Атмосфера представляет собой самый большой резервуар газообразного азота. Для большинства организмов, особенно животных, он является ней-

тральным газом. Лишь для микроорганизмов (клубеньковые бактерии, азотобактерии, актиномицеты, сине-зеленые водоросли) азот воздуха является фактором жизнедеятельности. Усваивая молекулярный азот, эти микроорганизмы после отмирания и минерализации обеспечивают корни высших растений доступными его формами. Аргон, неон, гелий и другие недеятельные газы атмосферы в экологическом плане считаются индифферентными (экологически нейтральными).

Некоторые присутствующие в гомосфере и отсутствующие или содержащи-еся в ничтожных количествах вещества, экологически очень важны. Эт водяной пар, СО₂, жидкие и твердые аэрозоли, а также газообразные и твердые загрязнения. Количество их в атмосфере непостоянно.

Содержание водяного пара в гомосфере зависит от температуры. В полярных районах в приземном холодном воздухе содержится в среднем ~ 0,2%, а в экваториальных районах (теплый воздух) - ~ 3% водяного пара. Высокая влажность приводит к уменьшению содержания других постоянных газов, однако, соотношение между ними не меняется. Снизу вверх содержание водяного пара в атмосфере уменьшается в связи с падением температуры.

В атмосферном воздухе содержится около 1,3.10¹³ т водяного пара. Это соответствует слою воды на поверхности Земли в 2,5 см. Количество водяного пара в атмосфере постоянно пополняется за счет испарения из водоёмов, с влажной почвы и транспирации растительностью. При дыхании живые организмы также выделяют пары воды. Пары воды образуются при любом окислении органических веществ, в том числе и при пожарах. При перенасыщении воздуха водяным паром происходит его конденсация. Образующиеся облака либо рассеиваются за счет испарения, либо капельки воды или кристаллы льда укрупняются, образуя атмосферные осадки.

В круговороте между земной поверхностью и тропосферой вращается около 1,2.10¹² т в сутки или около 4,4.10¹⁴ т в год воды. При этом происходит трансформация энергии. На испарение 1 г воды расходуется 587 кал. тепла. Это тепло в виде скрытой теплоты испарения накапливается в водяном паре атмосферы. При конденсации последнего тепло выделяется и нагревает воздух. Таким образом, водяной пар атмосферы является аккумулятором солнечной энергии. Воздушные массы, перенося водяной пар, переносят тепло (солнечную энергию) в более холодные районы, обогревая последние. В результате круговорота воды и перехода её из газообразного состояния в конденсированное и обратно, в атмосфере трансформируется и переносится около 6,5.10²⁰ кал тепла в сутки или 4,4.10²³ кал в год. Кроме того, при образовании облаков увеличивается альбедо Земли. В среднем альбедо облаков составляет около 55%, а для мощных слоисто-кучевых облаков может достигать 80%. В результате зна-чительная часть приходящей солнечной радиации, отражаясь от облаков, уходит обратно в Космос. При безоблачном небе величина солнечной радиации, достигающей поверхности Земли, может составлять 80% радиации, поступающей на верхнюю границу атмосферы, а при плотном облачном покрове она снижается до 20%.

Энергетическая роль воды в атмосфере этим не ограничивается. Вода в атмосфере препятствует тепловому излучению поверхности Земли в Космос, создавая тем самым, наряду с диоксидом углерода, парниковый или оранжерейный (тепличный) эффект.

Поскольку в тропосфере температура воздуха уменьшается с высотой, соответственно снижается содержание водяного пара и уменьшается парни-ковый эффект. Верна и обратная зависимость - поскольку вода в атмосферу поступает с поверхности Земли, оодержание её в воздухе уменьшается снизу вверх, поэтому снизу вверх снижается парниковый эффект и, соответственно температура воздуха. Таким, образом, между содержанием в атмосфере паров води и температурой воздуха осуществляется обратная положительная связь. Выше тропосферы вода практически подняться не может, поскольку при низкой температуре (около –6О^о С) верхней тропосферы в воздухе она нацело вымораживается и опускается вниз. Это, так называемый, эффект "холодной ловушки" воды в атмосфере. В результате выше тропопаузы воды практически нет. Этот эффект имеет большое экологическое значение, поскольку если бы воде удалось подняться выше озонового слоя, а молярная масса воды это позволяет, она подверглась бы фотохимическому расщеплению на водород и кислород жестким УФ излучением Солнца и расход воды на поверхности Земли существенно увеличился бы.

Капельки воды, образующиеся в результате конденсации водяного пара, в виде облаков и тумана находятся в тропосфере. Облака не только значительно меняют альбедо Земли. Мелкие капли, соединяясь и укрупняясь, образуют атмосферные осадки, являющиеся источником влаги практически всего живого на суше. Кроме этого, атмосферная влага растворяет в себе газообразные и (частично) твердые загрязнения воздуха, тем самым очищая его.

Содержание диоксида углерода в тропосфере - 0,036% (~2,6.10¹² т), но у земной поверхности содержание его колеблется от 0,2 до 0,004%. Роль диоксида углерода в атмосфере чрезвычайно велика. Он – основное питание зеленых растений, важный фактор выветривания горных пород, осадкообразования, а также (наряду с молекулами воды) ответственный за парниковый эффект в атмосфере.

Основные источники поступления диоксида углерода в атмосферу -дыхание животных и растений, процессы горения, извержения вулканов, деятельность почвенных микроорганизмов и грибов, промышленные предприятия и транспорт. Количество его в атмосфере изменяется по сезонам (летом и в начале осени уменьшается из-за активной ассимиляции фототрофными организмами, особенно в Северном полушарии, где преобладает суша), в течение суток (в светлое время над фитоценозом содержание диоксида углерода уменьшается на 10%; лес генерирует в среднем 300-500, а луговая формация - 500-700 мг диоксида углерода на 1 м²/ч, что соответствует средним величинам фотосинтетической ассимиляции в светлое время суток. Припочвенные слои атмосферы обычно богаче им, чем слои основной листовой зоны, и это в определенной мере компенсирует недостаток света для фитоценоза в зоне нижних ярусов и подроста.

Диоксид углерода, поглощающий в инфракрасной области спектра, влияет на оптические параметры и температурный режим атмосферы, следствием чего является упоминавшийся ранее "парниковый эффект". Этот эффект заключается в том, что подобно стеклу в парниках, безоблачная атмосфера, содержащая диоксид углерода, сравнительно мало задерживает солнечную радиацию видимого диапазона, но в значительно большей степени поглощает длинноволновое инфракрасное излучение, возникающее при разогреве поверхности Земли. Тем самым создаются условия для сохранения тепла в атмосфере, происходит ее разогрев и переизлучение части энер-гии обратно к Земле. По мере увеличения концентрации диоксида углерода в атмосфере температура всей системы может повышаться до значений, ведущих к нежелательным экологическим последствиям.

Название "парниковый эффект" не совсем точно. В парниках и теплицах большую роль в сохранении тепла играют изоляция от окружающего воздуха и повышенное содержание водяных паров. Тепловой эффект сохраняется, например, при замене стекла на полиэтилен, который поглощает коротковолновое и длинноволновое излучение примерно одинаково. Тем не менее название "парниковый эффект" для атмосферы стало общепринятым. Диоксид углерода поступает в атмосферу не только вследствие естественных процессов (извержение вулканов, деятельность почвенных микро-организмов, дыхание животных и растений), но и в результате сжигания горючих полезных ископаемых (теплоэнергетика, транспорт, индустрия), как побочный продукт химической и микробиологической промышленности и т.п. Только в результате сжигания ископаемого топлива каждый год в атмосферу поступает 3.10⁹ т диоксида углерода, а с учетом различных технологических процессов - не менее 10.10⁹ т.

Согласно расчетам, около 1,1.10¹¹ т диоксида углерода непрерывно находится в обменном состоянии между атмосферой и океаном. Если поверхностные слои Океана обмениваются диоксидом углерода за 5-25 лет, то глубокие - за 200-1000 лет. Полный обмен диоксидом углерода в атмосфере происходит за 300-500 лет. При этом необходимо учитывать, что как кислород и диоксид углерода, так и азот, растворяясь в воде, находятся в растворе в ином количественном соотношении, чем в воздухе. В связи с этим гидросфера оказывает огромное влияние на баланс основных газов в атмосфере.

Важным в экологическом аспекте является повышение растворимости этих газов в воде по мере уменьшения ее температуры. Именно поэтому фауна водных бассейнов полярных и приполярных широт очень обильна и разнообразна. В теплых водах тропических бассейнов пониженная концентрация растворенного кислорода ограничивает дыхание, а отсюда и жизнедеятельность водных животных.

В Океане содержание диоксида углерода почти в 60 раз больше (1,3.10¹⁴ т), чем в атмосфере. Вследствие различной растворимости этого газа в холодной и теплой воде, Мировой океан действует как гигантский насос, поглощающий диоксид углерода в холодных областях, переносящий и отдающий его в атмосферу тропиков.

Одним из важных компонентов атмосферы является озон. Несмотря на крайне низкое количественное содержание, этот газ имеет существенное эколого-биоло-гичеокое значение, поскольку интенсивно поглощает коротковолновое УФ-излучение Солнца и таким образом определяет не только температурный режим стратосферы, но и защищает биосферу от жесткого УФ-излучения.

Основное количество озона сосредоточено в стратосфере на высотах 10-35 км (верхняя граница его распространения - до 45 км), где он образует озонный слой, или озоносферу. У поверхности Земли он появляется только во время грозовых разрядов. Содержание этого газа в атмосфере составляет (2-5).10^-5%; его общее количество достигает 3,3.10⁹ т.

Среднее годовое количество озона в озоносфере составляет около 300 добсоновских единиц (ДЕ). Одна ДБ соответствует слою озона, равному 0,001 см при нормальных давлении и температуре. При нормальных условиях содержание озона в атмосфере соответствует толщине слоя 1,7-4 мм (тогда, как толщина всей атмосферы в этих условиях составляет 7,9 км). Однако этого количества озона вполне достаточно для полного поглощения всего УФ-излучения Солнца до 290 нм. Кроме того, озон поглощает также инфракрасное излучение Земли, препятствуя ее охлаждению. Химия атмос-ферного озона весьма сложна, и в ней еще многое остается неясным. Син-тез и разложение озона в атмосфере представляют собой сложный процесс, поскольку поведение самой атмосферы переменчиво. Так, облучение ее Солнцем периодически изменяется по суткам и по временам года.

Образование озона в атмосфере можно представить в виде двухстадийного процесса:

О₂ 2О (+ 2О₂ + М) 2О₃ + М + Q