Все в мире состоит из химических элементов. Они же поддерживают жизнь на Земле. Одну из важнейших ролей в этом деле играет кислород. С ним связано множество интересных фактов, а круговорот кислорода в природе удивителен. Хотите знать больше? Читайте далее.
Итак, что интересного связано с кислородом:
1. Производят не только растения.
Многим со школьной скамьи известно, что оксиген образуется в результате фотосинтеза растений. Да, именно преобразование углекислого газа растительностью - основной источник кислорода на Земле. Однако он не единственный.
Часть газа образуется в верхних слоях атмосферы под действием солнечных лучей. Нагреваясь, молекулы воды распадаются на составные части, образуя водород и кислород.
Кроме того, около половины всего свободного кислорода на планете производит фитопланктон. Углекислый газ, который они потребляют, попадает в атмосферу в результате дыхания животных и людей, а также во время окисления, то есть сгорания.
Просто круговорот кислорода в биосфере можно описать так:
- Под действием солнечного тепла вода из мирового океана испаряется. Ее часть, попадая в верхний слой атмосферы, распадается на H2 и O2.
- Кислород, в свою очередь, перерабатывается живыми существами, которые выделяют углекислый газ. Также угарный газ попадает в атмосферу в результате сгорания материи.
- В процессе фотосинтеза углекислый газ преобразуется снова в кислород.
Примечание: также оксиген выделяется из известняка путем выветривания породы.
2. Кислород использовали алхимики.
Об этом элементе было известно еще в VIII веке. Первые упоминания встречаются в рукописях китайского ученого-алхимика Мао Хоа. Конечно, тогда кислород имел совсем другое название, да и о его свойствах мало что было известно.
Легендарный художник, инженер, биолог и химик Леонардо да Винчи изучал кислород, но даже не догадывался, что кислород - это отдельный элемент.
Однако официальное открытие кислорода произошло в 1774 году. Статус первооткрывателя достался Джозефу Пристли, которому удалось выделить кислород из оксида ртути. Ученый долго не мог понять, почему во время нагревания материала свеча, которая служила источником света, горела намного ярче. Впоследствии Пристли назвал это явление «Второй воздух». Но, как часто бывает в научном мире, здесь не обошлось без скандала.
Позже стало известно, что шведский естествоиспытатель Карл Шееле смог выделить кислород из оксида азота в 1771 году. Данные об эксперименте он записал в свою книгу, которую, к несчастью, издали только через шесть лет.
3. Кислород нужен везде.
Применение кислорода не ограничивается простым дыханием. Его широко используют как окислитель в металлургии. Без него было бы невозможно производство качественной стали. Также газ используется в ацетиленовых и водородных горелках для резки и сварки металла.
Кислород обеспечивает работу тепловых электростанций. Двигателя внутреннего сгорания никогда бы не было, так как наличие оксигена - главное условие детонации топливной смеси.
Космонавты, военные летчики и аквалангисты используют для дыхания баллоны, наполненные кислородом в связке с гелием или другими инертными газами. Таким образом, кислород способствует исследованию океанов и космоса.
4. Кислород - источник красоты и здоровья.
Кислород широко применяется в медицине и при изготовлении косметических средств. С его помощью спасают от удушья, гипоксии, приступов астмы и людей с болезнями сердечно-сосудистой системы.
Безалкогольные коктейли с высоким содержанием оксигена полезны для беременных женщин. Кислородный напиток способствует нормальному развитию плода. Также подобные составы улучшают психоэмоциональное состояние человека, и придают бодрости.
Оксиген добавляют в косметические кремы и маски. Эти средства улучшают состояние кожи, омолаживают и придают эластичности.
5. Три триллиона тонн кислорода в год.
Примерно столько кислорода вырабатывает вся зеленая растительность Земли. Крупнейшими природными фабриками этого газа считаются леса Амазонки и сибирская тайга. Эти места называют «легкими планеты».
Примечание: одно большое дерево вырабатывает достаточно кислорода, чтобы обеспечить двух человек - примерно 125 кг газа в год.
6. Концентрация кислорода снижается.
Несмотря на кажущийся внушительным объем выработки, содержание кислорода в атмосфере составляет в лучшем случае 21%. В больших городах это значение опускается до 18%. К слову, всего несколько миллионов лет назад этот показатель был в два раза выше.
Причина снижения концентрации кислорода в увеличении количества автомобильного транспорта, производственных выбросов и неконтролируемой вырубке лесов.
7. Что будет, если кислород исчезнет на одну секунду?
Если это случится, мир, который мы знаем, перестанет существовать. Нет, растения не завянут, а животные не задохнутся. Все будет значительно хуже. Оксиген входит в состав практически всего и всех.
Бетонные здания тут же рухнут, моря и океаны испарятся, живые существа высохнут и превратятся в пыль. Как дополнение к апокалиптической картине представьте, что земная кора разверзлась, а небо стало черным как ночь.
Увеличение количества оксигена в 10 раз также не сулит ничего хорошего, хотя последствия не будут столь драматичными. Этот сценарий чреват массовым вымиранием из-за гипервентиляции легких. Однако скорее всего жизнь не исчезнет, а возродится в иной форме.
8. В земле кислорода больше, чем в воздухе.
Мало кто знает, но основной запас кислорода сосредоточен не в атмосфере. Свободного кислорода на планете всего 0,36%, при этом около 99,5% газа входит в состав горных пород, силикатов, мантии и земной коры.
9. Эра гигантов стала возможной благодаря кислороду.
До начала господства динозавров, 300 миллионов лет назад, концентрация кислорода была в десятки раз больше. Ученые считают, что во многом благодаря этому на Земле долгое время правили гиганты.
В те далекие времена на планете можно было встретить сороконожку длинной 2,5 метра. Среди ящеров самым большим был Дредноут. Его длина достигала 26–30 м, а вес - 60 тонн.
Относительно недавно благодаря оксигену по планете ходил шестиметровый ленивец. А как насчет двухметрового кабана, который питался преимущественно мясом?! Некоторые млекопитающие, например индрикотерий, чей рост достигал 8 м, а вес 15 тонн, не уступали в размерах динозаврам.
Первобытные люди успели поохотиться на мамонта, который почти в два раза превосходил по размерам современного слона. В последний ледниковый период бок о бок с человеком разумным обитали медведи под три метра в холке и двухметровые олени.
10. Ком в горле и пересыхающие глаза.
При сильном стрессе у человека инстинктивно учащается дыхание. Нередко увеличивается и объем вдыхаемого кислорода за раз. Из-за этого голосовая щель расширяется, вызывая ощущение кома в горле.
Примечание: нередко ком в горле - это симптом серьезных заболеваний, поэтому, если со временем подобное ощущение не проходит, обратитесь к врачу.
Те, кто поднимался высоко в горы, сталкивался с синдромом сухого глаза. Это неприятное ощущение объясняется низким содержанием кислорода на большой высоте. Дело в том, что роговица не содержит сосудов, а питательные вещества и оксиген доставляются к ней через слезные железы наружным способом.
Круговорот кислорода - поразительный процесс. Представить сложно, как на нашей планете все взаимосвязано и насколько хрупка эта связь. Поэтому мы, как разумные существа, должны взять на себя ответственность за сохранение баланса в природе.
События
Первая часть истории существования Земли была лишена кислорода, в этот период на ней не было жизни. До сих пор продолжаются дебаты относительно того, кто были главными биологическими игроками на безкислородной Земле, но большинство исследователей ищут корни данного вопроса в древнейших осадочных породах.
Большинство учёных предполагают, что количество кислорода на Земле было очень незначительным около 2,4 миллиардов лет назад, пока атмосфера не наполниласьь кислородом. Этот резкий скачок в содержании кислорода в атмосфере произошёл благодаря цианобактерии – фотосинтезирующему микробу, который выдыхает кислород.
Как и когда появились микробы, выдыхающие кислород, до сих пор не определено в связи с тем, что наполнение атмосферы кислородом представляло собой сложное сочетание глобального резкого похолодания, зарождения минеральных пород, а также появления новых видов.
"Мы пока не в состоянии определить, что является причиной, а что следствием", - отметил Доминик Папине, специалист вашингтонского института Карнеги. "Многие вещи произошли практически одновременно, поэтому так много неясностей". Для того, чтобы помочь разобраться в геологической стороне вопроса Папине изучает диапазон образований железа и осадочных пород, которые формируются на дне древних морей.
Исследование Папине сфокусировано на особых минералах, которые содержатся в образованиях железа, и которые могут быть связаны с возникновением жизни и смерти древних микробов. Минералы железа, находящиеся глубоко на дне морей, являются самым крупным источником железной руды. Тем не менее, этот источник представляет собой нечто большее, чем просто материал для изготовления стали. Геологи исследуют их, так как именно они имеют богатую историю, связанную с зарождением жизни на Земле.
Однако, их происхождение – это очень большая загадка. Самый последний вывод, к которому пришли большинство учёных, заключается в том, что для их формирования необходима помощь особых микроэлементов, к сожалению, пока ещё не выявлено каких именно. Эти простые одноклеточные морские создания не оставили ничего, что могло бы помочь исследователям воссоздать их образ и понять что они из себя представляют.
Возможно, что строителем этих железных минералов была цианобактерия, а кислород из этих бактерий и вызвал окисление железа в морях и океанах еще до великого кислородного взрыва. В таком случае почему, если цианобактерия на самом деле появилась задолго до накопления кислорода на Земле, прошло несколько сотен миллионов лет, прежде чем атмосфера наполнилась кислородом?
Возможно, Папине и его коллеги нашли ответ на вопрос в виде сложного переплетения биологии и геологии. Кислород из цианобактерии мог быть разрушен метаном. При взаимодействии этих двух газов образуется углекислый газ и вода. Также они отметили, что кислород не может накапливаться в богатой метаном среде.
Метан появился из бактерий под названием метаногены, результатом поглощения этими бактериями углекислого газа и водорода, и стало появление метана. По этому сценарию развития событий, метаногены и цианобактерии верховенствовали в древних морях и океанах, но количество метаногенов было больше, поэтому, когда они вырабатывали метан, он перекрывал пути кислорода на накапливание, а также нагревал планету в результате парникового эффекта. Но после того, как Земля стала "кислородной", количество этих организмов резко сократилось, что позволило атмосфере заполниться этим газом.
Заметное увеличение содержания свободного кислорода в атмосфере Земли 2,4 млрд лет назад, по-видимому, явилось результатом очень быстрого перехода от одного равновесного состояния к другому. Первый уровень соответствовал крайне низкой концентрации О 2 — примерно в 100 000 раз ниже той, что наблюдается сейчас. Второй равновесный уровень мог быть достигнут при более высокой концентрации, составляющей не менее чем 0,005 от современной. Содержание кислорода между двумя этими уровнями характеризуется крайней неустойчивостью. Наличие подобной «бистабильности» позволяет понять, почему в атмосфере Земли было так мало свободного кислорода в течение по крайней мере 300 млн лет после того, как его стали вырабатывать цианобактерии (синезеленые «водоросли»).
В настоящее время атмосфера Земли на 20% состоит из свободного кислорода, который есть не что иное как побочный продукт фотосинтеза цианобактерий, водорослей и высших растений. Очень много кислорода выделяется тропическими лесами, которые в популярных изданиях нередко называют легкими планеты. При этом, правда, умалчивается, что за год тропические леса потребляют практически столько же кислорода, сколько образуют. Расходуется он на дыхание организмов, разлагающих готовое органическое вещество, — в первую очередь бактерий и грибов. Для того, чтобы кислород начал накапливаться в атмосфере, хотя бы часть образованного в ходе фотосинтеза вещества должна быть выведена из круговорота — например, попасть в донные отложения и стать недоступной для бактерий, разлагающих его аэробно, то есть с потреблением кислорода.
Суммарную реакцию оксигенного (то есть «дающего кислород») фотосинтеза можно записать как:
CO 2 + H 2 O + hν → (CH 2 O) + O 2 ,
где hν — энергия солнечного света, а (CH 2 O) — обобщенная формула органического вещества. Дыхание же — это обратный процесс, который можно записать как:
(CH 2 O) + O 2 → CO 2 + H 2 O.
При этом будет высвобождаться необходимая для организмов энергия. Однако аэробное дыхание возможно только при концентрации O 2 не меньше чем 0,01 от современного уровня (так называемая точка Пастера). В анаэробных условиях органическое вещество разлагается путем брожения, а на завершающих стадиях этого процесса нередко образуется метан. Например, обобщенное уравнение метаногенеза через образование ацетата выглядит как:
2(СH 2 O) → CH 3 COOH → CH 4 + CO 2 .
Если комбинировать процесс фотосинтеза с последующим разложением органического вещества в анаэробных условиях, то суммарное уравнение будет иметь вид:
CO 2 + H 2 O + hν → 1/2 CH 4 + 1/2 CO 2 + O 2 .
Именно такой путь разложения органического вещества, видимо, был основным в древней биосфере.
Многие важные детали того, как установилось современное равновесие между поступлением кислорода в атмосферу и его изъятием, остаются невыясненными. Ведь заметное увеличение содержания кислорода, так называемое «Великое окисление атмосферы» (Great Oxidation), произошло только 2,4 млрд лет назад, хотя точно известно, что осуществляющие оксигенный фотосинтез цианобактерии были уже достаточно многочисленны и активны 2,7 млрд лет назад, а возникли они еще раньше — возможно, 3 млрд лет назад. Таким образом, в течение по крайней мере 300 миллионов лет деятельность цианобактерий не приводила к увеличению содержания кислорода в атмосфере .
Предположение о том, что в силу каких-то причин вдруг произошло радикальное увеличение чистой первичной продукции (то есть прироста органического вещества, образованного в ходе фотосинтеза цианобактерий), критики не выдержало. Дело в том, что при фотосинтезе преимущественно потребляется легкий изотоп углерода 12 С, а в окружающей среде возрастает относительное содержание более тяжелого изотопа 13 С. Соответственно, донные отложения, содержащие органическое вещество, должны быть обеднены изотопом 13 С, который скапливается в воде и идет на образование карбонатов. Однако соотношение 12 С и 13 С в карбонатах и в органическом веществе отложений остается неизменным несмотря на радикальные изменения в концентрации кислорода в атмосфере. Значит, всё дело не в источнике О 2 , а в его, как выражаются геохимики, «стоке» (изъятии из атмосферы), который вдруг существенным образом сократился, что и привело к существенному увеличению количества кислорода в атмосфере.
Обычно считается, что непосредственно до «Великого окисления атмосферы» весь образующийся тогда кислород расходовался на окисление восстановленных соединений железа (а потом серы), которых на поверхности Земли было довольно много. В частности, тогда образовались так называемые «полосчатые железные руды». Но недавно Колин Гольдблатт , аспирант Школы наук об окружающей среде при Университете Восточной Англии (Норвич, Великобритания), совместно с двумя коллегами из того же университета пришли к выводу о том, что содержание кислорода в земной атмосфере может быть в одном из двух равновесных состояний: его может быть или очень мало — примерно в 100 тысяч раз меньше, чем сейчас, или уже довольно много (хотя с позиции современного наблюдателя мало) — не менее, чем 0,005 от современного уровня.
В предлагаемой модели они учли поступление в атмосферу как кислорода, так и восстановленных соединений, в частности обратив внимание на соотношение свободного кислорода и метана. Они отметили, что если концентрация кислорода превышает 0,0002 от современного уровня, то часть метана уже может окисляться бактериями метанотрофами согласно реакции:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O.
Но остальной метан (а его довольно много, особенно при низкой концентрации кислорода) поступает в атмосферу.
Вся система находится в неравновесном состоянии с точки зрения термодинамики. Основной же механизм восстановления нарушенного равновесия — окисление метана в верхних слоях атмосферы гидроксильным радикалом (см. Колебания метана в атмосфере: человек или природа — кто кого , «Элементы», 06.10.2006). Гидроксильный радикал, как известно образуется в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения. Но если кислорода в атмосфере много (по меньшей мере 0,005 от современного уровня), то в верхних ее слоях образуется озоновый экран, хорошо защищающий Землю от жестких ультрафиолетовых лучей и вместе с тем мешающий физико-химическому окислению метана.
Авторы приходят к несколько парадоксальному выводу о том, что само по себе существование оксигенного фотосинтеза не является достаточным условием ни для того, чтобы сформировалась богатая кислородом атмосфера, ни для того, чтобы возник озоновый экран. Данное обстоятельство следует учитывать в тех случаях, когда мы пытаемся найти признаки существования жизни на других планетах основываясь на результатах обследования их атмосферы.
Версия для печати
ОТКУДА БЕРЕТСЯ КИСЛОРОД
Ежегодно десятки миллиардов тонн кислорода расходуются на дыхание людей и животных, на нужды промышленности, которые все растут.
А кислорода в воздухе пока практически не становится меньше.
Считают, что зеленые растения в результате фотосинтеза выделяют почти шесть тонн кислорода на каждую тонну кислорода, израсходованную на их дыхание. Причем 80% кислорода передают в атмосферу водоросли морей и океанов, так называемый фито-планктон, и лишь 20% - наземные растения. Поэтому-то океан часто и называют легкими Земли. В фитопланктоне, составной частью которого являются сине-зеленые водоросли, протекает реакция фотосинтеза:
6CO 2 + 6H 2 О = С 6 Н l2 О 6 + 6O 2 .
Из диоксида углерода СО 2 и воды образуется глюкоза C 6 H 12 O 6 , а «нежелательный» кислород O 2 выделяется в атмосферу. Энергия, необходимая для осуществления этого синтеза, передается фито-планктону солнечным светом.
Степин Б. Д., Аликберова Л. Ю. Книга по химии для домашнего чтения.- М.: Химия, 1994 г.- 400c.: ил.
Фотосинтез — сложный химический процесс, благодаря которому вырабатывается кислород. На производство кислорода способны только зеленые растения и некоторые виды бактерий.
Растения обладают уникальным свойством вырабатывать кислород. Из всего существующего на земле на это способны еще несколько видов бактерий. Данный процесс в науке называется фотосинтезом.
Что необходимо для фотосинтеза
Кислород вырабатывается только если есть все элементы, необходимые для фотосинтеза:
1. Растение, имеющее зеленые листья (имеющие хлорофиллы в листе).
2. Солнечная энергия.
3. Вода, содержащаяся в листовой пластине.
4. Углекислый газ.
Исследования фотосинтеза
Первым изучению растений посвятил свои исследования Ван Гельмонт. В ходе своей работы он доказал, что растения берут питание не только из почвы, но также питаются и углекислым газом. Спустя почти 3 века Фредерик Блэкман при помощи исследований доказал существование процесса фотосинтеза. Блэкман не только определил реакцию растений в ходе вырабатывания кислорода, но также и установил, что в темное время суток растения дышат кислородом, поглощая его. Определение этому процессу было дано только в 1877 году.
Как происходит выделение кислорода
Процесс фотосинтеза заключается в следующем:
На хлорофиллы попадает солнечный свет. Затем начинаются два процесса:
1. Процесс фотосистема II. При столкновении фотона с 250-400 молекулами фотосистемы II энергия начинает скачкообразно возрастать, затем эта энергия передается молекуле хлорофилла. Начинаются две реакции. Хлорофилл теряет 2 электрона, а в этот же момент расщепляется молекула воды. 2 электрона атомов водорода замещают потерянные электроны у хлорофилла. Затем молекулярные переносчики перекидывают «быстрый» электрон друг другу. Частично энергия затрачивается на образование молекул аденозинтрифосфата (АТФ).
2. Процесс фотосистема I. Молекула хлорофилла фотосистемы I поглощает энергию фотона и передает свой электрон другой молекуле.
Потерянный электрон замещается электроном из фотосистемы II. Энергия из фотосистемы I и ионы водорода уходит на образование новой молекулы-переносчика.
В упрощенном и наглядном виде всю реакцию можно описать одной простой химической формулой:
СО2 + Н2О + свет -> углевод + О2
В раскрытом виде формула выглядит так:
6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2
Существует и темновая фаза фотосинтеза. Ее также называют метаболической. В ходе темновой стадии происходит восстановление углекислого газа до глюкозы.
Заключение
Все зеленые растения вырабатывают необходимый для жизни кислород. В зависимости от возраста растения, его физических данных, количество выделяемого кислорода может меняться. Процесс этот в 1877 году В. Пфеффером был назван фотосинтезом.
Внимание, только СЕГОДНЯ!
Уже один миллиард лет атмосфера Земли состоит в основном из азота (20–78%) и кислорода (5–21%). Современная атмосфера Земли в объемных процентах содержит: азота — 78%, кислорода — 21, углекислого газа — 0,03, аргона — 0,93, остальные 0,04% занимают гелий, метан, криптон, закись азота, водород, ксенон. Сравнительно высокий процент содержания в атмосфере аргона — 40 объясняется тем, что в недрах Земли в него превращается большое количество радиоактивного калия — 40. Современные физические параметры атмосферы следующие: толщина атмосферного слоя до 1000 километров, масса 5·10 18 кг, давление у поверхности планеты 1 атмосфера.
В таблице показаны эволюционные изменения химического состава атмосферы в прошлом и в перспективе на 2 миллиарда лет вперед (в %). Рассмотрим причины этих изменений в химическом составе атмосферы Земли.
Эволюционные изменения химического состава атмосферы Земли
1 . Углекислый газ CO2 появился благодаря обильным вулканическим извержениям. Нет единого мнения о его процентном составе в атмосфере 4 — 5 миллиардов лет назад. Газовый состав современных вулканических извержений содержит 40% по весу углекислого газа, а азота N 2 — 2%. Однако можно предположить, что в прошлом углекислый газ имел возможность накапливаться в атмосфере до 90%. Это объясняется тем, что CO 2 и N 2 являются самыми инертными химическими соединениями атмосферы, и они почти не вступают в реакции c другими элементами. Остальные вулканические газы (HCl, CN, HF, SO 2 , NH 3 и другие) относятся к крайне агрессивным компонентам, поэтому быстро «уничтожались», вступая в соединения с металлами горных пород, веществами вулканической лавы, растворенными в водах солями. Следовательно, процентное содержание углекислого газа и азота постоянно возрастало, а других газов — постепенно уменьшалось.
Становится понятным, как содержание углекислого газа в атмосфере молодой Земли могло повыситься до 90%, а содержание азота в наше время достигло 78%. Основными потребителями углекислого газа являются растения. Источниками углекислого газа являются вулканы, промышленность и процесс дыхания животных. Основными резервуарами хранения являются атмосфера и океан.
А) Основные «резервуары для хранения» углекислого газа на Земле.
1) Сейчас в атмосфере содержится 0,03% углекислого газа, что составляет 2·10 15 килограмм. Одновременно с этим на Земле произрастает 10 16 кг растений (по А.Виноградову), которые за год поглощают более 10 14 кг углекислого газа. Тогда углекислого газа хватит только на 20 лет.
2) Крупным «резервуаром» углекислого газа являются океаны и моря, так как в их водах растворено 5·10 16 кг углекислого газа. Тогда только в течение 500 лет растительный мир Земли мог бы расходовать растворенный в гидросфере углекислый газ.
Углекислый газ из атмосферы и сегодня в большом количестве растворяется в водах океанов и морей. Вызывает тревогу то, что в будущем продолжится понижение процентного содержания углекислого газа в атмосфере, а следовательно, он снизит свою концентрацию и в океане.
Б) Основные источники углекислого газа на Земле.
1) Вулканические извержения в прошлом являлись самым главным источником углекислого газа для атмосферы, а растения — единственными потребителями углекислого газа. В настоящее время все вулканы за год выделяют в атмосферу 10 9 кг углекислого газа, а цивилизация сжигает органические топлива, и тем самым также пополняет атмосферу углекислым газом еще на 3·10 12 кг в год (т.е. в 3000 раз больше, чем вулканы). Вулканические процессы на планете постепенно затухают по мере ее «старения». Через 1 миллион лет вулканизм на Земле полностью прекратится.
2) Около 150 лет еще будет действовать дополнительный источник углекислого газа — цивилизация, которая в большом количестве сжигает ископаемые органические вещества (уголь, нефть, дрова, горючие сланцы — geoglobus.ru). Но затем эти полезные ископаемые будут исчерпаны. Залежи полезных ископаемых типа угля, нефти, природного газа цивилизация исчерпает через 150 лет, и цивилизация прекратит пополнять атмосферу углекислым газом, образующимся при сгорании органических топлив. Поэтому одни ученые полагают, что, несмотря на сжигание топлива в течение 150 лет, процентное содержание углекислого газа в атмосфере будет снижаться. Количество CO 2 останется прежним (0,03%), так как он поглотится растениями и произойдет компенсационное увеличение биомассы у растений Земли. Другие ученые говорят о повышении содержания углекислого газа в атмосфере до 0,04 — 0,05% с последующим незначительным потеплением климата на планете к 2150 году. Так или иначе, но после 2150 года цивилизация останется без органического топлива и процесс глобального снижения количества углекислого газа в атмосфере продолжится.
3) Углекислый газ также выделяется в атмосферу в количестве 10 10 кг в год при разложении умерших животных и погибших растений в океанах, морях и на суше. Так же углекислый газ выделяется при дыхании животных и человека из их легких.
В) «Скорость» исчезновения углекислого газа из атмосферы Земли.
Обратим внимание на то, что хотя в течение последних десятков миллионов лет «работали» все природные источники углекислого газа (вулканизм, океаны, гниение), однако содержание углекислого газа в атмосфере снижалось и, например, за время кайнозойской эры (за 70 миллионов лет) упало с 12% (перед началом кайнозойской эры) до 0,03%, то есть в 400 раз. Через 10 миллионов лет количество углекислого газа в атмосфере уменьшится в 1000 раз, процентный состав будет 0,000003%. Такое уменьшение содержания углекислого газа воздействует губительно для всех растений, что подтверждается на опытах с помещением растений под стеклянный колпак и одновременным уменьшением там содержания СО 2 . Растения "съели" весь углекислый газ атмосферы. Газовый источник пищи для растений почти иссяк. В ответ на это растения вынуждены будут сначала (через 100 тысяч лет) уменьшать собственную биомассу в сотни раз, а, в конце концов, все растения погибнут от отсутствия углекислого газа в атмосфере.
Углекислый газ будет полностью трансформирован растениями в кислород примерно через 30 миллионов лет. Учёные полагают, что благодаря естественному круговороту веществ углекислый газ не исчезнет из состава земной атмосферы почти 30 миллионов лет. Поэтому можно утверждать, что после 30 миллионов лет, по причине отсутствия углекислого газа в атмосфере произойдет полное вымирание растительного мира. Понятно, что одновременно с исчезновением растений произойдет гибель травоядных животных. После этого вымрут хищники, и произойдет полное исчезновение животного мира. Земля лишится всех видов жизни по двум геокосмическим причинам: исчезновение углекислого газа из атмосферы и сильного похолодания на поверхности планеты.
2 . Кислород O 2 . Сейчас можно сформулировать один из главных законов биологической эволюции: первым видом живой материей во Вселенной являются растения, которые превращают неорганическую материю (CO 2) в органическую (древесину, листья, плоды, цветы). Вторым видом живой материи во Вселенной является животный мир, который появляется на планете после насыщения океанов и атмосферы кислородом (O 2) в процессе жизнедеятельности растений, а пищей для животных служат растения и другие животные.
А) Основным источником кислорода на Земле являются растения.
После 3,5 миллиардов лет, когда в океане появились первые растения (водоросли), на Земле происходил процесс насыщения кислородом атмосферы и вод океана. В обмен на поглощение углекислого газа растения выделяют в атмосферу кислород. Кислород в атмосфере появился 3 миллиарда лет назад в количестве 0,1 — 1%. Он относится к очень активным химическим веществам. Поэтому в прошлом около 10 20 кг кислорода из атмосферы было потрачено на окисление атмосферных газов, растворенных в океанах и морях веществ, а также на окисление веществ горных пород на суше и на дне океанов. Весь современный растительный мир планеты в год потребляет 10 14 кг углекислого газа и выделяет 3·10 13 кг кислорода, что в 3,3 раза меньше массы безвозвратно поглощенного углекислого газа.
Поэтому можно сделать вывод, что в настоящее время количество кислорода в атмосфере увеличивается, а количество углекислого газа уменьшается. Если этот процесс не замедлится, то через 1500 лет в атмосфере будет 26% кислорода, через 3000 лет – 42% (в 2 раза больше, чем сейчас). Но такого большого увеличения процентного состава кислорода в атмосфере не произойдет, так как для этого недостаточно углекислого газа планеты. На поверхности Земли (в атмосфере и океанах — geoglobus.ru) находится примерно 10 17 кг углекислого газа, из которого растения могут получить 3·10 16 кг кислорода (3% от находящегося в атмосфере). Следовательно, максимальное количество кислорода в атмосфере может увеличиться до 24% (21% + 3%). При нынешних темпах выделения кислорода растениями, в атмосфере его будет содержаться 24% через несколько миллионов лет.
Б) Основные «резервуары и хранилищами» кислорода на Земле является атмосфера и океан.
Сейчас количество кислорода в атмосфере 21%, что составляет по весу 10 18 кг. Примерно в 3 раза большая его масса растворена в водах океанов, морей, озер и рек. Рыбы дышат именно этим, растворенным в воде, кислородом.
В) Основные потребители кислорода на Земле является мантия Земли, промышленность и животные.
1) Затраты кислорода на глобальное окисление. Вода с растворенным в ней кислородом проникает глубоко в недра Земли, где кислород вступает в реакцию с еще не окисленными веществами коры и мантии. Нагретая в недрах Земли вода в виде пара поднимается на поверхность планеты, чтобы остыть и пропитаться новой порцией кислорода, а потом снова опускается в недра. Делая бесчисленные круговороты, подземная вода за год уносит в недра Земли около 10 11 кг кислорода. Процесс окисления веществ в недрах планеты растворенным в воде кислородом является достаточно мощным источником его глобального потребления. Годовая потребность в кислороде для этого геохимического процесса составляет 10 11 кг.
Вся масса свободного кислорода в атмосфере и океане равна примерно 3·10 18 кг. Значит, кислород атмосферы и океана будет истрачен на окисление остывающих горных пород мантии и вещества ядра Земли через 30 миллионов лет после гибели всех растений на Земле (т.е. через 60 миллионов лет, считая от сегодняшнего дня). После потери кислорода атмосфера будет состоять исключительно из азота. Поэтому через 60 миллионов лет атмосферу Земли ожидает азотная стадия эволюционного развития.
2) Затраты кислорода на сжигание топлива. Ежегодно затрачивается 5·10 12 кг кислорода атмосферы на сжигание цивилизацией органического топлива и в пожарах (лесные, на нефтяных скважинах и т. д.). Конечным продуктом сжигания являются углекислый газ и вода.
Органическое топливо + 3О 2 = СО 2 + 4Н 2 О.
Растения почти сразу трансформируют углекислый газ (от сжигания топлив и пожаров) опять в кислород. Безвозвратно теряется только кислород при синтезе воды во время горения органических веществ, что составляет 2·10 12 кг в год.
3) Кислород атмосферы потребляется в момент дыхания животных и людей в количестве около 10 9 кг в год. Выдыхается из легких животных и человека углекислый газ, который быстро трансформируется растениями опять в кислород.
4) Вывод о темпах глобального поглощения кислорода. Если суммировать массу поглощенного кислорода из атмосферы и массу растворенного кислорода в океанах, то получится величина около 6·10 12 кг в год. При этом необходимо учитывать, что необратимо (безвозвратно) масса кислорода поглощается в количестве 3·10 12 кг в год, а остальная его масса образует углекислый газ и вступает в круговорот.
3 . Азот N2, которого сейчас в атмосфере 78% (или около 4·10 18 кг), образовался по двум причинам. Азот выделяется в атмосферу в течение 5 миллиардов лет благодаря вулканическим процессам. Вулканические газы содержат от 0,1 до 2% азота. Газообразный азот обладает низкой химической активностью, поэтому он постоянно накапливается в атмосфере Земли. В водах океанов и морей растворено азота в 5 раз больше, чем в атмосфере – 20·10 18 кг. Всего на поверхности Земли содержится 24·10 18 кг свободного азота. Кроме вулканического происхождения существуют другие механизмы поступления азота в атмосферу.
Азот поступал в атмосферу при процессе окисления аммиака. Академик А.Виноградов отстаивает именно эту гипотезу возникновения азота в атмосфере Земли. По приблизительным расчетам, с 5 до 2 миллиарда лет назад в атмосфере Земли содержалось от 5 до 20% аммиака. Начиная с момента, когда растения начали выделять в атмосферу кислород, возник глобальный процесс окисления аммиака с образованием азота.
2NH 4 + 2O 2 = N 2 + 4H 2 O.
Азот, в отличие от углекислого газа и кислорода, не участвует в глобальных биохимических процессах. Его усваивают в незначительных количествах в год некоторые виды азотобактерий в почве и илистом дне водоемов. Азот внутри бактериальных клеток превращается в аммиак, цианистые соединения, окись и закись азота. Биологами подсчитано, что за год атмосфера безвозвратно теряет на микробиологические процессы 10 11 кг азота. Тогда весь свободный азот Земли будет усвоен бактериями через 240 миллионов лет.
Больше интересных статей:
Существует мнение, что "легкими планеты" являются леса, поскольку считается, что именно они —основные поставщики кислорода в атмосферу. Однако на самом деле это не так. Главные производители кислорода живут в океане. Этих малышей невозможно увидеть без помощи микроскопа. Но все живые организмы Земли зависят от их жизнедеятельности.
Никто не спорит, что леса, конечно же, надо сохранять и оберегать. Однако вовсе не из-за того, что они являются этими пресловутыми "легкими". Потому что на самом деле их вклад в обогащение нашей атмосферы кислородом практически равен нулю.
Никто не будет отрицать тот факт, что кислородную атмосферу Земли создали и продолжают поддерживать именно растения. Это случилось потому, что они научились создавать органические вещества из неорганических, используя при этом энергию солнечного света (как мы помним из школьного курса биологии, подобный процесс называется фотосинтез). В результате этого процесса листья растений выделяют свободный кислород как побочный продукт производства. Этот необходимый нам газ поднимается в атмосферу и потом равномерно распределяется по ней.
По данным различных институтов, таким образом, на нашей планете ежегодно выбрасывается в атмосферу около 145 млрд тонн кислорода. При этом большая часть его расходуется, как это не удивительно, вовсе не на дыхание обитателей нашей планеты, а на разложение погибших организмов или, попросту говоря, на гниение (примерно 60 процентов от используемого живыми существами). Так что, как видите, кислород не только дает нам возможность дышать полной грудью, но и выступает в роли своеобразной печки для сжигания мусора.
Читайте также: На Земле сломался кондиционер "зима-лето" Как мы знаем, любое дерево не вечно, поэтому, когда, наступает время, оно умирает. Когда ствол лесного гиганта падает на землю, его организм разлагают тысячи грибов и бактерий в течение весьма длительного времени. Все они используют при этом кислород, который вырабатывается оставшимися в живых растениями. Согласно подсчетам исследователей, на подобную "уборку территории" уходит около восьмидесяти процентов "лесного" кислорода.
Но оставшиеся 20 процентов кислорода вовсе не поступают в "общий атмосферный фонд", а также используются лесными жителями "на местах" в своих целях. Ведь животным, растениям, грибам и микроорганизмам тоже нужно дышать (без участия кислорода, как мы помним, многие живые существа не смогли бы получать из пищи энергию). Поскольку все леса, как правило, являются весьма густонаселенными зонами, этого остатка хватает только для того, что бы удовлетворить кислородные потребности лишь своих собственных обитателей. Для соседей (например, жителей городов , где собственной растительности мало) уже ничего не остается.
Кто же тогда является на нашей планете основным поставщиком этого необходимого для дыхания газа? На суше это, как ни странно… торфяные болота. Всем известно, когда на болоте погибают растения, их организмы не разлагаются, поскольку бактерии и грибы, делающие эту работу, не могут жить в болотной воде — там много природных антисептиков, выделяемых мхами.
Тем не менее взнос болот в общий "благотворительный фонд кислорода" не очень-то и велик, ведь их на Земле не так много. Куда активнее участвуют в "кислородной благотворительности" микроскопические океанические водоросли, совокупность которых ученые называют фитопланктоном. Эти существа настолько малы, что простым глазом их разглядеть практически невозможно. Однако их общее количество весьма велико, счет идет на миллионы миллиардов. Итак, отмершие части растений, не разлагаясь, опускаются на дно, образуя залежи торфа. А если нет разложения, то и кислород не тратится. Поэтому болота отдают в общий фонд около 50 процентов вырабатываемого ими кислорода (другую половину используют сами обитатели этих неприветливых, но весьма полезных мест).
Весь мировой фитопланктон вырабатывает в 10 раз больше кислорода, чем нужно ему самому для дыхания. Хватает для того, что бы обеспечить полезным газом и всех остальных обитателей вод, и в атмосферу попадает немало. Что касается затрат кислорода на разложение трупов, то в океане они весьма низки — примерно 20 процентов от общей выработки.
Происходит это из-за того, что мертвые организмы сразу же поедаются падальщиками, которых в морской воде живет великое множество. Тех, в свою очередь, после смерти съедят другие падальщики, и так далее, то есть трупы в воде практически никогда не залеживаются. Те же останки, на которые уже ни для кого не представляют особого интереса, падают на дно, где мало кто живет, и разлагать их просто некому (так образуется всем известный ил), то есть и в данном случае кислород не расходуется.
Итак, океан поставляет в атмосферу около 40 процентов того кислорода, которое произвел фитопланктон. Именно этот запас и расходуется в тех областях, где кислорода вырабатывается очень мало. К последним, кроме городов и деревень относятся пустыни, степи и луга, а также горы.
Так что, как это ни странно, род человеческий живет и здравствует на Земле именно за счет микроскопических "кислородных фабрик", плавающих по поверхности океана. Именно их-то и следует называть "легкими планеты". И всячески оберегать от нефтяных загрязнений, отравлений тяжелыми металлами и т. п., поскольку, если они вдруг прекратят свою деятельность, нам с вами будет просто нечем дышать.