Атмосфера и ее защитные функции.
Земная жизнь уязвима для космических лучей и нуждается в постоянной и надежной от них защите. Воздушная оболочка Земли, как любой внешний покров, осуществляет и защитные функции. Хотя по житейским нашим меркам атмосфера никак не укладывается в понятие средства защиты, именно «невесомый» воздух — безотказная преграда для губительных воздействий космоса.
Пробить эту «броню» могут лишь крупные метеориты с исходной массой в десятки и сотни тонн — явление, как известно, чрезвычайное. Метеориты помельче — отнюдь не редкость. Ежесуточно в небо над Москвой, например, вонзается до 200 метеоритов, нацело сгорающих в атмосфере.
От Солнца поступает на Землю энергия, а следовательно, и сама возможность жизни. Но жизненную дозу солнечной энергии «отмеряет» атмосфера. Не будь ее, днем Солнце раскаляли бы земную поверхность до + 100 °С, а ночью до — 100 °С выстуживал бы ее ледяной космос; 200-градусный перепад суточных температур намного превышает возможности к выживанию большинства живых организмов.
Когда впервые в открытый космос вышел Алексей Леонов, его жизнь и здоровье оберегал прочнейший скафандр. А на Земле мы надежно защищены воздушным покрывалом.
На верхнюю границу атмосферы ежесекундно обрушивается мощный поток солнечных и иных космических излучений широкого диапазона волн и энергий:- гамма-излучение, рентгеновские, ультрафиолетовые лучи, видимый свет, инфракрасное излучение и т. п. Если бы все они достигли земной поверхности, то мгновенно убийственная их энергия испепелила бы все живое. Этого не случается, и на Земле существует жизнь благодаря атмосфере.
Для всего разнообразия излучений атмосфера оставляет лишь два «окна прозрачности», две узкие «щелочки», сквозь которые проникают некоторые радиоволны, а также свет с частью ультрафиолетовых и инфракрасных лучей. Главную роль в этом играют ионосфера и озоновый экран на высоте 20—55 км. Хотя озон крайне разрежен, именно здесь большая часть энергии ультрафиолетовых лучей расходуется на разрушение молекул кислорода. Процеженные через озоновый фильтр, они еще опасны для некоторых микроорганизмов, в том числе болезнетворных, и полезны для человека.
В конечном счете, свет и тепло, несущие Земле жизнь, сквозь атмосферу пропускаются; все, сеящее смерть, задерживается атмосферой.
Климат и погода. Атмосфера регулирует важнейшие параметры климата — влажность, температуру, давление.
Скопление капелек влаги или кристаллов льда, т. е. образование облаков, возможно лишь при наличии в воздухе ядер конденсации — твердых частиц диаметром в сотые доли микрометра, или, проще говоря, тончайшей пыли. В абсолютно «стерильной» атмосфере дождь невозможен.
Вертикальные и горизонтальные перемещения теплых и холодных, сухих и увлажненных масс воздуха, местное распределение температур и осадков, т. е. формирование погоды, осуществляется за счет различий атмосферного давления и возникновения ветров.
Роль атмосферы в круговороте веществ. Циклы кислорода, углерода, азота, воды обязательно проходят атмосферную стадию. Воздушный бассейн выступает в роли гигантского резервуара, где все эти вещества накапливаются и, главное, распределяются по земному шару. Тем самым осуществляется регуляция скорости и интенсивности круговорота веществ в природе.
Атмосфера — часть жизненной среды. Для большинства обитателей суши, и человека в их числе, важны физические свойства атмосферы.
Атмосферное давление у поверхности Земли (около 9,8 • 104 Па) называют нормальным. Это норма существования наземных организмов, которую мы, как любую норму, не замечаем, хотя на человека при этом давит 10—12 т воздуха. Для нас ощутимы лишь отклонения от нее: при понижении давления на высоте около 5 тыс. м появляются признаки «горной болезни» (головокружение, тошнота, слабость); при погружении в воду на глубину 10 м давление оказывает заметное влияние на человеческий организм (боль в барабанных перепонках, затрудненное дыхание и т. п.). В абсолютном вакууме гибель наступает мгновенно.
Прозрачность, т. е. проницаемость, атмосферы для солнечных излучений — видимых, ультрафиолетовых, инфракрасных — исключительно важна для живых организмов. Количество и качество света определяют интенсивность фотосинтеза — единственного природного процесса фиксации солнечной энергии на Земле. Повышение уровня ультрафиолетового облучения может привести к ожогам и другим болезненным явлениям, понижение создает условия для массового размножения болезнетворных организмов. Установлено сложное влияние прозрачности на тепловой баланс Земли, о чем подробнее будет сказано ниже. Современные изменения прозрачности атмосферы в значительной мере определяются антропогенными влияниями, что уже привело к возникновению ряда серьезных проблем.
Весьма существенно для биосферы состояние газового баланса. Свыше 3/4 воздуха составляет азот, названный Лавуазье «безжизненным». Он входит в первооснову носителей жизни — белков и нуклеиновых кислот. Правда, в их синтезе атмосферный азот непосредственного участия не принимает, но является гигантским резервуаром первичного «сырья» как для деятельности азотфиксирующих микроорганизмов и водорослей, так и для промышленности азотных удобрений. Масштабы и особенно темпы роста промышленной фиксации азота уже вносят некоторые коррективы в представление о неисчерпаемости его запасов в атмосфере.
Сказанное в еще большей мере приложимо к кислороду, составляющему четвертую часть всех атомов живого вещества. Без кислорода невозможно дыхание и, следовательно, энергетика многоклеточных животных. Вместе с тем кислород — это продукт жизнедеятельности, выделяемый фотосинтезирующими организмами. Накопление в ходе взаимной эволюции атмосферы и биосферы всего 1% кислорода создало условия для бурного развития современных форм жизни. При этом образовался озоновый экран — защита от космических лучей высоких энергий. Сокращение кислорода в атмосфере повлекло бы за собой замедление процессов жизнедеятельности. Утеря кислорода вызвала бы неизбежную замену аэробных форм жизни анаэробными.
Углекислого газа в атмосфере Земли содержится всего 0,03%. Но сегодня это предмет большого внимания и немалых тревог. При увеличении доли углекислого газа всего до 0,1% животные испытывают затруднения в дыхании, свыше 4% углекислоты в воздухе означает аварийную ситуацию. Даже совсем ничтожные (на тысячные доли процента) изменения содержания углекислого газа в атмосфере меняют ее проницаемость для отраженных от земной поверхности тепловых лучей.
Жизнь на Земле без атмосферы невозможна. Но она невозможна и без воды, и без питательных веществ, и без многого другого. Без пищи человек может прожить недели, без воды — дни, без воздуха — минуты, без атмосферной защиты — секунды.
Столь разительные отличия обоснованы, в частности, разной способностью организма запасать те или иные вещества. В среднем человек потребляет в сутки свыше 500 л кислорода, пропуская через легкие свыше 10 тыс. л (около 12 кг) воздуха и 1,5—2 кг воды и пищи.
Еще одно существенное обстоятельство. В ходе эволюции у животных выработались многоступенчатые и достаточно надежные системы защиты от ядовитых и иных неблагоприятных для организма веществ естественного происхождения (недоброкачественной воды и пищи, пыли, дыма и т. п.). Поэтому и животный и человеческий организмы оказались полностью безоружными против того, чего нет в естественной среде их обитания,— против ядовитых газов без цвета, запаха и вкуса, которых немало в техногенных выбросах: оксида азота (II), свинца в выхлопах автомобилей, угарного газа (СО) и многих других соединений. В этих случаях наши дыхательные пути пропускают беспрепятственно и эликсир жизни, и смертельный яд, не имея средств различать их.