Архів позначки: атмосферне повітря

Життєвий цикл забруднювача. Нітроген діоксид

Продовження серії статей Максима Куща, присвячених темі моніторингу довкілля, найбільш небезпечних забруднень та сучасних технологій слідкування за параметрами навколишнього середовища. Друга стаття присвячена утворенню і життєвому циклу нітроген діоксиду (NO2).

Ніяка складна система не може підтримувати своє існування без певних енергетичних дотацій. Кожен окремий живий організм існує за рахунок енергії розкладу поживних речовин, які отримує з навколишнього середовища. Кожна окрема популяція формується завдяки розподіленню живими організмами отриманої енергії на адаптаційні пристосування до умов навколишнього середовища. Для існування ж сучасного високорозвиненого суспільства, крім індивідуальних інтелектуального та фізичного внесків людини, залучається значна кількість видобутої з ресурсів навколишнього середовища енергії. Процеси видобутку цієї енергії у своїй більшості і дають початок «життєвому циклу» такого антропогенного забруднювача атмосферного повітря, як нітроген оксиду (IV).

Одним з основних джерел енергії, яку людина використовує для створення благ свого комфортного існування, є енергія хімічних перетворень речовин. І, у першу чергу, це енергія згорання палива. Якщо уявити, що атоми молекул палива – це своєрідні невеликі енергоблоки, які об’єднані у велику самодостатню станцію (молекулу палива), то процес кисневого горіння палива – це руйнування цієї станції та використання її енергоблоків на побудову нових, простіших станцій за участю спеціального будівельного матеріалу (молекул кисню). Нові збудовані станції виявляються досить потужними, тому надлишок виробленої енергії у вигляді тепла та світла вони скидають у навколишнє середовище. Незначна частина цієї енергії залучається на руйнування нових молекул палива і цикл «будівництва» повторюється, доки один із його компонентів (кисень або паливо) не виснажиться.

Енергія горіння палива застосовується людиною у найрізноманітніших сферах життя. Елементарний повсякденний тому приклад – використання енергії горіння газу (або вугілля) для термічної обробки їжі, обігріву приміщень та води. Складніші процеси, такі як перетворення теплової енергії палива у механічну роботу, застосовуються у двигунах внутрішнього згорання різних транспортних засобів. Можливість перетворювати теплову енергію у електричну дала розвиток енергетичній промисловості. Коксохімічна, нафтопереробна, металургійна та багато інших галузей промисловості існують завдяки високотемпературній активації різноманітних фізичних процесів та хімічних реакцій між речовинами. Але виходить так, що далеко не повний спектр властивостей процесу горіння палива є придатним до використання у практичній діяльності людини. А багатьох з них і взагалі доводиться уникати різноманітними засобами.

Як вже згадувалося, у процесі горіння вивільнена енергія залучається до розриву хімічних зв’язків між атомами молекули палива, внаслідок чого вивільняються іони та радикали, які потім взаємодіють з киснем. Такий хімічний механізм дає початок першому (за уявною нумерацією) шляху утворення нітроген оксиду. Нітроген, що міститься у складі органічного палива (вугілля (1-2% N), нафтопродукти (0,3-0,6% N) та ін.), у процесі горіння легко взаємодіє з киснем повітря та утворює монооксид – NO (схематично: N+O2 <-> NO + O).

Високі температури процесу горіння здатні руйнувати хімічні зв’язки не лише у молекулах палива, а й у молекулах інших речовин. Використання атмосферного повітря як джерела кисню для процесу горіння формує другий шлях утворення оксидів нітрогену: досить інертний за нормальних умов азот (N2), який становить 78% газової суміші повітря, за високих температур починає активно взаємодіяти з іншими речовинами.

Горіння збіднених паливних сумішей (температура горіння біля 500 °С) супроводжується проміжним утворенням оксиду нітрогену (I) (N2O) з азоту та кисню повітря (схематично: N2+O<->N2O), який далі у присутності атому оксигену (за схемою N2O+O) розкладається знову на азот та кисень  (схематично N2O+O<->N2+O2) або перетворюється на оксид нітрогену (II) (схематично: N2O+O<->2NO). Реакції розкладу N2O  до азоту і кисню та утворення з N2О оксиду нітрогену (II) (NO) можна вважати рівноімовірними.

При горінні паливних сумішей, збагачених вуглеводнями (вугілля, нафтопродукти, метан та ін.), за температур вище 700 °C азот повітря починає взаємодіяти з вуглецем (C), вуглеводневими (CH) та гідроксильними (OH) радикалами палива. Відбувається каскад реакцій:

  • CH+N2<->HCN+N;
  • C+N2<->CN+N;

Далі вільні іони N у зоні горіння взаємодіють з гідроксильними радикалами палива, продукуючи NO:

  • N+OH<->NO+H.

У процесі горіння багатих паливних сумішей за температур біля 2000 °C молекули кисню та азоту у зоні горіння повністю розпадаються на окремі іони, тому утворення NO відбувається вже без посередницьких реакцій, як у попередніх випадках. Основними є реакції:

  • N2+O<->NO+N;
  • N+O2<->NO+O;
  • N+OH<->NO+H.

Описані шляхи утворення нітроген оксидів є лише незначною частиною усіх складних перетворень, що відбуваються у зоні горіння палива. Звичайно, крім нітроген монооксиду (NO) там утворюються і інші його оксиди, але, найчастіше, вони зазнають швидкого зворотного розпаду до азоту та кисню ще до того, як вивільнються у атмосферу. Вивільнений же із зони горіння у атмосферу, NO досить швидко окиснюється киснем повітря до NO2.

У чистому вигляді у атмосферному повітрі нітроген діоксид (NO2) знаходиться лише за досить специфічних умов. NO2 за температури нижче 140 °C схильний до утворення своєї димерної форми (ускладненої молекули, яка утворюється з двох молекул однієї і тої ж речовини) – дінітроген тетраоксиду (N2O4). При чому, чим нижче температура навколишнього середовища, тим більший відсоток димерної форми займатиме місце у суміші NO-N2O4. За температури нижче 21 °C (температури кипіння суміші NO-N2O4) нітроген діоксид у атмосферному повітрі перебуває у формі леткої рідини, яка переважно складається з N2O4, а при -14 °C формує кристали чистого дінітроген тетраоксиду. При високій вологості повітря, NO2 та N2O4 реагують з молекулами H2O з остаточним продуктом цієї взаємодії – азотною кислотою HNO3. Тож, найбільша абсолютна кількість мономерної форми нітроген діоксиду (NO2), сформованої з монооксиду (NO), знаходиться у повітрі у спекотні посушливі літні дні.

Фактично, «життєвий цикл» антропогенних викидів NO2 у повітрі є досить коротким. Завершується він за низьких температур (<= -14 °C) повною кристалізацією та осадженням на земну поверхню дінітроген тетраоксиду, або при вищих температурах – вимиванням газоподібних NO2 та N2O4 атмосферною вологою (опадами чи туманами). Але через масштабність процесів, у яких людиною використовується енергія згорання палива, надходження небезпечних для екосистем оксидів нітрогену, особливо у великих промислових містах, відбувається практично безперервно. Більше того, існують і альтернативні шляхи появи NO2 у атмосферному повітрі. Крім природних шляхів (при лісових пожежах, вулканічній діяльності, розрядах блискавок), це надходження до атмосфери значної кількості N2O – продукту процесу денітрифікації бактеріями азотних добрив, які масово вносяться у землю для підвищення урожайності сільськогосподарських культур. Вивільнений у повітря N2O, перемішуючись з атмосферними масами, досягає стратосфери, де реагує з озоном (O3) та утворює монооксид нітрогену (NO). NO у свою чергу окиснюється до NO2.

Так, з появою значних концентрацій NO2 у атмосфері починає проявлятися і його негативний вплив на цілісність екосистем. Загалом такий вплив можна класифікувати за двома основними напрямами: «прямий» та «побічний». До «побічного» впливу можна віднести здатність нітроген діоксиду у атмосферному повітрі утворювати висококорозійні речовини, такі як азотна кислота (HNO3) та дінітроген тетраоксид (N2O4). В основному, шкідлива дія цих речовин пов’язана з їх здатністю пошкоджувати цілісність клітинних стінок та окиснювати речовини, які відіграють ключову роль у підтриманні гомеостазу живих організмів. Окисна здатність самого NO2 у деяких випадках підсилює дію інших атмосферних забруднювачів. Таким чином SO2 у присутності нітроген діоксиду здатен окиснюватися до SO3 (SO3 – сильний окисник зі значною токсичною дією на живі організми, здатний до утворення соляної кислоти у присутності вологи повітря). Крім того, розглядаючи фізико-хімічні властивості нітроген діоксиду (NO2), варто відзначити його здатність дисоціювати під дією сонячної радіації на монооксид та іон оксигену (схематично: NO2->NO+O). Вивільнений іон оксигену далі об’єднується з молекулою кисню з утворенням озону (схематично: O+O2->O3). За такою схемою у приземних шарах атмосфери відбувається озонове забруднення (озон – сильний окисник, який проявляє значну подразливу дію на біологічні тканини живих організмів).

«Прямий» вплив нітроген діоксиду на екосистеми проявляється у його безпосередній подразнюючій дії на живі організми. На людський організм NO2 діє як пульмонотоксикант – речовина, яка викликає структурно-функціональні порушення у системі зовнішнього дихання. Суть процесу зовнішнього дихання полягає у газовому обміні між кров’ю та атмосферним повітрям. Атмосферне повітря під час акту вдиху надходить у легені, де через аерогематичний бар’єр «передає» крові молекули кисню (активатор окисних процесів у організмі), а з крові «забирає» молекули вуглекислого газу (продукт окисних процесів у організмі). Основний процес такого газообміну відбувається у альвеолах легень. Альвеоли представляють собою невеликі мішечки, які всередині вистелені спеціальними клітинами (альвеолоцитами), а зовні щільно окутані кров’яними капілярами. Між альвеолами та оточуючими їх кров’яними капілярами пролягає своєрідний коридор (інтерстиціальний простір), заповнений рідиною (інтерстиціальною рідиною) та білковими волокнами. Завдяки таким структурам у легенях і утворюється аерогематичний бар’єр, через який відбувається виключно газовий обмін між повітрям та кров’ю. Вдихання ж повітря, у якому міститься нітроген діоксид, спричиняє порушення цього бар’єру. NO2, який пройшов крізь стінки альвеол, у просторі між альвеолою та судинами (інтерстиціальному просторі) разом з киснем ініціює утворення перекису водню (H2O2), радикалів HO2, HO. Далі сам нітроген діоксид окиснює ряд речовин, які формують антирадикальний захист клітин. Завдяки зруйнованому захисту у дію вступають попередньо утворені радикали та перекис водню: починається окиснення ліпідів – структурних речовин біологічних мембран клітин. Таким чином, одночасно пошкоджуються альвеолоцити альвеол та ендотеліоцити кров’яних капілярів. Як наслідок, змінюється проникна здатність аерогематичного бар’єру. До інтерстиціонального простору починає надходити плазма крові з капілярів, а до альвеол – рідина із інтерстиціонального простору. Тож, внаслідок вдихання людиною повітря з високими концентраціями NO2 відбувається набряк легень швидкого типу (розвивається через 1-2 години після контакту із токсикантом). У результаті набряку легені наповнюються біологічними рідинами, припиняється обмін киснем та вуглекислим газом між повітрям та кров’ю, і людина гине через припинення енергетичних процесів у організмі, які зав’язані на окисних реакціях за участі O2.

Подібним чином NO2 діє і на інших тварин, які потребують процесу зовнішнього дихання для підтримки своєї життєдіяльності. У рослинах нітроген діоксид за високих концентрацій окиснює хлорофіл та каротиноїди, здатен до порушення структури нуклеїнових кислот.

На жаль, на сьогоднішній день інформаційний простір щодо стану навколишнього середовища вибудований досить неоднозначно. Ряд екологічних проблем умисно розпіарені, через що загальна картина впливу людини на природу формується досить розмитою для людського розуміння. Хтось з острахом цілий рік поглядає на термометр, чекаючи глобального потепління. Хтось п’є каву виключно з паперових стаканів, бо пластик, потрапляючи у землю, сотні років розкладається і тим самим порушує цілісність екосистем (добре, що папір для стаканчиків береться нізвідки 😉 ). Так, за акцентом уваги на розпіарені проблеми, багато речей, які відбуваються тут і зараз, залишаються непоміченими. За досить грубою, але показовою аналітичною вибіркою, дані автоматичної лабораторії КП «Центр екологічного моніторингу» уже протягом трьох місяців показують стабільне перевищення гранично допустимих концентрацій NO2 у повітрі міста Дніпро. На графіку нижче червона лінія показує динаміку зміни концентрації NO2 за березень 2018 року. Забір повітря газоаналізаторами відбувається у центрі міста, у районі ж/м Перемога 3. Гранично допустима концентрація нітроген діоксиду у атмосферному повітрі, рекомендована Всесвітньою організацією охорони здоров’я, становить 40 мкг/м3 середньорічного значення та 200 мкг/м3 при контакті з токсикантом не більше одної години. Відповідно, перевищення даних показників призводить до розвитку патологій системи зовнішнього дихання, особливо у дітей. Концентрація ж NO2 у повітрі центральної частини м. Дніпро стабільно коливається біля значення 200 мкг/м3 (гострий токсичний ефект з розвитком набряку легень настає при дії концентрації >500 мкг/м3). Очікувано у літню пору дані показники будуть зростати.

Наступні комплексні дослідження повітря м. Дніпро у різних локалізаціях, за різних атмосферних умов та у різні пори року дадуть можливість чітко визначити ключові джерела перевищення гранично допустимих концентрацій NO2.

Далі у продовженні теми: «Життєвий цикл забруднювачів атмосферного повітря. Озон».

 

Автор: Максим Кущ

«Життєвий цикл» забруднювача

Продовження серії статей Максима Куща, присвячених темі моніторингу довкілля, найбільш небезпечних забруднень та сучасних технологій слідкування за параметрами навколишнього середовища. Друга стаття присвячена життєвим циклам забруднюючих речовин.

Будь-яка хімічна речовина, чи то проста (складається з атомів одного виду), чи складна (складається з атомів різного виду), проявляє певні хімічні та фізичні властивості, які визначаються мірою її здатності чи взагалі неможливістю взаємодіяти з іншими речовинами, перетворюватися у інші речовини, змінювати агрегатний стан, проводити тепло та електричний струм і т.д. Ще з часів первісного суспільства людина досліджувала ці властивості та намагалася використовувати їх на свою користь. Завдяки цьому  з’являлися і вдосконалювалися знаряддя праці, розвивалася лікувальна справа, пізнавалися все нові джерела енергії. Звичайно, що такі дослідження не завжди були безпечними для людини. Такі показники як токсичність речовини (здатність немеханічним шляхом порушувати гомеостаз) чи, наприклад, її здатність до хімічного або термічного ураження біологічних тканин довгий час визначалися практично, при випадковому чи умисному контакті з живим організмом. Як наслідок, використання небезпечних речовин або уникали взагалі, або встановлювали певні правила їх застосування (як, наприклад, отрути для полювання чи малих доз токсичних речовин для лікування).

Йшов час, і згодом становлення та розвиток таких наук як хімія та фізика фактично розпочали нову еру в історії людського суспільства, коли людина вже не просто користувалася корисними властивостями речовин природного походження, а й навчилася самостійно створювати нові хімічні речовини, залежно від необхідних їх властивостей. Так для людини настав час стрімкого технологічного прогресу, завдяки якому, можна сказати, сьогодні ми маємо усі блага для комфортного існування. Але, разом з тим, почали загострюватися і питання безпеки людської діяльності для екосистем нашої планети. Як наслідок антропогенного впливу, біосфера Землі почала наповнюватися безліччю нових штучно синтезованих речовин, а концентрації природних речовин – перерозподілятися у сторону локальних накопичень (внаслідок видобутку та використання їх людиною, як первинної сировини для синтезу нових речовин). Стрімкий експоненційний приріст людського населення нашої планети за останні століття неминуче посилював техногенний тиск антропогенної діяльності на біосферу Землі. Ситуація, коли людина могла просто уникати контакту з виявленими небезпечними речовинами, змінилася безперервним контактом людського організму зі шкідливими для здоров’я антропогенними забруднювачами біосфери. А шкідливими для людського організму (як і для інших живих організмів) вони були через певні особливості його пристосування до взаємодії з навколишнім середовищем…

Живий організм – це складна саморегульована (як прийнято вважати) система, кожен елемент якої знаходиться у чіткому балансі з іншими її елементами та виконує власні, визначені еволюційним процесом функції. Якщо розглядати живий організм як набір хімічних сполук, то його взаємодія з хімічними речовинами навколишнього середовища може мати всього два узагальнені наслідки: перший – підтримка (або відновлення) структурного та функціонального балансу систем життєдіяльності організму; другий – його порушення. Ці процеси можна досить чітко уявити, порівнявши живий організм з механічним годинниковим механізмом. Так, існують речовини, які підтримують роботу годинника. Це, наприклад, годинникове мастило, яким змащують шестерні, чи метали, які можна напилювати для відновлення зношених металевих деталей годинника. Також існують речовини, які порушують роботу годинника, як, наприклад, вода, в присутності якої можуть окиснюватися та руйнуватися металеві деталі. Але, що важливо, у певний момент корисні речовини, залежно від кількості та форми їх надходження, можуть викликати негативні наслідки. Наприклад, повністю залитий мастилом годинниковий  механізм не працюватиме правильно (або припинить працювати взагалі), як і механізм з пошкодженим кварцовим циферблатом, у який для відновлення просто насипали кварцовий пісок.

Для підтримки власної життєдіяльності кожен живий організм по-своєму адаптований до взаємодії з навколишнім середовищем: через системи травлення, дихання, дифузійного обміну та ін. Але, нажаль, у природі живі організми не можуть отримувати виключно корисні і лише у необхідних кількостях та формі хімічні речовини. У зв’язку з цим існує логічна необхідність наявності у них певних захисних механізмів, щоб виживати в таких природних умовах.

Ці механізми для різних форм живого є різними: від простого фізичного недопущення «зайвих» речовин у організм, до складних процесів перетворення тих, що вже потрапили всередину, у форми, які потім легко виводяться видільними системами. Наприклад, людський організм формує свої системи життєдіяльності та підтримує їх функціонування за рахунок корисних речовин, які надходять з їжею, і за рахунок повітря, що залучається у процесах дихання. Тому у ситуації значного антропогенного забруднення біосфери Землі саме системи травлення та дихання є основними шляхами випадкового (точніше – неминучого, на сьогоднішній день) потрапляння токсикантів до людського організму. Також вразливість саме цих систем пояснюється значною площею їх взаємодії з навколишнім середовищем. Загальна площа поверхні стравоходу, яка може бути  доступною для проникнення токсиканту, у дорослої людини досягає 100-120 м2. Аналогічне значення для альвеол легень – 55-80 м2 (для порівняння: поверхня шкірного покриву людини досягає лише 1,5-2 м2). Звісно, що при рівних концентраціях токсичної речовини більшу її абсолютну кількість за однаковий час отримає більша за площею всисна поверхня, але у загальному випадку імовірність агресивнішого токсичного процесу для людського організму вище саме при потраплянні токсикантів інгаляційно (у процесі дихання). Пов’язано це, по-перше, з формою токсичних речовин: гази та мілкодисперсні аерозолі, що вдихаються, швидше долають механічні бар’єри організму перед потраплянням у кров та лімфу, ніж рідини та тверді частки у травному каналі. По-друге, шкідливі речовини у шлунково-кишковому тракті після проходження крізь слизисті оболонки потрапляють у кров, з якою через систему ворітної вени прямують до печінки. У печінці ці речовини, як правило, окиснюються до менш токсичних і далі зв’язуються спеціалізованими ферментами та виводяться із організму через органи видільної системи. Ті ж токсиканти, що потрапили в кров інгаляційно, вільно (переважно у незмінному стані) розповсюджуються великим колом кровообігу до внутрішніх органів або, долаючи гематоенцифалічний бар’єр, до судин мозку (залежно від виду токсиканту), сповна проявляючи свою токсичну дію.

Тож, на сьогоднішній день, в умовах значного антропогенного забруднення біосфери Землі живі організми змушені знаходитись у постійному контакті з різного роду токсикантами. При чому тяжкість токсичного процесу залежить як від виду та дози токсину, так і від способу його надходження у організм. В свою чергу, ці параметри безпосередньо пов’язані зі шляхами міграції забруднювачів у біосфері. І за незліченною різноманітністю цих шляхів, їх глобальністю та непередбачуваністю безумовним лідером являються забруднювачі атмосферного повітря.

В один момент здається, що дія їх на живі організми незначна, бо вони активно перемішуються з атмосферними масами, знижуючи свою концентрацію у повітрі до мізерних значень. В інший момент, наприклад, у стані атмосферної інверсії (осіданні непорушних холодних мас біля земної поверхні) концентрації забруднювачів у приземних шарах повітря можуть досягати летальних для більшості живих організмів значень. Деякі із таких речовин можуть знаходитись досить довго у атмосфері (CO2, фреони, радіоактивні ізотопи газів), проявляючи опосередкований вплив на людину та екосистеми в цілому (глобальне потепління, порушення озонового шару та ін.). Деякі із забруднювачів після потрапляння у повітря досить швидко осідають на земну або водну поверхню під дією сили тяжіння, чи вимиваючись опадами, і далі вже активно накопичуються живими елементами екосистеми та «подорожують» їх харчовими ланцюжками.

У будь-якому випадку, для кожного із забруднювачів атмосфери Землі існує його власний «життєвий цикл»: його власний міграційний шлях, його тривалість існування та імовірність, з якою він проявить згубну дію на екосистеми нашої планети. Тому далі, у продовженні теми «забруднення атмосферного повітря», більш детально розглянемо типові антропогенні забруднювачі земної атмосфери для реальної кількісної оцінки їх згубного впливу як на здоров’я людини, так і на цілісність екосистем взагалі.

Автор: Максим Кущ

Як сформувалася сучасна земна атмосфера?

Олексій Ангурець, голова ГО “Зелений світ – Друзі Землі”:

“Зелений світ – Друзі Землі” є одним із учасників проекту створення системи екологічного онлайн моніторингу в Дніпропетровській області. Інформацію про перший етап цього сучасного проекту можна знайти на нашому сайті та на моїй сторінці в Фейсбуці. Перший етап пов’язаний з моніторингом атмосферного повітря. Ми розпочинаємо публікувати серію статей нашого молодого автора Максима Куща, присвячених темі моніторингу довкілля, найбільш небезпечних забруднень та сучасних технологій слідкування за параметрами навколишнього середовища. Почнемо з теми про атмосферу: чому вона має зараз саме такий склад, як він утворився і як змінюється під впливом людини.

Атмосфера Землі – суміш газів, що рівномірно огортає нашу планету та створює на ній особливі умови для існування життя. Насамперед, ці умови визначаються основними фізичними властивостями атмосфери: здатністю до часткового поглинання та часткового розсіювання сонячної радіації, тепло- та вологообміну із земною поверхнею та, власне, циркуляції атмосферних мас. Що не менш важливо, хімічний склад атмосфери у її приземних шарах є визначальним для забезпечення процесів енергетичного обміну в живих організмах.

Атмосфера не завжди була такою, якою ми знаємо її сьогодні. Первинна атмосфера Землі формувалася з газів та емульсій, що утворювалися в результаті активної вулканічної діяльності на поверхні планети. Масові викиди вуглекислого газу (CO2), метану (CH4), аміаку (NH3), водяного пару (H2O) та безлічі інших летких супутніх вулканічним процесам речовин все більшим прошарком накопичувалися навколо нашої планети, а сила земного тяжіння не давала їм вивільнятися у міжпланетний космічний простір. Звичайно, первинна газова оболонка Землі зазнавала постійних змін під дією сонячної радіації та іонізуючих сил електричних розрядів (блискавок). Але початок глобальних змін хімічного складу атмосфери до звичного нам сьогодні був покладений з появою перших здатних до кисневого фотосинтезу організмів – ціанобактерій та синьо-зелених водоростей. Ці організми асимілювали вуглекислий газ та воду, перетворюючи їх під дією сонячної радіації у запасні поживні речовини, та виділяли кисень, як побічний продукт таких перетворень. Саме кисень і відіграв ключову роль у зміні газового складу первинної атмосфери. Через складні ланцюжки хімічних реакцій за наявності кисню метан атмосфери окиснився до вуглекислого газу та водяної пари, а аміак – до азоту та водяної пари. Додаємо до отриманої газової суміші інертний газ аргон, який утворився в надрах Землі внаслідок радіоактивного розпаду калію, та фактично отримуємо якісний склад атмосфери, що відповідає сучасному: азот (N2), кисень (O2), аргон (Ag), вуглекислий газ (CO2) і незначні домішки інших газів.

Залишається питання про кількісний склад газової суміші сучасної атмосфери. Чому саме 78% (за об’ємом) азоту,  21% кисню, 0,93% аргону та 0,03% вуглекислого газу? Адже за припущеннями вчених первинна атмосфера Землі містила до 98% вуглекислого газу, а, наприклад, весь вільний кисень вступав у реакції окиснення з іншими речовинами.

Як вже згадувалося, первинна газова оболонка Землі утворилася в результаті активної вулканічної діяльності. Після врівноваження внутрішніх енергетичних процесів Землі значно зменшилася і вулканічна активність на земній поверхні. Надходження газів у атмосферу звелося до мінімуму, а її кількісний газовий склад певною мірою стабілізувався. Далі за справу взялися живі організми. Так, кисень, який виділяли фотосинтезуючі організми, витрачався на окиснення метану, аміаку та інших складових речовин первинної атмосфери та Земної поверхні. З часом встановилася хімічна рівновага, окисні реакції за участі O2 звелись до мінімуму. Кисень почав накопичуватися як ще одна складова частина атмосфери Землі. У зв’язку з цим почалися глобальні зміни як для живих організмів, так і для нашої планети в цілому.

У верхніх шарах атмосфери під дією сонячної радіації почалися фотохімічні реакції, в результаті яких, поглинаючи ультрафіолетове випромінювання, кисень (O2) почав утворювати озон (O3). Виявилося, що і озон має здатність до поглинання ультрафіолетового випромінювання, вступаючи у зворотню реакцію розпаду до двохатомної молекули кисню. Таким чином, у верхніх шарах атмосфери навколо Землі сформувався захисний бар’єр, який завдяки ланцюжку перетворень O2 – O3 – O2 поглинає значну долю сонячного високоактивного випромінювання в ультрафіолетовій частині спектру. Захисним такий бар’єр став, насамперед, для живих організмів, для яких не легко утримувати докупи органіку в організмі під дією ультрафіолету, від якого навіть молекула води дисоціює окремо на кисень та водень (а молекула води дуже стабільна у нормальних фізичних умовах), а високоінертний (також за нормальних умов) азот вступає у реакції окиснення.

Тож, фактично завдяки накопиченню в атмосфері кисню на планеті сформувалися умови, які ми називаємо сприятливими для розвитку живих організмів. Більш того, еволюційний процес на Землі також не стояв на місці. Завдяки доступності O2 у живих організмів сформувався високоефективний спосіб обміну речовин та енергії – кисневе дихання. Почався бурхливий розвиток «життя» на нашій планеті, а відповідно, і масовий приріст органічної речовини. Все більше O2,CO2, та N2 залучалося у біогенний кругообіг.

Активне надходження (завдяки появі значної кількості фотосинтезуючих організмів)  кисню до атмосфери врівноважилося його витратами на супутні існуванню живих організмів процеси: дихання, горіння, гниття, бродіння. Так, на сьогоднішній день рівень кисню у складі газової суміші атмосфери стабілізувався на позначці 21% від загального об’єму.

Атмосферний вуглекислий газ переважно «переживав» витратні процеси у зв’язку з розвитком живих організмів. Значна частинна CO2 первинної атмосфери розчинилася у водах Світового океану, де живі організми «навчилися» фіксувати його у вигляді карбонатів – структурної речовини для формування скелету (наприклад, захисні раковини молюсків, екзоскелети коралових поліпів та ін.). Також чимало вуглекислого газу зв’язалося у вигляді запасних поживних та структурних речовин, які мігрують від первинних фотосинтезуючих продуцентів по різноманітним харчовим ланцюжкам до інших живих організмів. І хоча CO2 і знаходиться у кругообізі, повертаючись до атмосфери у процесах дихання, гниття (через виділення та окиснення метану) чи горіння органіки, все таки значна його частина захоронюється у земних надрах.  Відбувається це тому, що далеко не вся «мертва органіка» встигає пройти повноцінні процеси розкладу. Накопичена у донних відкладеннях водойм чи навіть просто у товщі лісової підстилки, органічна речовина стає недоступною для бактерій, завдяки яким відбувається її розклад. Вона консервується та з часом мігрує все глибше у товщу земної поверхні, де під дією високих температур та високого тиску формує речовини, що ми звемо корисними копалинами (нафта, вугілля та ін.). Та ж частина вуглекислого газу, що зв’язується у вигляді карбонатних солей (скелети молюсків та ін.) взагалі складно піддається розкладу, тому просто з часом накопичується у земних надрах у вигляді осадових порід (доломітів, вапняків та ін.). Таким чином, живі організми «вивели» значну частину CO2 зі складу газової суміші атмосфери та «захоронили» її у вигляді різних хімічних речовин у товщі Землі. Лише завдяки незначному поверненню до атмосфери вуглекислого газу у процесі гниття органічної речовини, у процесі дихання живих організмів,  з вулканічною діяльністю (у тій її мірі, яка спостерігається у наш час), рівень вуглекислого газу у складі атмосфери досяг балансу на рівні 0,03% від загального об’єму (до початку активної участі людини у поповненні запасів атмосферного CO2).

Дещо інша ситуація склалася з атмосферним азотом. Азот (N2) на сьогоднішній день являється домінуючим газом у складі газової суміші нашої атмосфери, не дивлячись на те, що він, як і вуглекислий газ, активно залучається до процесів життєдіяльності живих організмів (приймає участь у формуванні білків, нуклеїнових кислот, хлорофілу та ін.). Через свою високу інертність азот мало реагує з іншими речовинами, а процес включення його до біогенного кругообігу екосистем проходить досить складно (для вивільнення з азоту атомарного нітрогену потрібно розірвати досить стійкий хімічний зв’язок в молекулі N2, а це є дуже енергозатратним процесом).  Тому фактично існує всього два основних шляхи перетворення вільного азоту у доступну для живих організмів форму. Перший з них – абіогенний. Суть його полягає в тому, що під дією атмосферних електричних розрядів (блискавок) та під дією ультрафіолетового випромінювання у високих шарах атмосфери, азот здатен утворювати оксиди нітрогену, які в свою чергу, розчиняючись у атмосферних водяних парах, потрапляють з опадами у ґрунт. Далі у ґрунті внаслідок процесів дисоціації вивільняються нітрат-іони – форма нітрогену, яка доступна для рослин та ряду мікроорганізмів (до інших живих організмів атомарний нітроген потрапляє вже по харчовим ланцюжкам). Другий шлях – біогенний. Так, деякі мікроорганізми все-таки здобули еволюційне пристосування до перетворення азоту у доступну для живих організмів форму. Найчастіше такі мікроорганізми співіснують у симбіозі з рослинами: мікроорганізми постачають рослинам нітрогеновмісні сполуки, а рослини забезпечують мікроорганізми необхідними вуглеводами (утвореними у процесі фотосинтезу).

Повернення азоту з біогенного кругообігу до атмосфери відбувається при розкладанні «мертвої» органічної речовини, переважно у вигляді аміаку (який далі окиснюється до N2 та H2O) або нітратних і нітритних солей (які далі денітрифікуються бактеріями до молекулярного N2). Звичайно, деяка (дуже незначна) частина біогенно зв’язаного N2 також відкладається у вигляді корисних копалин (селітри), як і у випадку з вуглекислим газом. Але загалом, процеси біогенної фіксації та вивільнення азоту виявились досить врівноваженими, через що після «виведення» з атмосфери вуглекислого газу N2 зайняв панівне положення у атмосферній газовій суміші на рівні 78% від загального об’єму.

Решта об’єму газової суміші  атмосфери припадає переважно на аргон (0,93%) – високоінертний газ, що за нормальних умов не взаємодіє ні з іншими речовинами, ні з екосистемами. Утворюючись внаслідок радіоактивного розпаду калію, усі незначні запаси аргону знаходяться у товщі геологічних пород, тому надходження його до атмосфери пов’язано переважно з активною вулканічною діяльністю часів формування нашої планети та зародження життя.

Виходить так, що атмосфера Землі знаходиться у складній балансній взаємодії з живими організмами. При чому як хімічний склад атмосфери впливає на розвиток екосистем, так і екосистеми впливають на склад атмосфери. Достовірно важко передбачити, як в ідеалі спрямований такий взаємозв’язок: може, з часом вуглекислий газ мав би взагалі втратити свою роль у біогенному кругообізі; може, живі організми «навчилися» б використовувати енергію хімічного зв’язку в молекулі азоту з подальшими змінами кількісного складу N2 в атмосфері. Але ми живемо тут і зараз, в час, коли природньому еволюційному процесу екосистем активно «допомагає» людина. Антропогенна діяльність змінює екосистеми, завдяки яким забезпечується сталість газової суміші атмосфери. Антропогенна діяльність змінює склад газової суміші атмосфери, до якої пристосовані існуючі сьогодні екосистеми. Так, видобуток та спалювання нафти, вугілля, газу з вивільненням вуглекислого газу фактично є відмотуванням назад еволюційних перетворень, що переживали екосистеми та атмосфера, коли цей вуглекислий газ зв’язувався та захоронювався у вигляді корисних копалин. На рівні існування життя таке повернення минулих умов існування не є критичним, бо на кожному етапі еволюційного процесу природа наче перестраховується, зберігаючи організми, що здатні вижити за різних умов (так і зараз існує чимало живих організмів, здатних, наприклад, до існування у безкисневому середовищі, за високих температур та ін.). Але на рівні живих організмів, які адаптовані до сьогоднішніх природних умов існування (в тому числі і людини), значні зміни навколишнього середовища будуть як мінімум стресовими, а як максимум – призведуть до хвороб та загибелі. Тим паче, коли до навколишнього середовища скидається ще безліч синтетичних речовин, дію яких на живий організм часто навіть важко передбачити.

Саме тому антропогенне забруднення атмосфери Землі є одною з основних екологічних проблем сьогодення. При чому, для існуючих екосистем більшість негативних наслідків цієї проблеми вже являються незворотними. І доки високі темпи технологічного розвитку та методи отримання благ для комфортного існування людини будуть відводити на другий план цінність самого існування живих організмів, таких наслідків ставатиме все більше.

Далі у продовженні теми:

  • «Типові забруднювачі атмосферного повітря та їх вплив на живі організми»;
  • «Глобальна міграція забруднювачів атмосферного повітря у біосфері».

Автор: Максим Кущ