнет преимущество.

Глава 3
Агент номер 7
Азот

Атомный номер химического элемента – 7

Формула вещества – N₂

Температура кипения вещества – –195,8 ℃

Бесцветен. Не имеет ни вкуса, ни запаха.

Азота в воздухе больше всего: 75,50 % по массе и 78,08 % по объему. Тогда почему говорят, что дышим мы кислородом, а не азотом? Дело в том, что человек не умеет усваивать этот газ из атмосферы. При нормальных условиях он попадает в легкие с вдохом и покидает их с выдохом. Другие организмы тоже не взаимодействуют с атмосферным азотом. Казалось бы, можно списывать его со счетов и заканчивать главу, если бы не одно «но». Из химических соединений азота состоит всё живое на Земле, и мы в том числе.

Он входит в состав аминокислот, образует пептиды и белки. В составе нуклеотидов образует ДНК и РНК. N₂ есть даже в гемоглобине, который помогает органам и тканям получать кислород.

Растения питаются азотом, это важнейший элемент для всех растительных организмов. Однако они, как и люди, не способны усваивать его из атмосферы. Растения делают это с помощью корневой системы, поэтому от соединений азота зависит плодородность почвы. При их недостатке грунт быстро истощается, растения теряют листья и прекращают расти.

Связывание азота

Азот плохо вступает в химические реакции. В чистом виде он бесполезен для дыхания живых существ, но в то же время, как мы выяснили выше, без него никак нельзя. Чтобы организмы могли воспользоваться азотом, его необходимо связать. Не спешите хвататься за веревку, связыванием называют химический процесс, при котором простой азот превращается в сложные азотсодержащие соединения. Для их образования необходимо прочную молекулу N₂ разделить на два атома и соединить с другими элементами.

Частично связыванием занимаются бактерии. Да, и здесь без них не обошлось. Другая часть образуется во время дождя с грозой. Немаленькую долю связанного азота природа получает искусственным путем от человека при помощи чудес химической промышленности. Давайте рассмотрим подробнее каждый способ.

Начнем с самого необычного, в чем принимают участие дождь и гроза. Вы только представьте масштабы и объемы этого процесса. На Земле каждую секунду вспыхивает 100 молний¹. В месте удара молнии воздух прогревается до +30 000 ℃. От такой сумасшедшей температуры и энергии молекулы азота начинают реагировать с молекулами кислорода – происходит реакция. В капельках дождевой влаги свежеполученные оксиды превращаются в азотную и азотистую кислоту. Те, в свою очередь, вместе с дождем попадают в почву, где становятся кормом для растений и оказываются в пищевой цепочке. По ней азот попадает в животных, в человека – везде, где без него не обойтись.

Но не всё на нашей планете происходит со спецэффектами. Большая часть метаморфоз представляет собой рутину, на которую требуется достаточно много времени. Терпения, как всегда, хватило бактериям. Трудяги запускают круговорот азота в природе и разлагают организмы после гибели обратно на азотсодержащие соединения. Эти соединения попадают в новые организмы. Круг замыкается, азот дарит новую жизнь.

Помимо бактерий, ответственных за перегной, существуют и другие. Я их называю независимыми заводами азота. Например, клубеньковые бактерии, которые живут на корнях бобовых растений. Они умеют брать азот прямо из атмосферы и сразу же, напрямую, превращать его в азотсодержащие соединения. Почва обогащается, плодородность повышается, урожаи растут. Бобовые растения, с точки зрения экологичности, отличный способ обогатить землю без использования удобрений. Кстати, так поступала моя бабушка, она всегда сажала горох между грядками.

Однако в рамках промышленности способом моей бабули пользоваться неэффективно. Фермеры для увеличения урожая обычно применяют азотные удобрения. Так что наравне с грозами и бактериями огромное количество связанного азота производит человек – для сельскохозяйственных нужд.

Казалось бы, здорово, но опасение вызывают масштабы. Дело в том, что искусственное обогащение почв азотом смещает природный баланс. Да, удобрения помогают выращивать тыквы размером с грузовик, но химические соединения еще и загрязняют окружающую среду, когда вымываются дождями, грунтовыми водами и попадают в водоемы. Остатки удобрений могут переноситься на дальние расстояния по воздуху, проникать в пищу животных или человека. Это вызывает отравления и различные мутации.

Чтобы защитить себя, никогда не пейте воду из незнакомых источников, особенно вблизи огородов и полей. Тщательно выбирайте и мойте овощи, а также замачивайте зелень в воде. И главное, помните: всё хорошо в меру.