Когда закончится кислород на земле. Кислород на земле. Что такое озон

Кислород чаще всего ассоциируется с атмосферой. Атмосфера – это скафандр планеты Земля. Если сравнивать что человеку важнее для жизни на Земле, то можно попробовать сравнить без чего и как долго человек не сможет жить. Итак, без пищи человек может жить примерно месяц; без воды человек может протянуть неделю; а вот без воздуха человеку не протянуть и часа. Однако не стоит заблуждаться на сей счёт, поскольку все составляющие нашей обители нам жизненно необходимы и без них невозможно не только наше развитие, но и сама жизнь.

Откуда мы берём кислород

Само слово атмосфера греческого происхождения и состоит из «атмос» - пар и «сфайра» - шар, она представляет собой скафандр для планеты и является резервуаром кислорода. Этот химический элемент является необходимым компонентом для протекания в организме окислительно-восстановительных реакций и, кроме того, выполняет ряд защитных функций.

Атмосфера имеет протяжённость свыше тысячи километров; да, даже на такой высоте обнаруживают следы газов, входящих в атмосферу. Это неудивительно так как действие гравитационного поля Земли распространяется на 10 земных радиусов, а это около 60.000 км.

Напомним, что атмосфера состоит из пяти основных сфер:

• Тропосфера (0-10 км).
• Стратосфера (10-50 км).
• Мезосфера (50-100 км).
• Термосфера (100-800 км).
• Экзосфера (800-1100 км).

Впрочем, данное деление атмосферы не совсем точно отражает её содержимое. Так, например, название ионосфера присвоено слою атмосферы, который подвергается облучению примерно на высоте 80 км и обнаруживает большое число ионов и свободных электронов.

На всём своём протяжении атмосфера более-менее стабильна поскольку она состоит из газообразных продуктов, не вступающих в реакции при обычных условиях. Эта смесь и называется воздухом. В основном воздух состоит из азота (78%), кислорода (21%) и аргона (1%). Учёные также оценили, что масса атмосферы нашей планеты составляет 5*1015 тонн и, разумеется, что основная её часть находится «на дне» воздушного пятого океана.

Однако атмосфера не является единственным источником воздуха и кислорода в частности. Например, огромные водные запасы, дающие массу испарений ежесекундно, вызывают колебания состава воздуха и, как результат, кислорода. Леса, которые часто называют «лёгкими» планеты, дают значительный массовый прирост кислородной составляющей атмосферы. Немаловажную роль в формировании состава воздуха и содержания кислорода в нём играет деятельность людей. Тот факт, что кислород входит в целый ряд веществ, находящихся в твёрдом и жидком состояниях, не имеет большого влияния на содержание кислорода в атмосфере.

Важным фактом является также и то, что кислород в атмосфере Земли был не всегда – он появился там примерно 2 млрд. лет тому назад вместе с появлением первых хлорофилловых организмов. Но только за последние 20 млн. лет концентрация кислорода в атмосфере стала примерно такой, как сейчас.

Может ли кончится кислород?

Существует ли реальная возможность полного истощения кислорода на Земле? Теоретически такая возможность существует, однако для паники нет никакого повода.

Сейчас уже широко известны основные «потребители» кислорода:

• Автомобиль, проехавший расстояние в 500 км «съедает» годовую дыхательную норму человека;
• Самолёт, пролетевший 10 тыс. км сжигает 30-50 т кислорода, что составляет суточную производственную норму лесного массива площадью 15-20 тыс. га

Уровень потребления кислорода на Земле огромен, однако экспериментальные измерения показывают, что за последние 100 лет количество атмосферного кислорода не уменьшилось. Потери кислорода в атмосфере возмещаются растительностью суши и мирового океана, которые пока способны производить около 320 миллиардов тонн свободного кислорода. Однако следует помнить, что потребление кислорода людьми растёт, а популяция растений на земле стремительно сокращается. Эти процессы пока никем не контролируемы.

Всё же рост потребления кислорода не представляет такой значительной угрозы как ежегодные выбросы в атмосферу объёмом около миллиарда тонн химических соединений, а также нескольких миллиардов тонн твёрдых частиц и различных аэрозолей. Другими словами, не недостаток кислорода, а избыток прочих выбрасываемых постоянно в атмосферу веществ, представляет основную угрозу для пригодности атмосферного воздуха к дыханию.

Что такое озон

Как уже говорилось, газовый состав меняется от одного слоя атмосферы к другому. Кислород вблизи земной поверхности существует в виде двухатомных молекул, а вот в разреженных слоях атмосферы он подвергается диссоциации на атомы под действием солнечной радиации. Таким образом, где то на высоте 40 км содержание атомарного кислорода уже значительно, а на высотах 120-150 км молекулы O2 практически отсутствуют.

На относительно невысоком расстоянии от земной поверхности - около 20-35 км атомарный кислород, будучи достаточно активным, образует с молекулярным кислородом трёхатомные молекулы озона O3. Это высота озонового слоя Земли. Важность его в том, что он защищает поверхность Земли, задерживая ультрафиолетовые лучи. Сами по себе молекулы озона непрозрачны для ультрафиолетовой радиации Солнца и почти полностью поглощают ей. С другой стороны озоновый слой задерживает около пятой части инфракрасного теплового излучения с Земной поверхности, обеспечивая таким образом стабильный тепловой режим для всего живого.

Примечательно, что озоновый слой появился примерно 500-400 млн. лет тому назад и с тех самых пор природное равновесие жизни на Земле поддерживается благодаря ему. Озон в долевом отношении составляет миллионные доли всего воздуха планеты, но этого достаточно для поддержания условий, пригодных для жизни.

Основными «врагами», или разрушителями, озонового слоя являются фреоны, газообразные загрязнители холодильной промышленности, парфюмерного производства, а также ряда других отраслях человеческой деятельности. Основными производителями фреонов являются:

• Европа – 40%.
• США – 35%
• Япония – 10%
• СНГ – 12%.

Влияние фреона вблизи поверхности практически отсутствует, здесь он – инертный газ. Когда же он, испаряясь, достигает озонового слоя, то он становится атомарным газом под воздействием солнечной радиации в виде ультрафиолетового излучения, а затем вступает в реакцию с озоном. Получаемый в ходе этой реакции монооксид хлора и молекулярный кислород не выполняют роли поглотителей ультрафиолетовых лучей и они доходят до Земли.

Люди давно уже знают про существование «озоновых дыр» и пока что сложно сказать что-либо определённое об их происхождении; однако достоверно известно, что, например, в Антарктиде не только вдвое меньше озона в атмосфере, там в сотни раз выше нормы концентрация монооксида хлора.

Что предпринимается

Дебаты по кислороду и, в особенности, по озону продолжаются. На сегодняшний день к достижениям человечества можно отнести подписание ряда протоколов: от Венской конвенции 1985 г. об охране озонового слоя странами-производителями фреона до недавнего Киотского соглашения 2009 года. Это последнее международное соглашение подписано 181 страной мира, на которые приходится свыше 61% всех выбросов в атмосферу в мире.

В отношении шагов по сохранению атмосферы и её озонового слоя в частности можно сказать, что достаточно активно ведётся работа по уменьшению выбросов фреона в атмосферу (утилизация отработанного фреона, замещение фреона сжатым воздухом в аэрозольных упаковках и т.д.). С другой стороны, проводятся многочисленные кампании по сбережению лесов и предотвращению загрязнения мирового океана, которые уже приобрели статус международных.

Продолжая тему важнейших для жизни элементов и веществ, сегодня говорим о кислороде. Без кислорода не было бы жизни на Земле - по крайней мере в том виде, в котором мы ее знаем!

Кислород - неметалл, обозначаемый в таблице Менделеева буквой «О» от Oxygenium (рождающий кислоты). Открытие кислорода стало большим событием в истории химии как науки. Знаменитый ученый А. Лавуазье сумел правильно интерпретировать открытия химиков Пристли и Шееле, доказав, что горение поддерживает новый простой элемент «кислород», содержащийся в воздухе, а не мифический флогистон («сверхтонкая материя», наполняющая горючие вещества и освобождающаяся при горении). Для этого ученый взвесил золу сожженных веществ и выяснил, что ее вес превышает вес исходного материала. Эти данные противоречили теории флогистона, который, теоретически, должен был улетучиться, сделав конечный продукт легче.

Кислорода на Земле очень много - больше, чем какого-либо другого элемента. В основном он содержится в связанном виде в земной коре в виде силикатов, карбонатов, сульфатов, оксидов железа, кварца и т.п. Всего примерно в полутора тысячах соединений . Почти половина массы твердой земной коры - это кислород. Еще больше его в воде - более 80%, связанного и растворенного. В воздухе - 23% по массе. Он содержится в каждой клетке живых организмов, в белках, углеводах, жирах; может составлять до 85% массы.

3,5 млрд. лет назад на Земли свободного кислорода было очень мало. Его постепенное накапливание в атмосфере и океане связывают с фотосинтезирующими археями (одноклеточными организмами). По мере увеличения содержания свободного кислорода доминирующее положение заняли организмы с клеточным дыханием, анаэробы, оказавшиеся более энергетически эффективными, чем аэробы, не потребляющие кислород.

Больше всего О 2 в атмосфере было в конце каменноугольного периода, 300 млн. лет назад - до 35% по объему. С этим фактом многие ученые связывают бурное развитие крупных форм жизни - гигантских насекомых и земноводных.

Большинство живых организмов на нашей планете, кроме некоторых видов микроорганизмов-анаэробов, получают энергию за счет окисления, под влиянием кислорода, питательных веществ в клетках.

Свойства

В обычных условиях кислород - газ без цвета, вкуса и запаха. Существует в двух аллотропных состояниях: О 2 и озон О 3 . Озон - тоже бесцветный газ, но с резким своеобразным запахом. Обычная молекула О 2 превращается в молекулу озона под воздействием ионизирующего излучения. Мало растворим в воде. При сильном охлаждении (t -183 °С) кислород сначала становится голубой жидкостью, потом кристаллизируется в синие кристаллы (при t -218 °С).

С точки зрения химии, кислород - очень активный элемент, уступающий в этом плане только фтору. Вступает в реакции практически со всеми элементами и большинством сложных соединений - иногда в обычных условиях, но чаще в присутствии катализатора, при высоких температурах, под действием электрического разряда или уф-излучения. Инертны к кислороду только золото, платина, тяжелые инертные газы. Во всех реакциях (кроме взаимодействия со фтором) кислород выступает окислителем. Большинство реакций экзотермические, происходят с выделением большого количества тепла и света, физически выражающегося в процессе, который мы называем горение. Впрочем, окисление может быть и медленным - так окисляются многие органические соединения растительного происхождения. Эндотермической реакцией является, например, окисление азота.

Озон еще более активно вступает в химические реакции. Озоновый слой в верхних слоях атмосферы поглощает основную часть ультрафиолетового спектра излучения Солнца, губительного для живых организмов на Земле.

В бинарных соединениях кислород проявляет степень окисления -2. Такие соединения называются оксидами, например, оксид титана TiO 2 , окись цинка ZnO, фосфорный ангидрид P 2 O 5 . Кроме этого он образует соединения с другими степенями окисления:
пероксиды (перекиси), степень окисления -1, перекись водорода Н 2 О 2 , пероксид бария ВаО 2 и др.;
супероксиды (надпероксиды), степень окисления -1/2, КО2 (К 2 О 4), RbO 2 (Rb 2 O 4);
озониды, степень окисления -1/3, NaO 3 , КО 3 , RbO 3 и CsO3;
фториды, степень окисления +1 монофторид кислорода (O 2 F 2) и +2 дифторид кислорода (OF 2).

В следующей статье мы расскажем о способах получения и применения кислорода, а также о том, чем иногда он может быть опасен.

Глобальная катастрофа неизбежна?

Трагедия человечества заключается в том, что в природе не существует естественных процессов обратного разложения воды и окислов железа на составляющие, когда кислород возвращался бы в атмосферу, а водород и железо оставались бы в природе в чистом виде.

Согласно заключению специалистов Римского клуба, с 1970 года вырабатываемый всей растительностью Земли кислород не компенсирует его техногенное потребление, и дефицит кислорода на Земле с каждым годом возрастает.

Если бы такие процессы были, мы могли бы утверждать, что его объем постоянен. Но этого нет. Поэтому одной из возможных причин будущей глобальной катастрофы может быть именно безвозвратное уничтожение кислорода атмосферы водородом нефти и газа, а также окислами железа; при этом образуются трудно разлагаемые соединения, такие как ржавчина и вода. Беда человечества состоит в том, что ученые вовремя не увидели опасность использования углеводородов и железа, добыча которых выдавалась за "прогресс".
Но уничтожение крайне редкого во Вселенной кислорода, а через него уничтожение биологической жизни - это не прогресс, а преступление перед человечеством и жизнью.

Примечание А.Колтыпина . Представленные в статье И.Г.Катюхина данные не могут оставить равнодушным ни одного жителя Земли. Если они верные, то человечеству, действительно, в скором времени может грозить очень серьезная экологическая катастрофа .
Специалисты, знакомые с балансом минерального сырья в недрах Земли, могут возразить. Их доводы будут примерно следующими: "Через 70-100 лет запасы нефти и газа на Земле иссякнут. Людям просто нечего будет сжигать. Значит, баланс кислорода на Земле восстановится ".
Но так ли это. Во-первых, к этому времени еще больше уменьшится (если не будет принято радикальных запретительных мер в масштабе всей планеты) количество площадей, занятых зеленой растительностью. Значит, кислорода все-таки не будет вырабатываться столько, сколько в предыдущие годы.
Во-вторых, пришедшие на смену двигателям, работающих на бензине, водородные двигатели (их разработка и испытание сейчас активно проводится во многих автомобилестроительных компаниях) будут нести в себе гораздо большую угрозу для дальнейшего уничтожения кислорода (эту тревогу несколько лет назад "забили" экологи многих стран мира). Дело в том, что выделяемый в процессе их эксплуатации "экологически чистый" водород будет незамедлительно реагировать с кислородом атмосферы и переводить его в не разлагаемую воду.
Одним словом проблема не уменьшится, а только усугубится. О том, насколько она серьезна, Вы можете сами судить из заключения Российской Академии наук, любезно предоставленного И.Г. Катюхиным, и из разъяснения по нему самого И.Г.Катюхина.

Заключение Российской Академии наук по материалам Катюхина И.Г
(с небольшими не существенными сокращениями)

.... Из...(представленных выше И.Г.Катюхиным данных) можно извлечь вполне разумное предостережение о глобальной экологической проблеме, с которой столкнулась современная цивилизация.
Поскольку неуклонно возрастающая энерговооруженность человечества обеспечивается, в основном, за счет сжигания ископаемого топлива (нефть, газ, уголь и т.д.), прогрессивно растет и скорость техногенного потребления атмосферного кислорода. Так, например, для сжигания 1 т природного газа необходимо израсходовать около 4 т кислорода (для нефти-около 3 т и т.д.), который, переходя в состав Н2О и СО2, теряется безвозвратно (особенно, преобразуясь в воду).
Проблема неоправданно высокого техногенного потребления кислорода поднималась нами перед научной общественностью неоднократно. Как показали оценки, проведенные совместно с сотрудниками Минприроды и Отдела лесных технологий Миннауки, ежегодное мировое техногенное потребление кислорода составляет примерно 3х10 в 10 ст. т. Такой расход кислорода с учетом гетеротрофного дыхания не полностью компенсируется за счет фотосинтеза в фитосфере Земли, где определяющую роль играет лесная экосистема, содержащая до 70-90 % биосферного углерода. Уже сегодня дефицит кислорода составляет около 10 в 10 ст. т/год, в результате чего запасы атмосферного кислорода неуклонно уменьшаются. Учитывая непрерывно прогрессирующий рост энергопотребления (и, соответственно, техногенного потребления кислорода), а также непрерывное хищническое уничтожение лесопокрытых территорий (в среднем лес восстанавливается лишь на 5 % вырубок), темпы уменьшения запасов кислорода в атмосфере Земли при современном состоянии дел будут возрастать. Эту роковую черту неспособности компенсировать техногенное потребление кислорода за счет фитосферного фотосинтеза наша цивилизация прошла еще в 70-е годы, когда Римский клуб констатировал нулевой баланс.
Хотя убыль запасов кислорода в атмосфере мы ощутим не в самом ближайшем будущем, уже сейчас, пока еще не слишком поздно, человечество должно проявить политическую волю и изменить свое отношение к средо - и ресурсообразующим функциям фитосферы (в основном, леса).... Каждый техногенный мегаполис (и прежде всего, Москва) должен иметь "в своей заботе" кислородную фитофабрику - лесные массивы, компенсирующие его потребности в кислороде.

Один известный западный исследователь как-то в сердцах сказал: - Либо люди смогут сделать так, чтобы на нашей планете стало поменьше дыма, либо же дым сделает так, что на ней станет значительно меньше людей!..

Ученые из ООН провели исследование и подсчитали: население планеты расходует сегодня столько кислорода, сколько могло хватить для дыхания сорока восьми миллиардам людей.

Кто же все-таки виновен в этом страшном «преступлении»? Виной тому - выхлопные газы автомобилей. В Киеве, как и в другом современном и очень развитом городе нашей планеты, так много машин, что прохожему не продохнуть. Тысяча современных автомобилей способна выбросить в атмосферу за день более трех тонн угарного газа. Он обладает неприятным свойством, в двести - триста раз быстрее попадает в кровь, чем кислород, и вызывает отравление.

Города мира живут, по выражению одного ученого, «присев на корточки». Возникла даже новая разновидность малокровия - «анемия привратников» . Тяжелые газы и копоть, оседая на землю, держатся на уровне первых этажей. На высоте третьего - четвертого этажа воздух уже почище. И люди, которым приходится работать многие часы у ворот или подъездов гостиниц, куда непрерывно подъезжают автомобили, чаще других заболевают от «грязного» воздуха. Именно по этому мы настоятельно рекомендуем купить кислородный концентратор домой или в офис.

Чтобы помочь своему организму насытить ткани кислородом, можно купить кислородные коктейлеры . Кислородный коктейль - это немного сладковатая пена, полученная из обогащенной смеси, приготовленной на основе растительных экстрактов шиповника и аскорбиновой кислоты с добавлением воды.

Постоянство атмосферы - важное условие жизни и развития её на Земле. Это постоянство обусловлено физическими законами. Но в недавнем времени возникли сомнения - не нарушены ли эти законы? Некоторые исследователи полагают, что кислород исчезает из нашей атмосферы. По расчетам его количество в атмосфере планеты снижается каждый год более чем на 10 миллиардов тонн.

На каждого жителя планеты приходится около 2-х миллионов тон воздуха, из которых 400 тысяч тонн - кислород. Как всем известно, земные растения планеты ежегодно пополняют запас атмосферы солидной порцией в 400 миллиардов тонн. Значит, 10 миллиардов тонн - сущий пустяк и по этому поводу можно бы не очень волноваться. Чего уж там загадывать на 100 тысяч лет вперед! Но темпы «утечки» возрастают. И очень возможно, что нехватка живительного газа начнет ощущаться уже в конце века.

Потребление кислорода на нашей планете быстро увеличивается с каждым годом. Куда же его он уходит? На дыхание возрастающего в числе населения? Нет, такое предположение было бы уж очень наивно. Кислорода в атмосфере хватит для дыхания многих десятков миллиардов людей. Пожирают кислород в неизмеримых количествах все те же автомобили, фабрики и заводы. В замен они оставляют атмосфере вредные газы.

Автомобиль, проехав 900 километров, «съест» такое количество кислорода, сколько обычный человек израсходует на дыхание за один год. А по земле на данный момент ездят более 1 млрд. автомобилей. 1 млрд. выхлопных труб!

Все перемены климата на Земле совершались до сего времени самой природой, без участия человека. Но влияние человека на климат всей планеты, до недавнего времени незначительное, быстро усиливается.

И уже через несколько десятков лет климат на больших территориях может претерпеть изменения под воздействием современной цивилизации. Какие же перемены ожидаются - дурные или благотворные? Вряд ли найдется сейчас на свете ученый, который даст прямой ответ на этот вопрос. Так как приходится иметь дело с чрезвычайно сложными и малоизученными явлениями…

Говорят так: если планету нашу уменьшить до размеров апельсина, то атмосфера Земли соответственно не превысит толщины папиросной бумаги, в которую апельсин заворачивают. Рвать и портить такую драгоценную обертку очень опасно.

В которой экспериментально подтверждают свою гипотезу, объясняющую появление на Земле кислорода нерастительного происхождения.

Почти все живое использует для дыхания кислород. Не вникая особенно в физику и химию процессов клеточного дыхания, скажем, что выбор эволюции пал на кислород из-за его высокой способности к окислению, то есть тому, чтобы легко присоединять лишний электрон. Электрон поступает в электротранспортную цепь от НАДH или ФАДH 2 путешествует по ней, и все заканчивается синтезом молекулы АТФ - материальным эквивалентом запасенной энергии и присоединением электрона к кислороду. Вся эта реакция становится возможной, потому что такой перенос электрона энергетически выгоден, а это частично обусловлено свойствами кислорода.

Когда жизнь на Земле зарождалась, кислорода в атмосфере практически не было, как нет его сегодня на Венере или Марсе. Древние бактерии были вынуждены использовать другие окислители , зачастую энергетически менее выгодные, зато доступные. NO 3 - , NO 2 - , Fe 3+ , фумарат и диметилсульфоксид, используемые некоторыми видами бактерий, обладают более высоким окислительно-восстановительным потенциалом и менее выгодны в качестве окислителей. Многие бактерии, использующие один из этих окислителей, способны также и к кислородному дыханию. При наличии кислорода они дышат им (это выгоднее), а когда кислорода нет, - другим своим окислителем (надо же как-то). Серосодержащие окислители (S, SO 4 -) обладают более низким окислительно-восстановительным потенциалом. Это, однако, делает кислород токсичным для соответствующих микроорганизмов, и в атмосфере, содержащей кислород, они погибают. У более высокоорганизованных жизненных форм анаэробное дыхание встречается редко и почти никогда не служит основным источником энергии.

Могли ли высокоразвитые формы жизни использовать в качестве окислителя не кислород? Кислород в качестве окислителя энергетически выгоднее большинства других субстратов (чем ниже окислительно-восстановительный потенциал окислителя, тем больше энергии выделяется при прохождении электрона через электротранспортную цепь). Значит, дышащие кислородом организмы обладали более эффективным метаболизмом, были лучше адаптированы. С энергетической точки зрения серосодержащие субстраты тоже вполне выгодны. Проблема, правда, заключается в том, что обладатели такого типа дыхания гибнут в присутствии кислорода. До сих пор не вполне понятно , почему именно это происходит. То есть, если бы в атмосфере Земли не появился кислород, со временем обладатели сульфатного дыхания могли бы эволюционировать и дальше. Но кислород появился, и им пришлось отправиться в «резервации», куда кислород не поступает.

Вопрос в том, откуда появился кислород. На сегодняшний день в атмосфере Земли примерно 20% кислорода. В таких огромных количествах его выделяют фотосинтезирующие растения, в основном, деревья и водоросли. Но фотосинтезирующие растения сами теперь в большинстве своем дышат кислородом. Чтобы в ходе эволюции мутации, позволяющие дышать кислородом, закрепились, это должно быть выгодно, значит, должен быть кислород. В большом количестве кислород на Земле появился благодаря цианобактериям . Это азотфиксирующие бактерии, умеющие фотосинтезировать. То есть массово кислород появился на Земле как побочный продукт фотосинтеза. Это событие называют «Кислородной катастрофой », видимо, за масштаб последствий.

А вот на вопрос о том, был ли кислород до этого, остается открытым. Последние 40 лет все увереннее стали говорить, что кислород был и до Кислородной катастрофы, и вот теперь возможность его существования подтверждена экспериментально.

До сегодняшнего дня был известен только один способ возникновения молекулярного кислорода в тогдашних условиях. Он состоит из двух стадий: диссоциации углекислого газа под воздействием солнечного ультрафиолета на угарный газ и атомарный кислород и реакции двух атомов кислорода, требующей третьего участника: атомы объединяются в молекулу, а носитель (M) уносит лишнюю энергию.

CO 2 + hν(UV) → CO + O

O+O+M → O 2 + M

Однако же расчеты, а затем и эксперимент, проведенные авторами обсуждаемой статьи показали, что кислород может под действием ультрафиолета образовываться из углекислого газа в один шаг:

CO 2 + hν(UV) → C+O 2

В эксперименте использовался лазер с длиной волны 200 нм, свет с такой длиной волны обычно поглощается атмосферой, поэтому реакция должна была протекать в верхних ее слоях. Такая реакция может и сейчас, когда содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается, происходить в верхних слоях атмосферы Земли, а может и в атмосферах других планет.