2.2: Навколишнє середовище та його хімія

У розділі 1.2 було зазначено, що навколишнє середовище складається з нашого оточення, яке може вплинути на нас і яке, в свою чергу, ми можемо вплинути. Очевидно, що хімічна природа та процеси речовини в навколишньому середовищі важливі. Порівняно із загалом чітко визначеними процесами, які хіміки вивчають у лабораторії, ті, що відбуваються в навколишньому середовищі, є досить складними і їх потрібно розглядати з точки зору спрощених моделей. Значна частина цієї складності обумовлена тим, що навколишнє середовище складається з п'яти перекриваються і взаємодіючих сфер — атмосфери, гідросфери, геосфери, біосфери та антросфери, згаданих у розділі 1.2 і показаних з точки зору їх хімічних взаємодій на малюнку. \(\PageIndex{1}\). Для того щоб краще зрозуміти хімію, яка зустрічається в цих сферах, вони коротко описані тут.

Малюнок\(\PageIndex{1}\). Ілюстрація п'яти основних сфер навколишнього середовища та деяких їх хімічних взаємодій. Ці сфери тісно пов'язані між собою, взаємодіють між собою, обмінюються матеріалами і енергією. Значна експертиза наук про навколишнє середовище повинна включати всі п'ять цих сфер, включаючи антросферу.

Атмосфера являє собою дуже тонкий шар порівняно з розміром Землі, причому більшість атмосферних газів лежить в межах декількох кілометрів від рівня моря. Окрім забезпечення киснем для живих організмів, атмосфера забезпечує вуглекислий газ, необхідний для фотосинтезу рослин, та азот, який організми використовують для виготовлення білків. Атмосфера виконує життєво важливу захисну функцію в тому, що вона поглинає високоенергетичне ультрафіолетове випромінювання від сонця, яке вбиває живі організми, що піддаються їй. Особливо важливою частиною атмосфери в цьому відношенні є стратосферний шар озону, ультрафіолетова поглинаюча форма елементарного кисню. Через свою здатність поглинати інфрачервоне випромінювання, за допомогою якого Земля втрачає енергію, яку поглинає від сонця, атмосфера стабілізує температуру поверхні Землі. Атмосфера також служить середовищем, за допомогою якого сонячна енергія, яка падає з найбільшою інтенсивністю в екваторіальних областях, перерозподіляється подалі від екватора. Це середовище, в якому водяна пара випаровується з океанів, як перший крок у гідрологічному циклі, транспортується по сухопутних масах, щоб впасти як дощ над сушею.

Вода Землі міститься в гідросфері. Хоча часті повідомлення про проливні зливи та затоплення річок, спричинених масовими штормами, можуть створити враження, що велика частка земної води - прісна вода, більше 97% її становить морська вода в океанах. Велика частина решти прісної води присутня у вигляді льоду в полярних крижаних шапках і льодовиках. Невелика частка всієї води присутня у вигляді пари в атмосфері. Що залишилася рідка прісна вода - це та, що доступна для вирощування рослин та інших організмів, а також для промислового використання. Ця вода може бути присутнім на поверхні у вигляді озер, водосховищ та струмків, або вона може бути підземною як грунтові води.

Тверда частина землі, геосфера, включає в себе всі гірські породи і корисні копалини. Особливо важливою частиною геосфери є грунт, що підтримує ріст рослин, основа харчування для всіх живих організмів. Літосфера являє собою відносно тонкий твердий шар, що простягається від поверхні Землі до глибини 50—100 км. Ще тонша зовнішня шкіра літосфери, відома як кірка, складається з відносно легших мінералів на основі силікатів. Це частина геосфери, яка доступна для взаємодії з іншими сферами навколишнього середовища і доступна для людини.

Біосфера складається з усіх живих організмів. Здебільшого ці організми живуть на поверхні геосфери на грунті, або трохи нижче поверхні грунту. Океани та інші водойми підтримують високі популяції організмів. Деякі форми життя існують на значних глибині на океанських длах. В цілому ж біосфера - це дуже тонкий шар на стику геосфери з атмосферою. Біосфера бере участь у геосфері, гідросфері та атмосфері в біогеохімічних циклах, через які циркулюють такі матеріали, як азот і вуглець.

Завдяки людській діяльності антросфера, та частина навколишнього середовища, створеного та керованого людьми, розвинула сильну взаємодію з іншими сферами навколишнього середовища. Можна навести багато прикладів цих взаємодій. Обробляючи великі площі ґрунту для домашніх культур, людина модифікує геосферу і впливає на види організмів в біосфері. Люди відводять воду від її природного потоку, використовують її, іноді забруднюють, потім повертають в гідросферу. Викиди частинок в атмосферу діяльністю людини впливають на видимість та інші характеристики атмосфери. Викид великої кількості вуглекислого газу в атмосферу шляхом спалювання викопного палива може змінювати теплопоглинаючі характеристики атмосфери в тій мірі, в якій майже напевно відбувається глобальне потепління. Антросфера збуджує різні біогеохімічні цикли.

Ефект антросфери протягом останніх двох століть у таких областях, як спалювання великої кількості викопного палива, особливо виражений на атмосферу і може значно змінити природу Землі. За словами Нобелівського лауреата Пола Крутцена з Інституту хімії Макса Планка, Майнц, Німеччина, цей вплив настільки великий, що призведе до нової глобальної епохи, яка замінить галоценову епоху, яка діяла протягом останніх 10 000 років з останнього льодовикового періоду. Доктор Крутцен придумав термін антропоцен (від антропогенного), щоб описати нову епоху, яка знаходиться на нас.