Кислород и углекислый газ
Жизнь на планете выбрала окислительную атмосферу и уничтожила восстановительную [4, 6]. Современная атмосфера содержит незначительные количества углекислого газа и громадное по сравнению с ним количество кислорода.
Фотосинтезирующие организмы (растения) являются регуляторами содержания кислорода и углекислого газа на планете (рис. 5).
За счет потока солнечной энергии вращается «колесо жизни»: осуществляются метаболические процессы, поддерживающие метастабильное состояние живых организмов.
Глобальные контуры круговорота веществ свидетельствуют, что существенных изменений кислородного состава атмосферы не происходит.
Кислород является не только окислителем в реакциях, которые служат источником энергии, но и строительным материалом тканей живых организмов, совместно с углекислым газом и другими макроэлементами.
Значительное количество кислорода входит в состав белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот, минеральных веществ. Например, человек состоит примерно на 70% из воды. Вода же в свою очередь на 88,8% состоит из кислорода.
О2
и СО2 в
атмосфере
Выделение О2 в
атмосферу в результате фотосинтеза
Поглощение О2 из
атмосферы в результате клеточного
дыхания
Выделение СО2 в
атмосферу в
результате клеточного дыхания, горения
Поглощение СО2 из
атмосферы в
результате фотосинтеза
Биомасса растений
Рис. 5. «Безотходная» природная технологическая система кругооборота кислорода и оксида углерода (IV), осуществляемая растениями
«Легкие» планеты – растения, занимающие территорию суши (леса, травы) и воды Мирового океана (водоросли, фитопланктон), поддерживают концентрацию кислорода постоянной.
Иначе обстоит дело с углекислым газом. На основании анализа пузырьков воздуха, сохранившихся во льдах Гренландии с 1300 г., установлено, что концентрация углекислого газа в атмосфере семь веков тому назад составляла 0,027 об. %.
На рис. 6 показан неуклонный рост концентрации углекислого газа в атмосфере. Темпы роста увеличиваются. Если за 658 лет (с 1300 по 1958 гг.) содержание углекислого газа повысилось с 0,027 до 0,031 об.%, то в течение последних 40 лет произошло увеличение его концентрации до 0,0365 об.%. На фоне незначительной концентрации углекислого газа в атмосфере изменение его относительного количества становится заметным.
0,037
0,036
0,035
0,034
0,033
0,032
0,031
1958
1968
1978
1988
1998
Годы
Рис. 6. Результаты измерений содержания углекислого газа в воздухе, полученные с1958 по 1998 гг. (данные обсерватории Мауна-Лоа, Гавайские острова) [2]
Одной из причин нарастания содержания углекислого газа в атмосфере является техногенное воздействие на окружающую среду. Об этом можно судить по такому примеру. В 1950 г. промышленность выбросила в атмосферу 5,8109 т углекислого газа, а в 1980 г. выбросы составили уже 19,3109 т.
Происходит интенсивное сжигание ископаемого топлива (каменного угля, природного газа), накопленного живой природой в течение сотен миллионов лет. Сжигаются продукты переработки нефти (мазут, керосин, бензин, дизельное топливо) тепловыми станциями, промышленными предприятиями и транспортом. Разрушаются почвы, уничтожаются леса. Тем самым создаются условия для выброса в атмосферу техногенного углекислого газа (рис. 7).
СО2
О2
О2
СО2
Техногенные
процессы
СО2
О2
Сжигание ископаемого
топлива
Биомасса растений
О2
и СО2 в
атмосфере
Рис. 7. Нарушение «безотходной» природной технологической системы кругооборота кислорода и оксида углерода (IV) за счет сжигания ископаемого топлива
Но, может быть, самым опасным источником углекислого газа являются глубинные воды мирового океана. Это более мощный резервуар растворенного углекислого газа, чем атмосфера. В глубинных водах океана его в 63 раза больше, чем в атмосфере. Предполагается, что выделение океанического углекислого газа может оказаться решающим фактором изменения климата на Земле.
МЕТАН.
Метана СН4 в атмосфере немного. Наряду с углекислым газом он создает парниковый эффект, поэтому изменение его концентрации неизбежно скажется на тепловом балансе атмосферы. За последние 150 лет его концентрация в атмосфере увеличилась почти в два раза.
Парниковый эффект свойство атмосферы пропускать солнечную радиацию, но задерживать земное излучение и тем самым способствовать аккумуляции тепла Землей.
Источником метана являются природные газовые месторождения, которые интенсивно разрабатываются. Газ транспортируется на громадные расстояния, сжигается в топках электростанций, в газовых горелках бытовых приборов. Потери газа неизбежны при его потреблении. К этому следует добавить увеличение посевных площадей рисовых полей. Такие поля служат причиной увеличения количества метана в атмосфере за счет деятельности метанобразующих бактерий в слое ила.
ИНЕРТНЫЕ ГАЗЫ
Это прежде всего аргон Ar,
гелий He
и радон Rn,
которые образуются при распаде
радиоактивных веществ, содержащихся в
земной коре. Аргон образуется при распаде
радиоактивного калия
в
результате захвата ядром одного электрона
из окружающей ядро электронной оболочки:
Ar
U
He
+
Th
U
He
+
Th
Pb
Гелий и радон получаются в результате распада ядер урана и тория. Гелий постепенно улетучивается из атмосферы в космическое пространство. Остальные инертные газы накапливаются в атмосфере.
ОЗОН
Количество озона О3 в атмосфере ничтожно даже по сравнению с водородом (табл. 1). Тем не менее, в стратосфере в результате фотохимических реакций поддерживается его относительно постоянная концентрация. Причиной образования озона в стратосфере является излучение Солнца.
На высоте 30 – 50 км УФ-излучение ( = 240 нм) вызывает распад молекул кислорода:
О2 + hi О + О.
Ниже 30 км поток УФ-излучения резко уменьшается и диссоциация кислорода не идет, поэтому основное количество озона образуется в средней и верхней части стратосферы по реакции:
О2 + О + М О3 + М*,
где М и М* – невозбужденная и возбужденная молекулы, например, Н2О, СО2.
Среднемесячное содержание озона на высоте 20 – 25 км над поверхностью Земли соответствует толщине слоя 0,23 – 0,52 см при атмосферном давлении и комнатной температуре. Этого количества достаточно для защиты живых организмов от поражающего действия солнечной радиации.