Азот в атмосфере земли

АТМОСФЕ́РА Зем­ли (от греч. ἀτμός – пар, ис­па­ре­ние и σφαῖρα – шар), воз­душ­ная обо­лоч­ка, со­стоя­щая из ря­да га­зов и взве­шен­ных в ней час­тиц при­ме­сей – аэ­ро­зо­лей. Мас­са А. 5,157·10¹⁵ т. Столб воз­ду­ха ока­зы­ва­ет дав­ле­ние на по­верх­ность Зем­ли: ср. ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние на уров­не мо­ря 1013,25 гПа (ок. 760 мм рт. ст.). Сред­няя по гло­бу­су темп-ра воз­ду­ха у по­верх­но­сти Зем­ли 15 °C, при этом темп-ра из­ме­ня­ет­ся при­мер­но от 57 °C в суб­тро­пич. пус­ты­нях до –89 °C в Ан­тарк­ти­де. Плот­ность воз­ду­ха и дав­ле­ние убы­ва­ют с вы­со­той по за­ко­ну, близ­ко­му к экс­по­нен­ци­аль­но­му.

Строение атмосферы

По вер­ти­ка­ли А. име­ет слои­стую струк­ту­ру, оп­ре­де­ляе­мую гл. обр. осо­бен­но­стя­ми вер­ти­каль­но­го рас­пре­де­ле­ния темп-ры (рис.), ко­то­рое за­ви­сит от гео­гра­фич.

­ло­же­ния, се­зо­на, вре­ме­ни су­ток и т. д. Ниж­ний слой А. – тро­по­сфе­ра – ха­рак­те­ри­зу­ет­ся па­де­ни­ем темп-ры с вы­со­той (при­мер­но на 6 °C на 1 км), его вы­со­та от 8–10 км в по­ляр­ных ши­ро­тах до 16–18 км в тро­пи­ках. Бла­го­да­ря бы­ст­ро­му убы­ва­нию плот­но­сти воз­ду­ха с вы­со­той в тро­по­сфе­ре на­хо­дит­ся ок. 80% всей мас­сы А. Над тро­по­сфе­рой рас­по­ла­га­ет­ся стра­то­сфе­ра – слой, ко­то­рый ха­рак­те­ри­зу­ет­ся в об­щем по­вы­ше­ни­ем темп-ры с вы­со­той. Пе­ре­ход­ный слой ме­ж­ду тро­по­сфе­рой и стра­то­сфе­рой на­зы­ва­ет­ся тро­по­пау­зой. В ниж­ней стра­то­сфе­ре до уров­ня ок. 20 км темп-ра ма­ло ме­ня­ет­ся с вы­со­той (т. н. изо­тер­мич. об­ласть) и не­ред­ко да­же не­зна­чи­тель­но умень­ша­ет­ся. Вы­ше темп-ра воз­рас­та­ет из-за по­гло­ще­ния УФ-ра­диа­ции Солн­ца озо­ном, вна­ча­ле мед­лен­но, а с уров­ня 34–36 км – бы­ст­рее. Верх­няя гра­ни­ца стра­то­сфе­ры – стра­то­пау­за – рас­по­ло­же­на на выс. 50–55 км, со­от­вет­ст­вую­щей мак­си­му­му темп-ры (260–270 К). Слой А., рас­по­ло­жен­ный на выс. 55–85 км, где темп-ра сно­ва па­да­ет с вы­со­той, на­зы­ва­ет­ся ме­зо­сфе­рой, на его верх­ней гра­ни­це – ме­зо­пау­зе – темп-ра дос­ти­га­ет ле­том 150–160 К, а зи­мой 200–230 К. Над ме­зо­пау­зой на­чи­на­ет­ся тер­мо­сфе­ра – слой, ха­рак­те­ри­зую­щий­ся бы­ст­рым по­вы­ше­ни­ем темп-ры, дос­ти­гаю­щей на выс. 250 км зна­че­ний 800–1200 К. В тер­мо­сфе­ре по­гло­ща­ет­ся кор­пус­ку­ляр­ная и рент­ге­нов­ская ра­диа­ция Солн­ца, тор­мо­зят­ся и сго­ра­ют ме­тео­ры, по­это­му она вы­пол­ня­ет функ­цию за­щит­но­го слоя Зем­ли. Ещё вы­ше на­хо­дит­ся эк­зо­сфе­ра, от­ку­да ат­мо­сфер­ные га­зы рас­сеи­ва­ют­ся в ми­ро­вое про­стран­ст­во за счёт дис­си­па­ции и где про­ис­хо­дит по­сте­пен­ный пе­ре­ход от А. к меж­пла­нет­но­му про­стран­ст­ву.

Состав атмосферы

До выс. ок. 100 км А. прак­ти­че­ски од­но­род­на по хи­мич. со­ста­ву и ср. мо­ле­ку­ляр­ная мас­са воз­ду­ха (ок. 29) в ней по­сто­ян­на. Вбли­зи по­верх­но­сти Зем­ли А. со­сто­ит из азо­та (ок. 78,1% по объёму) и ки­сло­ро­да (ок. 20,9%), а так­же со­дер­жит ма­лые ко­ли­че­ст­ва ар­го­на, ди­ок­си­да уг­ле­ро­да (уг­ле­ки­сло­го га­за), не­она и др. по­сто­ян­ных и пе­ре­мен­ных ком­по­нен­тов (см. Воз­дух).

Кро­ме то­го, А. со­дер­жит не­боль­шие ко­ли­че­ст­ва озо­на, ок­си­дов азо­та, ам­миа­ка, ра­до­на и др. От­но­сит. со­дер­жа­ние осн. со­став­ляю­щих воз­ду­ха по­сто­ян­но во вре­ме­ни и од­но­род­но в раз­ных гео­гра­фич. рай­онах. Со­дер­жа­ние во­дя­но­го па­ра и озо­на пе­ре­мен­но в про­стран­ст­ве и вре­ме­ни; не­смот­ря на ма­лое со­дер­жа­ние, их роль в ат­мо­сфер­ных про­цес­сах весь­ма су­ще­ст­вен­на.

Вы­ше 100–110 км про­ис­хо­дит дис­со­циа­ция мо­ле­кул ки­сло­ро­да, уг­ле­ки­сло­го га­за и во­дя­но­го па­ра, по­это­му мо­ле­ку­ляр­ная мас­са воз­ду­ха умень­ша­ет­ся. На выс. ок. 1000 км на­чи­на­ют пре­об­ла­дать лёг­кие га­зы – ге­лий и во­до­род, а ещё вы­ше А. Зем­ли по­сте­пен­но пе­ре­хо­дит в меж­пла­нет­ный газ.

Наи­бо­лее важ­ная пе­ре­мен­ная ком­по­нен­та А. – во­дя­ной пар, ко­то­рый по­сту­па­ет в А. при ис­па­ре­нии с по­верх­но­сти во­ды и влаж­ной поч­вы, а так­же пу­тём транс­пи­ра­ции рас­те­ния­ми. От­но­сит. со­дер­жа­ние во­дя­но­го па­ра ме­ня­ет­ся у зем­ной по­верх­но­сти от 2,6% в тро­пи­ках до 0,2% в по­ляр­ных ши­ро­тах. С вы­со­той оно бы­ст­ро па­да­ет, убы­вая на­по­ло­ви­ну уже на выс. 1,5–2 км. В вер­ти­каль­ном стол­бе А. в уме­рен­ных ши­ро­тах со­дер­жит­ся ок. 1,7 см «слоя оса­ж­дён­ной во­ды». При кон­ден­са­ции во­дя­но­го па­ра об­ра­зу­ют­ся об­ла­ка, из ко­то­рых вы­па­да­ют осад­ки ат­мо­сфер­ные в ви­де до­ж­дя, гра­да, сне­га.

Важ­ной со­став­ляю­щей ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха яв­ля­ет­ся озон, со­сре­до­то­чен­ный на 90% в стра­то­сфе­ре (ме­ж­ду 10 и 50 км), ок. 10% его на­хо­дит­ся в тро­по­сфе­ре. Озон обес­пе­чи­ва­ет по­гло­ще­ние жё­ст­кой УФ-ра­диа­ции (с дли­ной вол­ны ме­нее 290 нм), и в этом – его за­щит­ная роль для био­сфе­ры. Зна­че­ния об­ще­го со­дер­жа­ния озо­на ме­ня­ют­ся в за­ви­си­мо­сти от ши­ро­ты и се­зо­на в пре­де­лах от 0,22 до 0,45 см (тол­щи­на слоя озо­на при дав­ле­нии $p=$ 1 атм и темп-ре $T=$ 0 °C).

озо­но­вых ды­рах, на­блю­дае­мых вес­ной в Ан­тарк­ти­ке с нач. 1980-х гг., со­дер­жа­ние озо­на мо­жет па­дать до 0,07 см. Оно уве­ли­чи­ва­ет­ся от эк­ва­то­ра к по­лю­сам и име­ет го­до­вой ход с мак­си­му­мом вес­ной и ми­ни­му­мом осе­нью, при­чём ам­пли­ту­да го­до­во­го хо­да ма­ла в тро­пи­ках и рас­тёт к вы­со­ким ши­ро­там. Су­ще­ст­вен­ной пе­ре­мен­ной ком­по­нен­той А. яв­ля­ет­ся уг­ле­кис­лый газ, со­дер­жа­ние ко­то­ро­го в ат­мо­сфе­ре за по­след­ние 200 лет вы­рос­ло на 35%, что объ­яс­ня­ет­ся в осн. ан­тро­по­ген­ным фак­то­ром. На­блю­да­ет­ся его ши­рот­ная и се­зон­ная из­мен­чи­вость, свя­зан­ная с фо­то­син­те­зом рас­те­ний и рас­тво­ри­мо­стью в мор­ской во­де (со­глас­но за­ко­ну Ген­ри, рас­тво­ри­мость га­за в во­де умень­ша­ет­ся с рос­том её темп-ры).

Важ­ную роль в фор­ми­ро­ва­нии кли­ма­та пла­не­ты иг­ра­ет ат­мо­сфер­ный аэ­ро­золь – взве­шен­ные в воз­ду­хе твёр­дые и жид­кие час­ти­цы раз­ме­ром от не­сколь­ких нм до де­сят­ков мкм. Раз­ли­ча­ют­ся аэ­ро­зо­ли ес­те­ст­вен­но­го и ан­тро­по­ген­но­го про­ис­хо­ж­де­ния. Аэ­ро­золь об­ра­зу­ет­ся в про­цес­се га­зо­фаз­ных ре­ак­ций из про­дук­тов жиз­не­дея­тель­но­сти рас­те­ний и хо­зяйств. дея­тель­но­сти че­ло­ве­ка, вул­ка­нич. из­вер­же­ний, в результате подъ­ё­ма пы­ли вет­ром с по­верх­но­сти пла­не­ты, осо­бен­но с её пус­тын­ных ре­гио­нов, а так­же об­ра­зу­ет­ся из кос­мич.

­ли, по­па­даю­щей в верх­ние слои А. Бóльшая часть аэ­ро­зо­ля со­сре­до­то­че­на в тро­по­сфе­ре, аэ­ро­золь от вул­ка­нич. из­вер­же­ний об­ра­зу­ет т. н. слой Юн­ге на выс. ок. 20 км. Наи­боль­шее ко­ли­че­ст­во ан­тро­по­ген­но­го аэ­ро­зо­ля по­па­да­ет в А. в ре­зуль­та­те ра­бо­ты ав­то­транс­пор­та и ТЭЦ, хи­мич. про­из­водств, сжи­га­ния то­п­ли­ва и др. Поэтому в не­ко­то­рых рай­онах со­став А. за­мет­но от­ли­ча­ет­ся от обыч­но­го воз­ду­ха, что по­тре­бо­ва­ло соз­да­ния спец. служ­бы на­блю­де­ний и кон­тро­ля за уров­нем за­гряз­не­ния ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха.

Эволюция атмосферы

Совр. А. име­ет, по-ви­ди­мо­му, вто­рич­ное про­ис­хо­ж­де­ние: она об­ра­зо­ва­лась из га­зов, вы­де­лен­ных твёр­дой обо­лоч­кой Зем­ли по­сле за­вер­ше­ния фор­ми­ро­ва­ния пла­не­ты ок. 4,5 млрд. лет на­зад. В те­че­ние гео­ло­гич. ис­то­рии Зем­ли А. пре­тер­пе­ва­ла зна­чит. из­ме­не­ния сво­его со­ста­ва под влия­ни­ем ря­да фак­то­ров: дис­си­па­ции (уле­ту­чи­ва­ния) га­зов, пре­им. бо­лее лёг­ких, в кос­мич. про­стран­ст­во; вы­де­ле­ния га­зов из ли­то­сфе­ры в ре­зуль­та­те вул­ка­нич. дея­тель­но­сти; хи­мич. ре­ак­ций ме­ж­ду ком­по­нен­та­ми А. и по­ро­да­ми, сла­гаю­щи­ми зем­ную ко­ру; фо­то­хи­мич. ре­ак­ций в са­мой А. под влия­ни­ем сол­неч­но­го УФ-из­лу­че­ния; ак­кре­ции (за­хва­та) ма­те­рии меж­пла­нет­ной сре­ды (напр., ме­те­ор­но­го ве­ще­ст­ва).

з­ви­тие А. тес­но свя­за­но с гео­ло­гич. и гео­хи­мич. про­цес­са­ми, а по­след­ние 3–4 млрд. лет так­же с дея­тель­но­стью био­сфе­ры. Зна­чит. часть га­зов, со­став­ляю­щих совр. А. (азот, уг­ле­кис­лый газ, во­дя­ной пар), воз­ник­ла в хо­де вул­ка­нич. дея­тель­но­сти и ин­тру­зии, вы­но­сив­шей их из глу­бин Зем­ли. Ки­сло­род поя­вил­ся в за­мет­ных ко­ли­че­ст­вах ок. 2 млрд. лет то­му на­зад как ре­зуль­тат дея­тель­но­сти фо­то­син­те­зи­рую­щих ор­га­низ­мов, пер­во­на­чаль­но за­ро­див­ших­ся в по­верх­но­ст­ных во­дах океа­на.

По дан­ным о хи­мич. со­ста­ве кар­бо­нат­ных от­ло­же­ний по­лу­че­ны оцен­ки ко­ли­че­ст­ва уг­ле­ки­сло­го га­за и ки­сло­ро­да в А. гео­ло­ги­чес­ко­го про­шло­го. На про­тя­же­нии фа­не­ро­зоя (по­след­ние 570 млн. лет ис­то­рии Зем­ли) ко­ли­че­ст­во уг­ле­ки­с­ло­го га­за в А. из­ме­ня­лось в ши­ро­ких пре­де­лах в со­от­вет­ст­вии с уров­нем вул­ка­нич. ак­тив­но­сти, темп-рой океа­на и уров­нем фо­то­син­те­за. Боль­шую часть это­го вре­ме­ни кон­цен­тра­ция уг­ле­ки­сло­го га­за в А. бы­ла зна­чи­тель­но вы­ше со­вре­мен­ной (до 10 раз). Ко­ли­че­ст­во ки­с­ло­ро­да в А. фа­не­ро­зоя су­ще­ст­вен­но из­ме­ня­лось, при­чём пре­об­ла­да­ла тен­ден­ция к его уве­ли­че­нию. В А. до­кем­брия мас­са уг­ле­ки­сло­го га­за бы­ла, как пра­ви­ло, боль­ше, а мас­са ки­сло­ро­да – мень­ше по срав­не­нию с А. фа­не­ро­зоя. Ко­ле­ба­ния ко­ли­че­ст­ва уг­ле­ки­сло­го га­за ока­зы­ва­ли в про­шлом су­ще­ст­вен­ное влия­ние на кли­мат, уси­ли­вая пар­ни­ко­вый эф­фект при рос­те кон­цен­тра­ции уг­ле­ки­сло­го га­за, бла­го­да­ря че­му кли­мат на про­тя­же­нии осн. час­ти фа­не­ро­зоя был го­раз­до те­п­лее по срав­не­нию с совр. эпо­хой.

Атмосфера и жизнь

Без А. Зем­ля бы­ла бы мёрт­вой пла­не­той. Ор­га­нич. жизнь про­те­ка­ет в тес­ном взаи­мо­дей­ст­вии с А. и свя­зан­ны­ми с ней кли­ма­том и по­го­дой. Не­зна­чи­тель­ная по мас­се по срав­не­нию с пла­не­той в це­лом (при­мер­но мил­ли­он­ная часть), А. яв­ля­ет­ся не­пре­мен­ным ус­ло­ви­ем для всех форм жиз­ни. Наи­боль­шее зна­че­ние из ат­мо­сфер­ных га­зов для жиз­не­дея­тель­но­сти ор­га­низ­мов име­ют ки­сло­род, азот, во­дя­ной пар, уг­ле­кис­лый газ, озон. При по­гло­ще­нии уг­ле­ки­сло­го га­за фо­то­син­те­зи­рую­щи­ми рас­те­ния­ми соз­да­ёт­ся ор­га­нич. ве­ще­ст­во, ис­поль­зуе­мое как ис­точ­ник энер­гии по­дав­ляю­щим боль­шин­ст­вом жи­вых су­ществ, вклю­чая че­ло­ве­ка. Кис­лород не­об­хо­дим для су­ще­ст­во­ва­ния аэроб­ных ор­га­низ­мов, для ко­то­рых при­ток энер­гии обес­пе­чи­ва­ет­ся ре­ак­ция­ми окис­ле­ния ор­га­нич. ве­ще­ст­ва. Азот, ус­ваи­вае­мый не­ко­то­ры­ми мик­ро­ор­га­низ­ма­ми (азо­то­фик­са­то­ра­ми), не­об­хо­дим для ми­нер. пи­та­ния рас­те­ний. Озон, по­гло­щаю­щий жё­ст­кое УФ-из­лу­че­ние Солн­ца, зна­чи­тель­но ос­лаб­ля­ет эту вред­ную для жиз­ни часть сол­неч­ной ра­диа­ции.

н­ден­са­ция во­дя­но­го па­ра в А., об­ра­зо­ва­ние об­ла­ков и по­сле­дую­щее вы­па­де­ние ат­мо­сфер­ных осад­ков по­став­ля­ют на су­шу во­ду, без ко­то­рой не­воз­мож­ны ни­ка­кие фор­мы жиз­ни. Жиз­не­дея­тель­ность ор­га­низ­мов в гид­ро­сфе­ре во мно­гом оп­ре­де­ля­ет­ся ко­ли­че­ст­вом и хи­мич. со­ста­вом ат­мо­сфер­ных га­зов, рас­тво­рён­ных в во­де. По­сколь­ку хи­мич. со­став А. су­ще­ст­вен­но за­ви­сит от дея­тель­но­сти ор­га­низ­мов, био­сфе­ру и А. мож­но рас­смат­ри­вать как часть еди­ной сис­те­мы, под­дер­жа­ние и эво­лю­ция ко­то­рой (см. Био­гео­хи­ми­че­ские цик­лы) име­ла боль­шое зна­че­ние для из­ме­не­ния со­ста­ва А. на про­тя­же­нии ис­то­рии Зем­ли как пла­не­ты.

Радиационный, тепловой и водный балансы атмосферы

Сол­неч­ная ра­диа­ция яв­ля­ет­ся прак­ти­че­ски единств. ис­точ­ни­ком энер­гии для всех фи­зич. про­цес­сов в А. Глав­ная осо­бен­ность ра­ди­ац. ре­жи­ма А. – т. н. пар­ни­ко­вый эф­фект: А. дос­та­точ­но хо­ро­шо про­пус­ка­ет к зем­ной по­верх­но­сти сол­неч­ную ра­диа­цию, но ак­тив­но по­гло­ща­ет те­п­ло­вое длин­но­вол­но­вое из­лу­че­ние зем­ной по­верх­но­сти, часть ко­то­ро­го воз­вра­ща­ет­ся к по­верх­но­сти в фор­ме встреч­но­го из­лу­че­ния, ком­пен­си­рую­ще­го ра­ди­ац. по­те­рю те­п­ла зем­ной по­верх­но­стью (см. Ат­мос­фер­ное из­лу­че­ние).

от­сут­ст­вие А. ср. темп-ра зем­ной по­верх­но­сти бы­ла бы –18 °C, в дей­ст­ви­тель­но­сти она 15 °C. При­хо­дя­щая сол­неч­ная ра­диа­ция час­тич­но (ок. 20%) по­гло­ща­ет­ся в А. (гл. обр. во­дя­ным па­ром, ка­п­ля­ми во­ды, уг­ле­кис­лым га­зом, озо­ном и аэ­ро­зо­ля­ми), а так­же рас­сеи­ва­ет­ся (ок. 7%) на час­ти­цах аэ­ро­зо­ля и флук­туа­ци­ях плот­но­сти (рэ­ле­ев­ское рас­сея­ние). Сум­мар­ная ра­диа­ция, дос­ти­гая зем­ной по­верх­но­сти, час­тич­но (ок. 23%) от­ра­жа­ет­ся от неё. Ко­эф. от­ра­же­ния оп­ре­де­ля­ет­ся от­ра­жат. спо­соб­но­стью под­сти­лаю­щей по­верх­но­сти, т. н. аль­бе­до. В сред­нем аль­бе­до Зем­ли для ин­те­граль­но­го по­то­ка сол­неч­ной ра­диа­ции близ­ко к 30%. Оно ме­ня­ет­ся от не­сколь­ких про­цен­тов (су­хая поч­ва и чер­но­зём) до 70–90% для свеже­вы­пав­ше­го сне­га. Ра­ди­ац. те­п­ло­об­мен ме­ж­ду зем­ной по­верх­но­стью и А. су­ще­ст­вен­но за­ви­сит от аль­бе­до и оп­ре­де­ля­ет­ся эф­фек­тив­ным из­лу­че­ни­ем по­верх­но­сти Зем­ли и по­гло­щён­ным ею про­ти­во­из­лу­че­ни­ем А. Ал­геб­ра­ич. сум­ма по­то­ков ра­диа­ции, вхо­дя­щих в зем­ную ат­мо­сфе­ру из кос­мич. про­стран­ст­ва и ухо­дя­щих из неё об­рат­но, на­зы­ва­ет­ся ра­диа­ци­он­ным ба­лан­сом.

Пре­об­ра­зо­ва­ния сол­неч­ной ра­диа­ции по­сле её по­гло­ще­ния А. и зем­ной по­верх­но­стью оп­ре­де­ля­ют те­п­ло­вой ба­ланс Зем­ли как пла­не­ты. Гл. ис­точ­ник те­п­ла для А. – зем­ная по­верх­ность; те­п­ло­та от неё пе­ре­да­ёт­ся не толь­ко в ви­де длин­но­вол­но­во­го из­лу­че­ния, но и пу­тём кон­век­ции, а так­же вы­де­ля­ет­ся при кон­ден­са­ции во­дя­но­го па­ра.

­ли этих при­то­ков те­п­ло­ты рав­ны в ср. 20%, 7% и 23% со­от­вет­ст­вен­но. Сю­да же до­бав­ля­ет­ся ок. 20% те­п­ло­ты за счёт по­гло­ще­ния пря­мой сол­неч­ной ра­диа­ции. По­ток сол­неч­ной ра­диа­ции за еди­ни­цу вре­ме­ни че­рез еди­нич­ную пло­щад­ку, пер­пен­ди­ку­ляр­ную сол­неч­ным лу­чам и рас­по­ло­жен­ную вне А. на ср. рас­стоя­нии от Зем­ли до Солн­ца (т. н. сол­неч­ная по­сто­ян­ная), ра­вен 1367 Вт/м², из­ме­не­ния со­став­ля­ют 1–2 Вт/м² в за­ви­си­мо­сти от цик­ла сол­неч­ной ак­тив­но­сти. При пла­не­тар­ном аль­бе­до ок. 30% средний по вре­ме­ни гло­баль­ный при­ток сол­неч­ной энер­гии к пла­не­те со­став­ля­ет 239 Вт/м². По­сколь­ку Зем­ля как пла­не­та ис­пус­ка­ет в кос­мос в сред­нем та­кое же ко­ли­че­ст­во энер­гии, то, со­глас­но за­ко­ну Сте­фа­на – Больц­ма­на, эф­фек­тив­ная темп-ра ухо­дя­ще­го те­п­ло­во­го длин­но­вол­но­во­го из­лу­че­ния 255 К (–18 °C). В то же вре­мя ср. темп-ра зем­ной по­верх­но­сти со­став­ля­ет 15 °C. Раз­ни­ца в 33 °C воз­ни­ка­ет за счёт пар­ни­ко­во­го эф­фек­та.

Вод­ный ба­ланс А. в це­лом со­от­вет­ст­ву­ет ра­вен­ст­ву ко­ли­че­ст­ва вла­ги, ис­па­рив­шей­ся с по­верх­но­сти Зем­ли, ко­ли­че­ст­ву осад­ков, вы­па­даю­щих на зем­ную по­верх­ность. А. над океа­на­ми по­лу­ча­ет боль­ше вла­ги от про­цес­сов ис­па­ре­ния, чем над су­шей, а те­ря­ет в ви­де осад­ков 90%. Из­бы­ток во­дя­но­го па­ра над океа­на­ми пе­ре­но­сит­ся на кон­ти­нен­ты воз­душ­ны­ми по­то­ка­ми. Ко­ли­че­ст­во во­дя­но­го па­ра, пе­ре­но­си­мо­го в А. с океа­нов на кон­ти­нен­ты, рав­но объ­ё­му сто­ка рек, впа­даю­щих в океа­ны.

Движение воздуха

Зем­ля име­ет ша­ро­об­раз­ную фор­му, по­это­му к её вы­со­ким ши­ро­там при­хо­дит го­раз­до мень­ше сол­неч­ной ра­диа­ции, чем к тро­пи­кам. Вслед­ст­вие это­го ме­ж­ду ши­ро­та­ми воз­ни­ка­ют боль­шие тем­пе­ра­тур­ные кон­т­расты. На рас­пре­де­ле­ние темп-ры в су­ще­ст­вен­ной ме­ре влия­ет так­же вза­им­ное рас­по­ло­же­ние океа­нов и кон­ти­нен­тов. Из-за боль­шой мас­сы океа­нич. вод и вы­со­кой те­п­ло­ём­ко­сти во­ды се­зон­ные ко­ле­ба­ния темп-ры по­верх­но­сти океа­на зна­чи­тель­но мень­ше, чем су­ши. В свя­зи с этим в сред­них и вы­со­ких ши­ро­тах темп-ра воз­ду­ха над океа­на­ми ле­том за­мет­но ни­же, чем над кон­ти­нен­та­ми, а зи­мой – вы­ше.

Не­оди­на­ко­вый ра­зо­грев А. в раз­ных об­лас­тях зем­но­го ша­ра вы­зы­ва­ет не­од­но­род­ное по про­стран­ст­ву рас­пре­де­ле­ние ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния. На уров­не мо­ря рас­пре­де­ле­ние дав­ле­ния ха­рак­те­ри­зу­ет­ся от­но­си­тель­но низ­ки­ми зна­че­ния­ми вбли­зи эк­ва­то­ра, уве­ли­че­ни­ем в суб­тро­пи­ках (по­ясá вы­со­ко­го дав­ле­ния) и по­ни­же­ни­ем в сред­них и вы­со­ких ши­ро­тах. При этом над ма­те­ри­ка­ми вне­тро­пич. ши­рот дав­ле­ние зи­мой обыч­но по­вы­ше­но, а ле­том по­ни­же­но, что свя­за­но с рас­пре­де­ле­ни­ем темп-ры. Под дей­ст­ви­ем гра­ди­ен­та дав­ле­ния воз­дух ис­пы­ты­ва­ет ус­ко­ре­ние, на­прав­лен­ное от об­лас­тей с вы­со­ким дав­ле­ни­ем к об­лас­тям с низ­ким, что при­во­дит к пе­ре­ме­ще­нию масс воз­ду­ха. На дви­жу­щие­ся воз­душ­ные мас­сы дей­ст­ву­ют так­же от­кло­няю­щая си­ла вра­ще­ния Зем­ли (си­ла Ко­рио­ли­са), си­ла тре­ния, убы­ваю­щая с вы­со­той, а при кри­во­ли­ней­ных тра­ек­то­ри­ях и цен­тро­беж­ная си­ла. Боль­шое зна­че­ние име­ет тур­бу­лент­ное пе­ре­ме­ши­ва­ние воз­ду­ха (см. Тур­бу­лент­ность в ат­мос­фе­ре).

С пла­не­тар­ным рас­пре­де­ле­ни­ем дав­ле­ния свя­за­на слож­ная сис­те­ма воз­душ­ных те­че­ний (об­щая цир­ку­ля­ция ат­мо­сфе­ры). В ме­ри­дио­наль­ной плос­ко­сти в сред­нем про­сле­жи­ва­ют­ся две или три ячей­ки ме­ри­дио­наль­ной цир­ку­ля­ции. Вбли­зи эк­ва­то­ра на­гре­тый воз­дух под­ни­ма­ет­ся и опус­ка­ет­ся в суб­тро­пи­ках, об­ра­зуя ячей­ку Хэд­ли. Там же опус­ка­ет­ся воз­дух об­рат­ной ячей­ки Фер­ре­ла. В вы­со­ких ши­ро­тах час­то про­сле­жи­ва­ет­ся пря­мая по­ляр­ная ячей­ка. Ско­ро­сти ме­ри­дио­наль­ной цир­ку­ля­ции по­ряд­ка 1 м/с или мень­ше. Из-за дей­ст­вия си­лы Ко­рио­ли­са в боль­шей час­ти А. на­блю­да­ют­ся зап. вет­ры со ско­ро­стя­ми в сред­ней тро­по­сфе­ре ок. 15 м/с. Су­ще­ст­ву­ют срав­ни­тель­но ус­той­чи­вые сис­те­мы вет­ров. К ним от­но­сят­ся пас­са­ты – вет­ры, дую­щие от поя­сов вы­со­ко­го дав­ле­ния в суб­тро­пи­ках к эк­ва­то­ру с за­мет­ной вост. со­став­ляю­щей (с во­сто­ка на за­пад). Дос­та­точ­но ус­той­чи­вы мус­соны – воз­душ­ные те­че­ния, имею­щие чёт­ко вы­ра­жен­ный се­зон­ный ха­рак­тер: они ду­ют с океа­на на ма­те­рик ле­том и в про­ти­во­по­лож­ном на­прав­ле­нии зи­мой. Осо­бен­но ре­гу­ляр­ны мус­со­ны Ин­дий­ско­го ок. В сред­них ши­ро­тах дви­же­ние воз­душ­ных масс име­ет в осн. зап. на­прав­ле­ние (с за­па­да на вос­ток). Это зо­на атмо­сфер­ных фрон­тов, на ко­то­рых воз­ни­ка­ют круп­ные вих­ри – ци­кло­ны и ан­ти­ци­кло­ны, ох­ва­ты­ваю­щие мн. сот­ни и да­же ты­ся­чи ки­ло­мет­ров. Ци­кло­ны воз­ни­ка­ют и в тро­пи­ках; здесь они от­ли­ча­ют­ся мень­ши­ми раз­ме­ра­ми, но очень боль­ши­ми ско­ро­стя­ми вет­ра, дос­ти­гаю­ще­го ура­ган­ной си­лы (33 м/с и бо­лее), т. н. тро­пи­че­ские ци­кло­ны. В Ат­лан­ти­ке и на вос­то­ке Ти­хо­го ок. они на­зы­вают­ся ура­га­на­ми, а на за­па­де Ти­хо­го ок. – тай­фу­на­ми. В верх­ней тро­по­сфе­ре и ниж­ней стра­то­сфе­ре в об­лас­тях, раз­де­ляю­щих пря­мую ячей­ку ме­ри­дио­наль­ной цир­ку­ля­ции Хэд­ли и об­рат­ную ячей­ку Фер­ре­ла, час­то на­блю­да­ют­ся срав­ни­тель­но уз­кие, в сот­ни ки­ло­мет­ров ши­ри­ной, струй­ные те­че­ния с рез­ко очер­чен­ны­ми гра­ни­ца­ми, в пре­де­лах ко­то­рых ве­тер дос­ти­га­ет 100–150 и да­же 200 м/с.

Климат и погода

Раз­ли­чие в ко­ли­че­ст­ве сол­неч­ной ра­диа­ции, при­хо­дя­щей на раз­ных ши­ро­тах к раз­но­об­раз­ной по фи­зич. свой­ст­вам зем­ной по­верх­но­сти, оп­ре­де­ля­ет мно­го­об­ра­зие кли­ма­тов Зем­ли. От эк­ва­то­ра до тро­пич. ши­рот темп-ра воз­ду­ха у зем­ной по­верх­но­сти в ср. 25–30 °C и ма­ло ме­ня­ет­ся в те­че­ние го­да. В эк­ва­то­ри­аль­ном поя­се обыч­но вы­па­да­ет мно­го осад­ков, что соз­да­ёт там ус­ло­вия из­бы­точ­но­го ув­лаж­не­ния. В тро­пич. поя­сах ко­ли­че­ст­во осад­ков умень­ша­ет­ся и в ря­де об­лас­тей ста­но­вит­ся очень ма­лым. Здесь рас­по­ла­га­ют­ся об­шир­ные пус­ты­ни Зем­ли.

В суб­тро­пич. и сред­них ши­ро­тах темп-ра воз­ду­ха зна­чи­тель­но ме­ня­ет­ся в те­че­ние го­да, при­чём раз­ни­ца ме­ж­ду темп-ра­ми ле­та и зи­мы осо­бен­но ве­ли­ка в уда­лён­ных от океа­нов об­лас­тях кон­ти­нен­тов. Так, в не­ко­то­рых рай­онах Вост. Си­би­ри го­до­вая ам­пли­ту­да темп-ры воз­ду­ха дос­ти­га­ет 65 °C. Ус­ло­вия ув­лаж­не­ния в этих ши­ро­тах весь­ма раз­но­об­раз­ны, за­ви­сят в осн. от ре­жи­ма об­щей цир­ку­ля­ции А. и су­ще­ст­вен­но ме­ня­ют­ся от го­да к го­ду.

В по­ляр­ных ши­ро­тах темп-ра ос­та­ёт­ся низ­кой в те­че­ние все­го го­да, да­же при на­ли­чии её за­мет­но­го се­зон­но­го хо­да. Это спо­соб­ст­ву­ет ши­ро­ко­му рас­про­стра­не­нию ле­до­во­го по­кро­ва на океа­нах и су­ше и мно­го­лет­не­мёрз­лых по­род, за­ни­маю­щих в Рос­сии св. 65% её пло­ща­ди, в осн. в Си­би­ри.

За по­след­ние де­ся­ти­ле­тия ста­ли всё бо­лее за­мет­ны из­ме­не­ния гло­баль­но­го кли­ма­та. Темп-ра по­вы­ша­ет­ся боль­ше в вы­со­ких ши­ро­тах, чем в низ­ких; боль­ше зи­мой, чем ле­том; боль­ше но­чью, чем днём. За 20 в. ср.-го­до­вая темп-ра воз­ду­ха у зем­ной по­верх­но­сти в Рос­сии вы­рос­ла на 1,5–2 °C, при­чём в отд. рай­онах Си­би­ри на­блю­да­ет­ся по­вы­ше­ние на неск. гра­ду­сов. Это свя­зы­ва­ет­ся с уси­ле­ни­ем пар­ни­ко­во­го эф­фек­та вслед­ст­вие рос­та кон­цен­тра­ции ма­лых га­зо­вых при­ме­сей.

По­го­да оп­ре­де­ля­ет­ся ус­ло­вия­ми цир­ку­ля­ции А. и гео­гра­фич. по­ло­же­ни­ем ме­ст­но­сти, она наи­бо­лее ус­той­чи­ва в тро­пи­ках и наи­бо­лее из­мен­чи­ва в сред­них и вы­со­ких ши­ро­тах. Бо­лее все­го по­го­да ме­ня­ет­ся в зо­нах сме­ны воз­душ­ных масс, обу­слов­лен­ных про­хо­ж­де­ни­ем ат­мо­сфер­ных фрон­тов, ци­кло­нов и ан­ти­ци­кло­нов, не­су­щих осад­ки и уси­ле­ние вет­ра. Дан­ные для про­гно­за по­го­ды со­би­ра­ют­ся на на­зем­ных ме­тео­стан­ци­ях, мор­ских и воз­душ­ных су­дах, с ме­тео­ро­ло­гич. спут­ни­ков. См. так­же Ме­тео­ро­ло­гия.

Оптические, акустические и электрические явления в атмосфере

При рас­про­стра­не­нии элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния в А. в ре­зуль­та­те реф­рак­ции, по­гло­ще­ния и рас­сея­ния све­та воз­ду­хом и разл. час­ти­ца­ми (аэ­ро­золь, кри­стал­лы льда, ка­п­ли во­ды) воз­ни­ка­ют раз­но­об­раз­ные оп­тич. яв­ле­ния: ра­ду­га, вен­цы, га­ло, ми­раж и др. Рас­сея­ние све­та обу­слов­ли­ва­ет ви­ди­мую вы­со­ту не­бес­но­го сво­да и го­лу­бой цвет не­ба. Даль­ность ви­ди­мо­сти пред­ме­тов оп­ре­де­ля­ет­ся ус­ло­вия­ми рас­про­стра­не­ния све­та в А. (см. Ат­мо­сфер­ная ви­ди­мость). От про­зрач­но­сти А. на разл. дли­нах волн за­ви­сят даль­ность свя­зи и воз­мож­ность об­на­ру­же­ния объ­ек­тов при­бо­ра­ми, в т. ч. воз­мож­ность ас­тро­но­мич. на­блю­де­ний с по­верх­но­сти Зем­ли. Для ис­сле­до­ва­ний оп­тич. не­од­но­род­но­стей стра­то­сфе­ры и ме­зо­сфе­ры важ­ную роль иг­ра­ет яв­ле­ние су­ме­рек. Напр., фо­то­гра­фи­ро­ва­ние су­ме­рек с кос­мич. ап­па­ра­тов по­зво­ля­ет об­на­ру­жи­вать аэ­ро­золь­ные слои. Осо­бен­но­сти рас­про­стра­не­ния элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния в А. оп­ре­де­ля­ют точ­ность ме­то­дов дис­тан­ци­он­но­го зон­ди­ро­ва­ния её па­ра­мет­ров. Все эти во­про­сы, как и мн. дру­гие, изу­ча­ет ат­мо­сфер­ная оп­ти­ка. Реф­рак­ция и рас­сея­ние ра­дио­волн обу­слов­ли­ва­ют воз­мож­но­сти ра­дио­приё­ма (см. Рас­про­стра­не­ние ра­дио­волн).

Рас­про­стра­не­ние зву­ка в А. за­ви­сит от про­стран­ст­вен­но­го рас­пре­де­ле­ния темп-ры и ско­ро­сти вет­ра (см. Ат­мо­сфер­ная аку­сти­ка). Оно пред­став­ля­ет ин­те­рес для зон­ди­ро­ва­ния А. дис­танц. ме­то­да­ми. Взры­вы за­ря­дов, за­пус­кае­мых ра­ке­та­ми в верх­нюю А., да­ли бо­га­тую ин­фор­ма­цию о сис­те­мах вет­ров и хо­де темп-ры в стра­то­сфе­ре и ме­зо­сфе­ре. В ус­той­чи­во стра­ти­фи­ци­ро­ван­ной А., ко­гда темп-ра па­да­ет с вы­со­той мед­лен­нее адиа­ба­ти­че­ско­го гра­ди­ен­та (9,8 К/км), воз­ни­ка­ют т. н. внут­рен­ние вол­ны. Эти вол­ны мо­гут рас­про­стра­нять­ся вверх в стра­то­сфе­ру и да­же в ме­зо­сфе­ру, где они за­ту­ха­ют, спо­соб­ст­вуя уси­ле­нию вет­ра и тур­бу­лент­но­сти.

От­ри­ца­тель­ный за­ряд Зем­ли и обу­с­лов­лен­ное им элек­трич. по­ле А. вме­сте с элек­три­че­ски за­ря­жен­ны­ми ио­но­сфе­рой и маг­ни­то­сфе­рой соз­да­ют гло­баль­ную элек­трич. цепь. Важ­ную роль при этом иг­ра­ет об­ра­зо­ва­ние об­ла­ков и гро­зо­во­го элек­три­че­ст­ва. Опас­ность гро­зо­вых раз­ря­дов вы­зва­ла не­об­хо­ди­мость раз­ра­бот­ки ме­то­дов гро­зо­за­щи­ты зда­ний, со­ору­же­ний, ли­ний элек­тро­пе­ре­дач и свя­зи. Осо­бую опас­ность это яв­ле­ние пред­став­ля­ет для авиа­ции. Гро­зо­вые раз­ря­ды вы­зы­ва­ют ат­мо­сфер­ные ра­дио­по­ме­хи, по­лу­чив­шие назв. ат­мо­сфе­ри­ков (см. Сви­стя­щие ат­мо­сфе­ри­ки). Во вре­мя рез­ко­го уве­ли­че­ния на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля на­блю­да­ют­ся све­тя­щие­ся раз­ря­ды, воз­ни­каю­щие на ост­ри­ях и ост­рых уг­лах пред­ме­тов, вы­сту­паю­щих над зем­ной по­верх­но­стью, на отд. вер­ши­нах в го­рах и др. (Эль­ма ог­ни). А. все­гда со­дер­жит силь­но ме­няю­ще­еся в за­ви­си­мо­сти от кон­крет­ных ус­ло­вий ко­ли­че­ст­во лёг­ких и тя­жё­лых ио­нов, ко­то­рые оп­ре­де­ля­ют элек­трич. про­во­ди­мость А. Глав­ные ио­ни­за­то­ры воз­ду­ха у зем­ной по­верх­но­сти – из­лу­че­ние ра­дио­ак­тив­ных ве­ществ, со­дер­жа­щих­ся в зем­ной ко­ре и в А., а так­же кос­мич. лу­чи. См. так­же Ат­мо­сфер­ное элек­три­чест­во.

Влияние человека на атмосферу

В те­че­ние по­след­них сто­ле­тий про­ис­хо­дил рост кон­цен­тра­ции пар­ни­ко­вых га­зов в А. вслед­ст­вие хо­зяйств. дея­тель­но­сти че­ло­ве­ка. Про­цент­ное со­дер­жа­ние уг­ле­ки­сло­го га­за воз­рос­ло с 2,86 10^–2 две­сти лет на­зад до 3,8·10^–2 в 2005, со­дер­жа­ние ме­та­на – с 0,7· 10^–4 при­мер­но 300–400 лет на­зад до 1,8·10^–4 в нач. 21 в.; ок. 20% в при­рост пар­ни­ко­во­го эф­фек­та за по­след­нее сто­ле­тие да­ли фре­о­ны, ко­то­рых прак­ти­че­ски не бы­ло в А. до сер. 20 в. Эти ве­ще­ст­ва при­зна­ны раз­ру­ши­те­ля­ми стра­то­сфер­но­го озо­на, и их про­изводство за­пре­ще­но Мон­ре­аль­ским про­то­ко­лом 1987. Рост кон­цен­тра­ции уг­ле­ки­сло­го га­за в А. вы­зван сжи­га­ни­ем всё воз­рас­таю­щих ко­ли­честв уг­ля, неф­ти, га­за и др. ви­дов уг­ле­род­но­го то­п­ли­ва, а так­же све­де́­ни­ем ле­сов, в ре­зуль­та­те че­го умень­ша­ет­ся по­гло­ще­ние уг­ле­ки­сло­го га­за пу­тём фо­то­син­те­за. Кон­цен­тра­ция ме­та­на уве­ли­чи­ва­ет­ся с рос­том до­бы­чи неф­ти и га­за (за счёт его по­терь), а так­же при рас­ши­ре­нии по­се­вов ри­са и уве­ли­че­нии по­го­ло­вья круп­но­го ро­га­то­го ско­та. Всё это спо­соб­ст­ву­ет по­те­п­ле­нию кли­ма­та.

Для из­ме­не­ния по­го­ды раз­ра­бо­та­ны ме­то­ды ак­тив­но­го воз­дей­ст­вия на ат­мо­сфер­ные про­цес­сы. Они при­ме­ня­ют­ся для за­щи­ты с.-х. рас­те­ний от гра­до­би­тия пу­тём рас­сеи­ва­ния в гро­зо­вых об­ла­ках спец. реа­ген­тов. Су­ще­ст­ву­ют так­же ме­то­ды рас­сея­ния ту­ма­нов в аэ­ро­пор­тах, за­щи­ты рас­те­ний от за­мо­роз­ков, воз­дей­ст­вия на об­ла­ка с це­лью уве­ли­че­ния осад­ков в нуж­ных мес­тах или для рас­сея­ния об­ла­ков в мо­мен­ты мас­со­вых ме­ро­прия­тий.

Изучение атмосферы

Све­де­ния о фи­зич. про­цес­сах в А. по­лу­ча­ют пре­ж­де все­го из ме­тео­ро­ло­гических на­блю­де­ний, ко­то­рые про­во­дят­ся гло­баль­ной се­тью по­сто­ян­но дей­ст­вую­щих ме­тео­ро­ло­гич. стан­ций и по­стов, рас­по­ло­жен­ных на всех кон­ти­нен­тах и на мн. ост­ро­вах. Еже­днев­ные на­блю­де­ния да­ют све­де­ния о темп-ре и влаж­но­сти воз­ду­ха, ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии и осад­ках, об­лач­но­сти, вет­ре и др. На­блю­де­ния за сол­неч­ной ра­диа­ци­ей и её пре­об­ра­зо­ва­ния­ми про­во­дят­ся на ак­ти­но­мет­рич. стан­ци­ях. Боль­шое зна­че­ние для изу­че­ния А. име­ют се­ти аэ­ро­ло­гич. стан­ций, на ко­то­рых при по­мо­щи ра­дио­зон­дов вы­пол­ня­ют­ся ме­тео­ро­ло­гич. из­ме­ре­ния до выс. 30–35 км. На ря­де стан­ций про­во­дят­ся на­блю­де­ния за ат­мо­сфер­ным озо­ном, элек­трич. яв­ле­ния­ми в А., хи­мич. со­ста­вом воз­ду­ха.

Дан­ные на­зем­ных стан­ций до­пол­ня­ют­ся на­блю­де­ния­ми на океа­нах, где дей­ст­ву­ют «су­да по­го­ды», по­сто­ян­но на­хо­дя­щие­ся в оп­ре­де­лён­ных рай­онах Ми­ро­во­го ок., а так­же ме­тео­ро­ло­гич. све­де­ния­ми, по­лу­чае­мы­ми с н.-и. и др. су­дов.

Всё боль­ший объ­ём све­де­ний об А. в по­след­ние де­ся­ти­ле­тия по­лу­ча­ют с по­мо­щью ме­тео­ро­ло­гич. спут­ни­ков, на ко­то­рых ус­та­нов­ле­ны при­бо­ры для фо­тогра­фи­ро­ва­ния об­ла­ков и из­ме­ре­ния по­то­ков ульт­ра­фио­ле­то­вой, ин­фра­крас­ной и мик­ро­вол­но­вой ра­диа­ции Солн­ца. Спут­ни­ки по­зво­ля­ют по­лу­чать све­де­ния о вер­ти­каль­ных про­фи­лях темп-ры, об­лач­но­сти и её во­до­за­па­се, эле­мен­тах ра­ди­ац. ба­лан­са А., о темп-ре по­верх­но­сти океа­на и др. Ис­поль­зуя из­ме­ре­ния реф­рак­ции ра­дио­сиг­на­лов с сис­те­мы на­ви­гац. спут­ни­ков, уда­ёт­ся оп­ре­де­лять в А. вер­ти­каль­ные про­фи­ли плот­но­сти, дав­ле­ния и темп-ры, а так­же вла­го­со­дер­жа­ния. С по­мо­щью спут­ни­ков ста­ло воз­мож­ным уточ­нить ве­ли­чи­ну сол­неч­ной по­сто­ян­ной и пла­не­тар­но­го аль­бе­до Зем­ли, стро­ить кар­ты ра­ди­ац. ба­лан­са сис­те­мы Зем­ля – А., из­ме­рять со­дер­жа­ние и из­мен­чи­вость ма­лых ат­мо­сфер­ных при­ме­сей, ре­шать мн. др. за­да­чи фи­зи­ки ат­мо­сфе­ры и мо­ни­то­рин­га ок­ру­жаю­щей сре­ды.

Источник: bigenc.ru

Азот

Издательство «Наука», 1977
Электронная версия: «Наука и Техника», 2002

Всем известно: азот инертен. Часто мы сетуем за это на элемент N 7, что естественно: слишком дорогой ценой приходится расплачиваться за его относительную инертность, слишком много энергии, сил и средств приходится тратить на его превращение в жизненно необходимые соединения.

Но, с другой стороны, не будь азот так инертен, в атмосфере произошли бы реакции азота с кислородом, и жизнь на пашей планете в тех формах, в которых она существует, стала бы невозможной. Растения, животные, мы с вами буквально захлебывались бы в потоках неприемлемых жизнью окислов и кислот. И «при всем при том» именно в окислы и азотную кислоту мы стремимся превратить возможно большую часть атмосферного азота. Это один из парадоксов элемента N 7. (Здесь автор рискует быть обвиненным в тривиальности, ибо парадоксальность азота, вернее его свойств, стала притчей во языцех. И все же…)

Азот — элемент необыкновенный. Порою кажется, что чем больше мы о нем узнаем, тем непонятнее он становится. Противоречивость свойств элемента N 7 отразилась даже в его названии, ибо ввела в заблуждение даже такого блистательного химика, как Антуан Лоран Лавуазье. Это Лавуазье предложил назвать азот азотом после того, как не первым и не последним получил и исследовал не поддерживающую дыхания и горения часть воздуха. Согласно Лавуазье, «азот» означает «безжизненный», и слово это произведено от греческого «а» — отрицание и «зоэ» — жизнь.

Термин «азот» бытовал еще в лексиконе алхимиков, откуда и заимствовал его французский ученый. Означал он некое «философское начало», своего рода кабалистическое заклинание. Знатоки утверждают, что ключом к расшифровке слова «азот» служит заключительная фраза из Апокалипсиса: «Я есть альфа и омега, начало и конец, первый и последний…» В средние века особо почитались три языка: латинский, греческий и древнееврейский. И слово «азот» алхимики составили из первой буквы «а» (а, альфа, алеф) и последних букв: «зет», «омега» и «тов» этих трех алфавитов. Таким образом, это таинственное синтетическое слово означало «начало и конец всех начал».

Современник и соотечественник Лавуазье Ж. Шапталь, не мудрствуя лукаво, предложил назвать элемент N 7 гибридным латино-греческим именем «нитрогениум», что значит «селитру рождающий». Селитры — азотнокислые соли, вещества, известные с древнейших времен. (О них речь впереди.) Надо сказать, что термин «азот» укоренился только в русском и французском языках. По-английски элемент N 7 — «Nitrogen», по-немецки — «Stockton» (удушающее вещество). Химический же символ N — дань шапталевскому нитрогениуму.

Кем открыт азот

Открытие азота приписывают ученику замечательного шотландского ученого Джозефа Блэка Даниелю Резерфорду, который в 1772 г. опубликовал диссертацию «О так называемом фиксируемом и мефитическом воздухе». Блэк прославился своими опытами с «фиксируемым воздухом» — углекислым газом. Он обнаружил, что после фиксирования углекислоты (связывания ее щелочью) остается еще какой-то «не фиксируемый воздух», который был назван «мефитическим» — испорченным — за то, что не поддерживал горения и дыхания. Исследование этого «воздуха» Блэк и предложил Резерфорду в качестве диссертационной работы.

Примерно в то же время азот был получен К. Шееле, Дж. Пристли, Г. Кавендишем, причем последний, как следовало из его лабораторных записей, изучал этот газ раньше Резерфорда, но, как всегда, не спешил с публикацией результатов своих трудов. Однако все эти выдающиеся ученые имели весьма смутное представление о природе открытого ими вещества. Они были убежденными сторонниками теории флогистона и связывали свойства «мефитического воздуха» с этой мнимой субстанцией. Только Лавуазье, ведя наступление на флогистон, убедился сам и убедил других, что газ, который он назвал «безжизненным», — простое вещество, как и кислород…

Вселенский катализатор?

Можно лишь догадываться, что означает «начало и конец всех начал» в алхимическом «азоте». Но об одном из «начал», связанных с элементом N 7, можно говорить всерьез. Азот и жизнь — понятия неотделимые. По крайней мере, всякий раз, когда биологи, химики, астрофизики пытаются постичь «начало начал» жизни, то непременно сталкиваются с азотом.

Атомы земных химических элементов рождены в недрах звезд. Именно оттуда, от ночных светил и дневного светила, начинаются истоки нашей земной жизни. Это обстоятельство и имел в виду английский астрофизик У. Фаулер, говоря, что «все мы… являемся частичкой звездного праха»…

Звездный «прах» азота возникает в сложнейшей цепи термоядерных процессов, начальная стадия которых — превращение водорода в гелий. Это многостадийная реакция, идущая, как предполагают, двумя путями. Один из них, получивший название углеродно-азотного цикла, имеет самое непосредственное отношение к элементу N 7. Этот цикл начинается, когда в звездном веществе, помимо ядер водорода — протонов, уже есть и углерод. Ядро углерода-12, присоединив еще один протон, превращается в ядро нестабильного азота-13:

¹²₆C + ¹₁H  ¹³₇N + .

Но, испустив позитрон, азот снова становится углеродом — образуется более тяжелый изотоп ¹³С:

¹³₇N  ¹³₆C + е⁺ + .

Такое ядро, приняв лишний протон, превращается в ядро самого распространенного в земной атмосфере изотопа —¹⁴N.

¹³₆C + ¹₁H  ¹⁴₇N + .

Увы, лишь часть этого азота отправляется в путешествие по Вселенной. Под действием протонов азот-14 превращается в кислород-15, а тот, в свою очередь, испустив позитрон и гамма-квант, превращается в другой земной изотоп азота — ¹⁵N:

¹⁴₇N + ¹₁H  ¹⁵₈O + ;

¹⁵₈O  ¹⁵₇N + е⁺ + .

Земной азот-15 стабилен, но и он в недрах звезды подвержен ядерному распаду; после того, как ядро ¹⁵N примет еще один протон, произойдет не только образование кислорода ¹⁶О, но и другая ядерная реакция:

¹⁵₇N + ¹₁H  ¹²₆С + ⁴₂He.

В этой цепи превращений азот — один из промежуточных продуктов. Известный английский астрофизик Р.Дж. Тейлер пишет: «¹⁴N — изотоп, который нелегко построить. В углеродно-азотном цикле образуется азот, и, хотя впоследствии он снова превращается в углерод, все же если процесс протекает стационарно, то азота в веществе оказывается больше, чем углерода. Это, по-видимому, основной источник ¹⁴N»…

В умеренно сложном углеродно-азотном цикле прослеживаются любопытные закономерности. Углерод ¹²С играет в нем роль своеобразного катализатора. Судите сами, в конечном счете не происходит изменения количества ядер ¹²С. Азот же, появляясь в начале процесса, исчезает в конце… И если углерод в этом цикле — катализатор, то азот явно — аутокатализатор, т.е. продукт реакции, катализирующий ее дальнейшие промежуточные стадии.

Мы не случайно завели здесь речь о каталитических свойствах элемента N 7. Но сохранил ли эту особенность звездный азот и в живом веществе? Катализаторы жизненных процессов — ферменты, и все они, равно как и большинство гормонов и витаминов, содержат азот.

Азот в атмосфере Земли

Жизнь многим обязана азоту, но и азот, по крайней мере атмосферный, своим происхождением обязан не столько Солнцу, сколько жизненным процессам. Поразительно несоответствие между содержанием элемента N 7 в литосфере (0,01%) и в атмосфере (75,6% по массе или 78,09% по объему). В общем-то, мы обитаем в азотной атмосфере, умеренно обогащенной кислородом.

Между тем ни на других планетах солнечной системы, ни в составе комет или каких-либо других холодных космических объектов свободный азот не обнаружен. Есть его соединения и радикалы — CN^*, NH^*, NH^*₂, NH^*₃, а вот азота нет. Правда, в атмосфере Венеры зафиксировано около 2% азота, но эта цифра еще требует подтверждения. Полагают, что и в первичной атмосфере Земли элемента N 7 не было. Откуда же тогда он в воздухе?

По-видимому, атмосфера нашей планеты состояла вначале из летучих веществ, образовавшихся в земных недрах: Н₂, Н₂О, СО₂, СН_4, NH₃. Свободный азот если и выходил наружу как продукт вулканической деятельности, то превращался в аммиак. Условия для этого были самые подходящие: избыток водорода, повышенные температуры — поверхность Земли еще не остыла. Так что же, значит, сначала азот присутствовал в атмосфере в виде аммиака? Видимо, так. Запомним это обстоятельство.

Но вот возникла жизнь… Владимир Иванович Вернадский утверждал, что «земная газовая оболочка, наш воздух, есть создание жизни». Именно жизнь запустила удивительнейший механизм фотосинтеза. Один из конечных продуктов этого процесса — свободный кислород стал активно соединяться с аммиаком, высвобождая молекулярный азот:

CO₃ + 2Н₂О фотосинтез НСОН + Н₂О + О₂;

4NH₃ + 3O₂  2N₂ + 6Н₂О.

Кислород и азот, как известно, в обычных условиях между собой не реагируют, что и позволило земному воздуху сохранить «статус кво» состава. Заметим, что значительная часть аммиака могла раствориться в воде при образовании гидросферы.

В наше время основной источник поступления N₂ в атмосферу — вулканические газы.

Если разорвать тройную связь…

Разрушив неисчерпаемые запасы связанного активного азота, живая природа поставила себя перед проблемой: как связать азот. В свободном, молекулярном состоянии он, как мы знаем, оказался весьма инертным. Виной тому — тройная химическая связь его молекулы: NN.

Обычно связи такой кратности малоустойчивы. Вспомним классический пример ацетилена: НС = СН. Тройная связь его молекулы очень непрочна, чем и объясняется невероятная химическая активность этого газа. А вот у азота здесь явная аномалия: его тройная связь образует самую стабильную из всех известных двухатомных молекул. Нужно приложить колоссальные усилия, чтобы разрушить эту связь. К примеру, промышленный синтез аммиака требует давления более 200 атм. и температуры свыше 500^oC, да еще обязательного присутствия катализаторов… Решая проблему связывания азота, природе пришлось наладить непрерывное производство соединений азота методом гроз.

Статистика утверждает, что в атмосфере нашей планеты ежегодно вспыхивают три с лишним миллиарда молний. Мощность отдельных разрядов достигает 200 млн киловатт, а воздух при этом разогревается (локально, разумеется) до 20 тыс. градусов. При такой чудовищной температуре молекулы кислорода и азота распадаются на атомы, которые, легко реагируя друг с другом, образуют непрочную окись азота:

N₂ + O₂ 2NО.

Благодаря быстрому охлаждению (разряд молнии длится десятитысячную долю секунды) окись азота не распадается и беспрепятственно окисляется кислородом воздуха до более стабильной двуокиси:

2NO + О₂ 2NO₂.

В присутствии атмосферной влаги и капель дождя двуокись азота превращается в азотную кислоту:

3NO₂ + H₂O 2HNO₃ + NO.

Так, попав под свежий грозовой дождик, мы получаем возможность искупаться в слабом растворе азотной кислоты. Проникая в почву, атмосферная азотная кислота образует с ее веществами разнообразные естественные удобрения. Азот фиксируется в атмосфере и фотохимическим путем: поглотив квант света, молекула N₂ переходит в возбужденное, активированное состояние и становится способной соединяться с кислородом…

Бактерии и азот

Из почвы соединения азота попадают в растения. Далее: «лошади кушают овес», а хищники — травоядных животных. По пищевой цепи идет круговорот вещества, в том числе и элемента N 7. При этом форма существования азота меняется, он входит в состав все более сложных и нередко весьма активных соединений. Но не только «грозорожденный» азот путешествует по пищевым цепям..

Еще в древности было замечено, что некоторые растения, в частности бобовые, способны повышать плодородие почвы.

«…Или, как сменится год, золотые засеивай злаки
Там, где с поля собрал урожай, стручками шумящий,
Или где вика росла мелкоплодная с горьким лупином…»

Вчитайтесь: это же травопольная система земледелия! Строки эти взяты из поэмы Вергилия, написанной около двух тысяч лет назад.

Пожалуй, первым, кто задумался над тем, почему бобовые дают прибавки урожая зерновых, был французский агрохимик Ж. Буссенго. В 1838 г. он установил, что бобовые обогащают почву азотом. Зерновые же (и еще многие другие растения) истощают землю, забирая, в частности, все тот же азот. Буссенго предположил, что листья бобовых усваивают азот из воздуха, но это было заблуждением. В то время немыслимо было предположить, что дело не в самих растениях, а в особых микроорганизмах, вызывающих образование клубеньков на их корнях. В симбиозе с бобовыми эти организмы и фиксируют азот атмосферы. Сейчас это прописная истина…

В наше время известно довольно много различных азотфиксаторов: бактерии, актиномицеты, дрожжевые и плесневые грибки, сине-зеленые водоросли. И все они поставляют азот растениям. Но вот вопрос: каким образом без особых энергетических затрат расщепляют инертную молекулу N₂ микроорганизмы? И почему одни из них обладают этой полезнейшей для всего живого способностью, а другие нет? Долгое время это оставалось загадкой. Тихий, без громов и молний механизм биологической фиксации элемента N 7 был раскрыт лишь недавно. Доказано, что путь элементарного азота в живое вещество стал возможен благодаря восстановительным процессам, в ходе которых азот превращается в аммиак. Решающую роль при этом играет фермент нитрогеназа. Его центры, содержащие соединения железа и молибдена, активируют азот для «стыковки» с водородом, который предварительно активируется другим ферментом. Так из инертного азота получается весьма активный аммиак — первый стабильный продукт биологической азотфиксации.

Вот ведь как получается! Сначала процессы жизнедеятельности перевели аммиак первичной атмосферы в азот, а затем жизнь снова превратила азот в аммиак. Стоило ли природе на этом «ломать копья»? Безусловно, потому что именно так и возник круговорот элемента N 7.

Залежи селитры и рост народонаселения

Природная фиксация азота молниями и почвенными бактериями ежегодно дает около 150 млн т. соединений этого элемента. Однако не весь связанный азот участвует в круговороте. Часть его выводится из процесса и отлагается в виде залежей селитры. Богатейшей такой кладовой оказалась чилийская пустыня Атакама в предгорьях Кордильер. Здесь годами не бывает дождей. Но изредка на склоны гор обрушиваются сильные ливни, вымывающие почвенные соединения. Потоки воды в течение тысячелетий выносили вниз растворенные соли, среди которых больше всего было селитры. Вода испарялась, соли оставались… Так возникло крупнейшее в мире месторождение азотных соединений.

Еще знаменитый немецкий химик Иоганн Рудольф Глаубер, живший в XVII в., отметил исключительную важность азотных солей для развития растений. В своих сочинениях, размышляя о круговороте азотистых веществ в природе, он употреблял такие выражения, как «нитрозные соки почвы» и «селитра — соль плодородия».

Но природную селитру в качестве удобрения стали применять лишь в начале прошлого века, когда стали разрабатывать чилийские залежи. В то время это был единственный значительный источник связанного азота, от которого, казалось, зависит благополучие человечества. Об азотной же промышленности тогда не могло быть и речи.

В 1824 г. английский священник Томас Мальтус провозгласил свою печально известную доктрину о том, что народонаселение растет гораздо быстрее, чем производство продуктов питания. В это время вывоз чилийской селитры составлял всего около 1000 т в год. В 1887 г. соотечественник Мальтуса, известный ученый Томас Гексли предсказал скорый конец цивилизации из-за «азотного голода», который должен наступить после выработки месторождений чилийской селитры (ее добыча к этому времени составляла уже более 500 тыс. т в год).

Через 11 лет еще один знаменитый ученый сэр Уильям Крукс заявил в Британском обществе содействия наукам, что не пройдет и полувека, как наступит продовольственный крах, если численность народонаселения не сократится. Он также аргументировал свой печальный прогноз тем, что «в скором времени предстоит полное истощение залежей чилийской селитры» со всеми отсюда вытекающими последствиями.

Пророчества эти не оправдались — человечество не погибло, а освоило искусственную фиксацию элемента N 7. Более того, сегодня доля природной селитры — лишь 1,5% от мирового производства азотсодержащих веществ.

Как связывали азот

Соединения азота люди умели получать давно. Ту же селитру приготовляли в особых сараях — селитряницах, но очень уж примитивным был этот способ. «Выделывают селитру из куч навоза, золы, помета, оскребков кож, крови, картофельной ботвы. Кучи эти два года поливают мочою и переворачивают, после чего на них образуется налет селитры», — такое описание селитряного производства есть в одной старинной книге.

Источником соединений азота может служить и каменный уголь, в котором до 3% азота. Связанного азота! Этот азот стали выделять при коксовании углей, улавливая аммиачную фракцию и пропуская ее через серную кислоту.

Конечный продукт — сульфат аммония. Но и это, в общем-то, крохи. Трудно даже представить, какими путями развивалась бы наша цивилизация, не реши она вовремя проблему промышленно приемлемой фиксации атмосферного азота.

Впервые атмосферный азот связал еще Шееле. В 1775 г. он получил цианистый натрий, нагревая в атмосфере азота соду с углем:

Na₂CO₃ + 4С + N₂ 2NaCN + 3СО.

В 1780 г. Пристли установил, что объем воздуха, заключенный в сосуде, перевернутом над водой, уменьшается, если через него пропускать электрическую искру, а вода приобретает свойства слабой кислоты. Этот эксперимент был, как мы знаем (Пристли этого не знал), моделью природного механизма фиксации азота. Четыре года спустя Кавендиш, пропуская электрический разряд через воздух, заключенный в стеклянной трубке со щелочью, обнаружил там селитру.

И хотя все эти эксперименты не могли в то время выйти за пределы лабораторий, в них виден прообраз промышленных способов фиксации азота — цианамидного и дугового, появившихся на рубеже XIX…XX вв.

Цианамидный способ был запатентован в 1895 г. немецкими исследователями А. Франком и Н. Каро. По этому способу азот при нагревании с карбидом кальция связывался в цианамид кальция:

CaC₂ + N₂ Ca(CN)₂.

В 1901 г. сын Франка, подав идею о том, что цианамид кальция может служить хорошим удобрением, по существу, положил начало производству этого вещества. Росту индустрии связанного азота способствовало появление дешевой электроэнергии. Наиболее перспективным способом фиксации атмосферного азота в конце XIX в. считался дуговой, при помощи электрического разряда. Вскоре после строительства Ниагарской электростанции американцы неподалеку пустили (в 1902 г.) первый дуговой завод. Через три года в Норвегии вступила в строй дуговая установка, разработанная теоретиком и специалистом по изучению северного сияния X. Биркеландом и инженером-практиком С. Эйде. Заводы подобного типа получили широкое распространение; селитру, которую они выпускали, называли норвежской. Однако расход электроэнергии при этом процессе был чрезвычайно велик и составлял до 70 тыс. киловатт/час на тонну связанного азота, причем только 3% этой энергии использовалось непосредственно на фиксацию.

Через аммиак

Перечисленные выше способы фиксации азота были лишь подходами к методу, появившемуся незадолго до первой мировой войны. Это о нем американский популяризатор науки Э. Слоссон весьма остроумно заметил: «Всегда говорилось, что англичане господствуют на море, а французы — на суше, немцам же остается только воздух. К этой шутке немцы отнеслись как будто бы серьезно и принялись использовать воздушное царство для нападения на англичан и французов… Кайзер… обладал целым флотом цеппелинов и таким способом фиксации азота, который не был известен никакой другой нации. Цеппелины разрывались, как мешки с воздухом, но заводы, фиксирующие азот, продолжали работать и сделали Германию независимой от Чили не только в годы войны, но и в мирное время»… Речь идет о синтезе аммиака — основном процессе современной индустрии связанного азота.

Слоссон был не совсем прав, говоря о том, что способ фиксации азота в аммиак не был известен нигде, кроме Германии. Теоретические основы этого процесса были заложены французскими и английскими учеными. Еще в 1784 г. знаменитый К. Бертолле установил состав аммиака и высказал мысль о химическом равновесии реакций синтеза и разложения этого вещества. Через пять лет англичанином У. Остином была предпринята первая попытка синтеза NH₃ из азота и водорода. И, наконец, французский химик А. Ле Шателье, отчетливо сформулировав принцип подвижного равновесия, первым синтезировал аммиак. При этом он применил высокое давление и катализаторы — губчатую платину и железо. В 1901 г. Ле Шателье запатентовал этот способ.

Исследования по синтезу аммиака в начале века проводили также Э. Перман и Г. Аткинс в Англии. В своих экспериментах эти исследователи в качестве катализаторов применяли различные металлы, в частности медь, никель и кобальт…

Но наладить синтез аммиака из водорода и азота в промышленных масштабах впервые удалось, действительно, в Германии. В этом заслуга известного химика Фрица Габера. В 1918 г. он был удостоен Нобелевской премии по химии.

Технология производства NH₃, разработанная немецким ученым, очень сильно отличалась от других производств того времени. Здесь впервые был применен принцип замкнутого цикла с непрерывно действующей аппаратурой и утилизацией энергии. Окончательную разработку технологии синтеза аммиака завершил коллега и друг Габера К. Бош, который в 1931 г. также был удостоен Нобелевской премии — за развитие методов химического синтеза при высоких давлениях.

По пути природы

Синтез аммиака стал еще одной моделью природной фиксации элемента N 7. Напомним, что микроорганизмы связывают азот именно в NH₃. При всех достоинствах процесса Габера — Боша он выглядит несовершенным и громоздким по сравнению с природным!

«Биологическая фиксация атмосферного азота… была неким парадоксом, постоянным вызовом для химиков, своего рода демонстрацией недостаточности наших знаний». Эти слова принадлежат советским химикам М.Е. Вольпину и А.Е. Шилову, которые предприняли попытку фиксации молекулярного азота в мягких условиях.

Сначала были неудачи. Но в 1964 г. в Институте элементоорганических соединении АН СССР, в лаборатории Вольпина, было сделано открытие: в присутствии соединений переходных металлов — титана, ванадия, хрома, молибдена и железа — элемент N 7 активируется и при обычных условиях образует комплексные соединения, разлагаемые водой до аммиака. Именно эти металлы служат и центрами фиксации азота в ферментах азотфиксаторов, и прекрасными катализаторами в производстве аммиака.

Вскоре после этого канадские ученые А. Аллен и К. Зеноф, исследуя реакцию гидразина N₂H₂ с треххлористым рутением, получили химический комплекс, в котором, опять же в мягких условиях, азот оказался связанным. Этот результат настолько противоречил обычным представлениям, что редакция журнала, куда исследователи послали свою статью с сенсационным сообщением, отказалась ее печатать. В дальнейшем советским ученым удалось в мягких условиях получить и азотсодержащие органические вещества. Пока еще рано говорить о промышленных способах мягкой химической фиксации атмосферного азота, однако, достигнутые успехи позволяют предвидеть надвигающуюся революцию в технологии связывания элемента N 7.

Современной наукой не забыты и старые способы получения азотных соединений через окислы. Здесь главные усилия направлены на разработку технологических процессов, ускоряющих расщепление молекулы N₂ на атомы. Наиболее перспективными направлениями окисления азота считают сжигание воздуха в специальных печах, применение плазмотронов, использование для этих целей пучка ускоренных электронов.

Чего бояться?

Сегодня нет оснований опасаться, что человечество когда-либо будет испытывать недостаток в соединениях азота. Промышленная фиксация элемента N 7 прогрессирует невероятными темпами. Если в конце 60-х годов мировое производство связанного азота составляло 30 млн т., то к началу будущего века оно, по всей вероятности, достигнет миллиарда тонн!

Такие успехи не только радуют, но и вызывают опасения. Дело в том, что искусственная фиксация N₂ и внесение в почву огромного количества азотсодержащих веществ — самое грубое и значительное вмешательство человека в естественный круговорот веществ. В наше время азотные удобрения не только вещества плодородия, но и загрязнители окружающей среды. Они вымываются из почвы в реки и озера, вызывают вредное цветение водоемов, разносятся воздушными потоками на дальние расстояния…

В подземные воды уходит до 13% азота, содержащегося в минеральных удобрениях. Азотные соединения, особенно нитраты, вредны для людей и могут быть причиной отравлений. Вот вам и кормилец-азот!

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) приняла предельно допустимую концентрацию нитратов в питьевой воде: 22 мг/л для умеренных широт и 10 мг/л для тропиков. В СССР санитарные нормы регламентируют содержание нитратов в воде водоемов по «тропическим» меркам — не более 10 мг/л. Выходит, что нитраты средство «обоюдоострое»…

4 октября 1957 г. человечество еще раз вмешалось в круговорот элемента N 7, запустив в космос «шарик», заполненный азотом, — первый искусственный спутник…

Менделеев об азоте

«Хотя деятельнейшую, т.е. наиболее легко и часто химически действующую часть окружающего нас воздуха, составляет кислород, но наибольшую массу его, судя как по объему, так и по весу, образует азот; а именно газообразный азот составляет более ³/₄, хотя и менее ⁴/₅ объема воздуха. А так как азот лишь немногим легче кислорода, то весовое содержание азота в воздухе составляет около ³/₄ всей его массы. Входя в таком значительном количестве в состав воздуха, азот, по-видимому, не играет особо видной роли в атмосфере, химическое действие которой определяется преимущественно содержанием в ней кислорода. Но правильное представление об азоте получается только тогда, когда узнаем, что в чистом кислороде животные не могут долго жить, даже умирают, и что азот воздуха, хотя лишь медленно и мало-помалу, образует разнообразные соединения, часть которых играет важнейшую роль в природе, особенно в жизни организмов».

Где применяют азот

Азот — самый дешевый из всех газов, химически инертных в обычных условиях. Его широко применяют в химической технологии для создания неокислительных сред. В лабораториях в атмосфере азота хранят легко окисляющиеся соединения. Выдающиеся произведения живописи иногда (в хранилищах или при транспортировке) помещают в герметические футляры, заполненные азотом, — чтобы предохранить краски от влаги и химически активных компонентов воздуха.

Значительной бывает роль азота в металлургии и при металлообработке. Различные металлы в расплавленном состоянии реагируют на присутствие азота по-разному. Медь, например, абсолютно инертна по отношению к азоту, поэтому изделия из меди часто сваривают в струе этого газа. Магний, напротив, при горении на воздухе дает соединения не только с кислородом, но и с азотом. Так что для работы с изделиями из магния при высоких температурах азотная среда неприменима. Насыщение азотом поверхности титана придает металлу большую прочность и износостойкость — на ней образуется очень прочный и химически инертный нитрид титана. Эта реакция идет лишь при высоких температурах.

При обыкновенной температуре азот активно реагирует только с одним металлом — литием.

Наибольшее количество азота идет на производство аммиака.

Азотный наркоз

Распространенное мнение о физиологической инертности азота не совсем правильно. Азот физиологически инертен при обычных условиях.

При повышенном давлении, например при погружении водолазов, растет концентрация растворенного азота в белковых и особенно жировых тканях организма. Это приводит к так называемому азотному наркозу. Водолаз словно пьянеет: нарушается координация движений, мутится сознание. В том, что причина этого — азот, ученые окончательно убедились после проведения экспериментов, в которых вместо обычного воздуха в скафандр водолаза подавалась гелио-кислородная смесь. При этом симптомы наркоза исчезли.

Космический аммиак

Большие планеты солнечной системы Сатурн и Юпитер состоят, как полагают астрономы, частично из твердого аммиака. Аммиак замерзает при -78^oC, а на поверхности Юпитера, например, средняя температура — 138^oC.

Аммиак и аммоний

В большой семье азота есть странное соединение — аммоний NH₄. В свободном виде он нигде не встречается, а в солях играет роль щелочного металла. Название «аммоний» предложил в 1808 г. знаменитый английский химик Хэмфри Дэви. Латинское слово ammonium когда-то означало: соль из Аммонии. Аммония — область в Ливии. Там находился храм египетского бога Аммона, по имени которого и называли всю область. В Аммонии издавна получали аммонийные соли (в первую очередь нашатырь), сжигая верблюжий навоз. При распаде солей получался газ, который сейчас называют аммиаком.

С 1787 г. (в том самом году, когда был принят термин «азот») комиссия по химической номенклатуре дала этому газу имя ammoniaque (аммониак). Русскому химику Я.Д. Захарову это название показалось слишком длинным, и в 1801 г. он исключил из него две буквы. Так получился аммиак.

Веселящий газ

Из пяти окислов азота два — окись (NO) и двуокись (NO₂) — нашли широкое промышленное применение. Два других — азотистый ангидрид (N₂O₃) и азотный ангидрид (N₂O₅) — не часто встретишь и в лабораториях. Пятый — закись азота (N₂O). Она обладает весьма своеобразным физиологическим действием, за которое ее часто называют веселящим газом.

Выдающийся английский химик Хэмфри Дэви с помощью этого газа устраивал специальные сеансы. Вот как описывал действие закиси азота один из современников Дэви: «Одни джентльмены прыгали по столам и стульям, у других развязались языки, третьи обнаружили чрезвычайную склонность к потасовке».

Свифт смеялся напрасно

Выдающийся писатель-сатирик Джонатан Свифт охотно издевался над бесплодием современной ему науки. В «Путешествиях Гулливера», в описании академии Лагадо, есть такое место: «В его распоряжении были две большие комнаты, загроможденные самыми удивительными диковинами; пятьдесят помощников работали под его руководством. Одни сгущали воздух в сухое плотное вещество, извлекая из него селитру…»

Сейчас селитра из воздуха — вещь абсолютно реальная. Аммиачную селитру NH₄NO₃ действительно делают из воздуха и воды.

Бактерии связывают азот

Идею о том, что некоторые микроорганизмы могут связывать азот воздуха, первым высказал русский физик П. Коссович. Русскому биохимику С.Н. Виноградскому первому удалось выделить из почвы один вид бактерий, связывающих азот.

Растения разборчивы

Дмитрий Николаевич Прянишников установил, что растение, если ему предоставлена возможность выбора, предпочитает аммиачный азот нитратному. (Нитраты — соли азотной кислоты).

Важный окислитель

Азотная кислота HNO₃ — один из самых важных окислителей, применяемых в химической промышленности. Первым ее приготовил, действуя серной кислотой на селитру, один из крупнейших химиков XVII в. Иоганн Рудольф Глаубер.

Среди соединений, получаемых сейчас с помощью азотной кислоты, многие совершенно необходимые вещества: удобрения, красители, полимерные материалы, взрывчатые вещества.

Двойная роль

Некоторые азотсодержащие соединения, применяемые в агрохимии, выполняют двоякие функции. Например, цианамид кальция хлопкоробы применяют как дефолиант — вещество, вызывающее опадение листьев перед уборкой урожая. Но это соединение одновременно служит и удобрением.

Азот в ядохимикатах

Далеко не все вещества, в состав которых входит азот, способствуют развитию любых растений. Аминные соли феноксиуксусной и трихлорфеноксиуксусной кислот — гербициды. Первая подавляет рост сорняков на полях злаковых культур, вторая применяется для очистки земель под пашни — уничтожает мелкие деревья и кустарники.

Полимеры: от биологических до неорганических

Атомы азота входят в состав многих природных и синтетических полимеров — от белка до капрона. Кроме того, азот — важнейший элемент безуглеродных, неорганических полимеров. Молекулы неорганического каучука — полифосфонитрилхлорида — это замкнутые циклы, составленные из чередующихся атомов азота и фосфора, в окружении ионов хлора. К неорганическим полимерам относятся и нитриды некоторых металлов, в том числе и самое твердое из всех веществ — боразон.

Источник: www.astronet.ru