Какой же был источник кислорода на Земле? "Лёгкие планеты" находятся в океане.

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.

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.

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 - сайт). 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 - сайт) 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.

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.

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.

А) Основные «резервуары для хранения» углекислого газа на Земле.

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.

В) «Скорость» исчезновения углекислого газа из атмосферы Земли.

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.

В) Основные потребители кислорода на Земле является мантия Земли, промышленность и животные.

Органическое топливо + 3О 2 = СО 2 + 4Н 2 О.

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.

Больше интересных статей:

Источники кислорода на планете и в городе Москва. Краткий обзор. August 17th, 2010

В настоящее время в атмосфере содержится около (1,2-2,0) *10+15 т кислорода. В результате фотосинтеза зелеными растениями ежегодно вырабатывается на суше (0,7—1,0)*1011 т этого необходимого для жизни газа. Мировой океан за тот же период продуцирует около 4,0*1011 т 02. Значительное количество кислорода используется в процессах дыхания гетеротрофных организмов. Скорость потребле-ния кислорода в этих процессах составляет примерно 0,22*1011 т/год.
Другой источник кислорода в атмосфере - процесс фотодиссоциации молекул воды — мало влияет на баланс этого газа, так как таким путем ежегодно образуется примерно 2*10+6 т 02.
Основной поставщик кислорода - растения. В процессе фотосинтеза растения ежегодно поглощают из атмосферы 170 миллиардов тонн углекислого газа, выделяя кислород. Таинство преобразования его в органическое вещество происходит в живых клетках с помощью хлорофилла и света. Главнейшим составляющим этого процесса является фотолиз воды. В ходе его из молекулы воды под действием энергии солнечных лучей высвобождается кислород, а водород идет на восстановление углекислоты.
Считают, что растения ежегодно создают до 100 миллиардов тонн органических веществ. При этом они расходуют 130 миллиардов тонн воды, из нее выделяется 115 миллиардов тонн кислорода.
Две трети получаемой органической массы приходится на земные растения и треть на планктон и водоросли. Из того, что вырастает на земле, опять же две трети - продукция леса.
Тихий лес - большой труженик. Подсчитано, что один гектар хорошего древостоя (есть такой термин у лесоводов) поглощает ежегодно до шести с половиной тонн углекислого газа и выделяет при этом до 5 тонн кислорода - столько, сколько требуется для дыхания чистым воздухом большому поселку. В этом смысле ни одна рукотворная фабрика кислорода (а она несомненно усугубила бы дальнейшее загрязнение окружающей среды!) не может сравниться с хорошим лесом.
Производительность у каждой древесной породы в зависимости от возраста разная. Скажем, гектар сосняка в возрасте 20 лет поглощает 9 тонн углекислого газа в год, а в 60 лет - 13. Значит, среднеспелые сосняки - самые производительные зеленые "фабрики" чистого воздуха, а именно они в первую очередь и попадают под пилу и топор.
У разных деревьев - своя производительная сила. Скажем, если гектар елового леса по "умению" поглощать углекислый газ принять за 100 процентов, то березовая, осиновая и любая другая лиственная роща дает 120 процентов, сосновый бор - 150, липовый парк - - 250, дубрава - 450 процентов и т.д.
Но поистине уникальным санитаром воздуха выступает наш обыкновенный тополь. На оздоровительном поприще он один способен заменить три липы или четыре сосны, семь елей.
Расчёты, проведённые учёными для лесов бассейна Амазонки (а это самый большой массив тропических лесов на Земле), показали, что в более влажные годы образование органического вещества превышает его разложение, поэтому кислорода больше выделяется, чем потребляется. А в более сухие — наоборот, разложение протекает интенсивнее, чем создание нового вещества, и, соответственно, кислорода больше потребляется, чем выделяется. В среднем же за десятилетний период эти процессы уравновешены.
Свободный кислород может накопиться в атмосфере только в том случае, если эквивалентное ему количество образованного органического вещества изымается из круговорота. Иными словами — становится недоступным для воздействия грибов, бактерий и животных.
Запасы угля, торфа, нефти — всё это органическое вещество оказалось захороненным в отложениях, а кислород, который выделился когда-то при его образовании, остался в атмосфере. Места, где из круговорота выводится большое количество органического вещества, существуют и сейчас. Это, например, торфяные болота, которыми так богата Россия. Если под «лёгкими» понимать орган, который снабжает организм кислородом и выводит из него углекислый газ, то «лёгкие планеты» — это прежде всего болота. ??????????

- Зелени в Москве будет больше, - пообещали «КП» в столичном департаменте охраны окружающей среды. - Есть генеральная схема озеленения Москвы до 2020 года. И через 11 лет на каждого москвича будет приходиться 26 квадратных метров зеленых насаждений.

Планы впечатляют. 23% земель, занятых сейчас промзонами и малыми реками, чьи берега размыты и замусорены, хотят засаживать деревьями. Там, где были заборы, планируют разбить парки и скверы. Только вот... слабо верится. Как на месте скверов строят торговые комплексы, я видел много раз. На моих глазах изуродовали парк «Дружба» у ст. метро «Речной вокзал». А вот нового парка не видел ни разу! Когда в Москве вдруг освобождается площадка, на ней тут же ставят элитку, магазин или офис. Может, потому, что за площадку под строительство чиновник всегда может получить немалый откат? А за сквер что получишь? Жители ведь не скинутся и не принесут. А значит, не будет им сквера...

Международная группа геологов обнаружила в Южной Африке древнейший из известных «кислородных карманов» - место, где уже 2,97 миллиарда лет назад, за 430 миллионов до кислородной революции, жили и выделяли кислород первые фотосинтезирующие организмы.

В атмосфере молодой Земли кислорода было очень мало; сегодняшние 20% этого газа в воздухе - результат деятельности фотосинтезирующих растений и бактерий. Первыми выделять кислород начали цианобактерии - одноклеточные фотосинтезирующие организмы. Сначала выделяемый ими кислород расходовался только на окисление горных пород, однако около 2,5 млрд лет этот процесс завершился, и кислород начал накапливаться в воздухе и растворяться в океане; это событие называют кислородной революцией (или катастрофой, поскольку в результате обогащения атмосферы кислорода погибли виды, приспособленные к жизни в восстановительной, а не окислительной атмосфере).

Скачок содержания кислорода в атмосфере древней Земли определяют по распределению изотопов серы в осадочных породах. Как выяснила в середине девяностых группа геохимиков из Калтеха, распределение изотопов серы резко изменилось после кислородной революции из-за появления озонового слоя, укрывшего Землю от солнечного ультрафиолета, который увеличивал реакционную способность легких изотопов серы и создавал так называемое независимое от массы распределение.

О деятельности первых фотосинтезирующих организмов до кислородной революции ученые узнают по составу осадочных пород, медленно накапливавшихся в «кислородных карманах». Это участки вблизи больших бактериальных матов, вокруг которых концентрация кислорода была ближе к современной, чем на всей остальной планете. Известно несколько таких «кислородных карманов» возрастом от 2,5 до 2,7 млрд лет; их находили на всех континентах, кроме Антарктиды. Помимо углерода (из углекислого газа), водорода и кислорода (из воды), им нужны другие элементы, такие как сера и азот. Цианобактерии получали серу, восстанавливая ее из сульфатов в почве. Породы, на которых жили и делились цианобактерии, как и породы, образовавшиеся после кислородной революции, характеризуются независимым от массы распределением изотопов серы.

В прошлом году международная группа геологов из Университета Тюбингена в Германии обнаружила на территории заповедника Понгола в ЮАР породу, распределение изотопов серы в которой говорит о высокой концентрации кислорода в атмосфере уже 2,97 миллиарда лет назад, задолго до того, как произошла кислородная революция. Распределение изотопов серы в породах формации Понгола делает понгольский «кислородный карман» древнейшим из известных на сегодняшний день.

Что необходимо для фотосинтеза

Исследования фотосинтеза

Как происходит выделение кислорода

Заключение

Больше интересных статей:

Похожие материалы: