Какой же был источник кислорода на Земле

Государственное бюджетное образовательное учреждение дополнительного

образования детей Дворец детского (юношеского) творчества

Пушкинского района города Санкт-Петербурга

Государственное бюджетное образовательное учреждение средняя школа №530

с углубленным изучением предметов естественно-математического цикла

Пушкинского района города Санкт-Петербурга

ТЕМА РАБОТЫ:

«Источники кислорода на нашей планете»

Работу выполнила ученица 2б класса

ГБОУ школы № 530 с углубленным изучением

предметов естественно – математического цикла:

Комбурлей Ксения

Руководитель: Янсон Лина Викторовна,

учитель начальных классов

Санкт-Петербург - Пушкин

2016 год

Содержание

Введение………………………………………………………………………………... 3

Гипотеза, цель исследования…………………………………………………………. 4

Задачи……………………………………………………..……………………………. 4

Глава 1. Литературный обзор

Глава 2. Практическая часть

Выводы…………………………………………………………………………………. 17

Заключение ……………………………………………………………………………. 18

Список литературы……………………………………………………………………. 19

Введение

Часто мы слышим, что деревья являются главным источником кислорода на планете. Но так ли это? В своей исследовательской работе я попыталась узнать, действительно ли деревья являются основным источником кислорода или есть у него и другое происхождение.

Доля кислорода в составе воздуха – 21 %. Весь кислород, которым дышат почти все живые существа нашей планеты, выделен растениями в процессе фотосинтеза – процесса, протекающего в зеленых клетках листьев растений на свету. Из простых веществ, образуются сложные химические соединения, которые потом выделяются в кислород. Этот необходимый для жизни газ поднимается в атмосферу и потом равномерно распределяется по ней.

Лесов на нашей планете с каждым годом становится все меньше и меньше. Почему же мы не ощущаем нехватку кислорода? Недавно, смотря телепередачу, я услышала, что Мировой океан называют «легкими планеты». Мне стало интересно, причем здесь океан, если это огромное количество воды. Оказывается, в воде кислород вырабатывают в результате фотосинтеза живущие в толще воды фитопланктоны.

Я решила изучить различную литературу, интернет ресурсы, а также провести опыты и узнать, что же в действительности является основным источником кислорода на нашей планете.

Гипотеза

Возможно ли что кислород, вырабатываемый в водах Мирового океана в огромном количестве, поступает в атмосферу, а не только используется обитателями океана?

Цель исследовательской работы:

Выяснить, что является основным источником кислорода на нашей планете и почему Мировой океан называют «легкими планеты».

Задачи

Собрать информацию по интересующей теме.

Ознакомиться с процессом фотосинтеза – главным источником кислорода на Земле.

Найти ответ на вопрос:

Куда еще кроме дыхания используется кислород, и в каком количестве?

Изучить основные источники кислорода и провести сравнительный анализ.

Обобщить результаты работы и сделать выводы.

Глава 1. Литературный обзор

1.1 В Мировом океане

Всей своей поверхностью Мировой океан соприкасается с атмосферой. И естественно, что на рубеже этих стихий между ними происходит интенсивный обмен. В обоих направлениях перемещаются газы, влага и тепло. Ежедневно в атмосфере в виде паров находится около 13 тысяч кубических километров воды. Этот постоянный фонд влаги все время пополняется за счет испарения воды с поверхности океана и расходуется, выпадая на поверхность планеты в виде осадков.

Общая масса воды, которую океан отдает атмосфере, составляет около 355 тысяч кубических километров в год. Обратно же, из воздуха в море, возвращается только 320 тысяч кубических километров. Остальная вода (35 тысяч кубо-километров), прежде чем вернуться в океан, проходит сложный цикл на суше.

Таким образом, только одна десятая часть того огромного количества влаги, которое испаряется с поверхности Мирового океана, орошает леса и поля, а девять десятых циркулируют в замкнутой системе «море - атмосфера».

В нижних слоях атмосферы воздух состоит из 78 процентов азота и 21 процента кислорода (кроме того, в нем имеются инертные газы, водород и углекислота, в сумме составляющие 1 процент объема). Растворимость разных газов в воде неодинакова; там, кислород растворяется в ней значительно легче азота, поэтому объемное соотношение кислорода к азоту в океанических водах равно 1:2, а не 1:4, как в воздухе.

Кислород, растворенный в водах Мирового океане, полностью обеспечивает потребность морских организмов, за его счет происходит также окисление органических и минеральных продуктов. Тем не менее в воде постоянно имеются излишки кислорода, который улетучивается в атмосферу. Особенно обильно он поступает в атмосферу в местах произрастания морских растений, в первую очередь одноклеточных планктонных водорослей.

Ученые предполагают, что весь кислород воздушной оболочки нашей планеты образовался за счет фотосинтеза и его наличие в атмосфере поддерживается зелеными растениями. Как известно, в ХХ столетии в результате роста городов и промышленных предприятий площадь суши, занятая зелеными растениями, резко сократилась. Особенно катастрофически уменьшаются лесные массивы, дающие немалую долю кислорода, синтезируемого наземной растительностью.

В этой связи роль океана в регенерации воздушной оболочки Земли еще более возрастает. Мировой океан не только обогащает атмосферу кислородом, но и способствует удалению из нее углекислого газа, который образуется в результате дыхания живых организмов и как одно из следствий разрушения горных пород и вулканической деятельности. Относительное количество этого вещества в воздухе ничтожно и равно (по объему) 0,03 процента. Однако роль его в становлении глобальных климатических условий и для нормального развития жизни совершенно несоразмерна со столь малой величиной.

1.2 Что такое кислород?

Так что же такое кислород? Кислород – это невидимый газ, без вкуса, лишен запаха, газообразен при обычных условиях.

Многие ученые прошлого догадывались, что существует вещество со свойствами, которые, как мы теперь знаем, присущи кислороду.

Кислород открыли почти одновременно два выдающихся химика второй половины XVIII в. швед Карл Вильгельм Шееле и англичанин Джозеф Пристли. Шееле получил кислород раньше, но его трактат «О воздухе и огне», содержавший информацию о кислороде, был опубликован позже, чем сообщение об открытии Пристли.

Кислород самый распространенный элемент на нашей планете. Он входит в состав воды (88,9%), а ведь она покрывает 2/3 поверхности земного шара, образуя его водную оболочку гидросферу. Кислород вторая по количеству и первая по значению для жизни составная часть воздушной оболочки Земли атмосферы, где на его долю приходится 21% (по объему) и 23,15% (по массе). Кислород входит в состав многочисленных минералов твердой оболочки земной коры литосферы: из каждых 100 атомов земной коры на долю кислорода приходится 58 атомов.

Как вы уже знаете, обычный кислород существует в форме О 2 . Это газ без цвета, запаха и вкуса. В жидком состоянии кислород имеет светло-голубую окраску, в твердом - синюю. В воде газообразный кислород растворим лучше, чем азот и водород.

Кислород участвует и в процессах медленного окисления различных веществ при обычной температуре. Эти процессы не менее важны, чем реакции горения. Так, медленное окисление пищи в нашем организме является источником энергии, за счет которой живет организм. Кислород для этой цели доставляется гемоглобином крови, который способен образовывать с ним непрочное соединение уже при комнатной температуре. Окисленный гемоглобин оксигемоглобин доставляет во все ткани и клетки организма кислород, который окисляет белки, жиры и углеводы (составные части пищи), образуя при этом углекислый газ и воду и освобождая энергию, необходимую для деятельности организма.

Исключительно важна роль кислорода в процессе дыхания человека и животных.

Растения также поглощают атмосферный кислород. Но если в темноте идет только процесс поглощения растениями кислорода, то на свету протекает еще один противоположный ему процесс - фотосинтез, в результате которого растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Так как процесс фотосинтеза идет более интенсивно, то в итоге на свету растения выделяют гораздо больше кислорода, чем поглощают его при дыхании. Таким образом, содержание свободного кислорода Земли сохраняется благодаря жизнедеятельности зеленых растений.

1.4 Фотосинтез

Фотосинтез – это образование сахаров из воды и углекислого газа за счет энергии солнечного света, при котором выделяется «отход производства» - кислород, необходимый почти всем организмам для дыхания. При дыхании вновь образуется углекислый газ, нужный для фотосинтеза. Фотосинтез поддерживает баланс этих двух газов в атмосфере.

Солнечную энергию для фотосинтеза улавливает пигмент хлорофилл, придающий зеленый цвет траве и листьям. Этот пигмент играет в фотосинтезе главную роль.

У водорослей хлорофилл содержится в хроматофорах (пигментсодержащие и светоотражающие клетки), имеющих различную форму. У бурых и красных водорослей, обитающих на значительной глубине, куда затруднен доступ солнечного света, имеются другие пигменты. Фотосинтезирующие организмы располагаются в самом низу пищевой пирамиды, поэтому является источником пищи для всего живого на планете. Выделяющийся при фотосинтезе кислород поступает в атмосферу. В верхних слоях атмосферы из кислорода образуется озон. Озоновый экран защищает поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения, что сделало возможным выход живых организмов на сушу.

Глава 2. Практическая часть

2.1 Растения поглощают из воздуха углекислый газ и выделяют кислород.

Я решила провести опыты и доказать, что зеленые растения поглощают из воздуха углекислый газ и выделяют кислород.

Ход опыта:

Кладем в одну банку листья, сорванные с комнатного растения. Вытесняю при помощи свечки из банки кислород, т.е. в процессе горения в закрытой банке кислород превращается в углекислый газ, и свечка гаснет. Плотно закрываю банку крышкой.

Тоже проделываем с банкой без листьев

В результате опыта у меня остаются 2 закрытые банки, содержащие углекислый газ, при этом одна банка пустая, а в другой листья комнатного растения.

Банки плотно закрываем и оставляем на 2 дня, при этом они находятся под воздействием солнечного и искусственного света (свет ламп).

Через двое суток аккуратно приоткрываем банку с листьями (надо заметить, что на стенках банки образовалось небольшое кол-во влаги) и опускаем в нее горящую свечку. Свеча горит, значит, появился кислород, т.к. он необходим для горения.

Такой же опыт проделываем со второй банкой, свечка тухнет.

Вывод:

Воздух в банке с листьями, стоявшей на свету, изменился - в ней появился кислород;

Во второй банке изменений не произошло.

Итак, листья на свету вырабатывают кислород.

Тут у меня возникает вопрос: если на зиму на значительной части Земли деревья и кустарники сбрасывают листья, то почему мы не ощущаем недостатка кислорода?

Я продолжила свое исследование.

2.2 Пути утилизации кислорода

Изучая роль кислорода в атмосфере, я выяснила, что убыль молекулярного кислорода из атмосферы происходит не только в результате дыхания.

Человеку в сутки для дыхания нужно около 830 грамм кислорода, в год – 302, 95 кг кислорода. Одно дерево в среднем вырабатывает в день 2,5 кг кислорода, в год – 912,5 кг кислорода. Известно, что 50 кв. м зеленого леса поглощает за 1 час углекислого газа столько же, сколько выделяет при дыхании за 1 час один человек, т.е. 40 г.

Количество углекислого газа, вырабатываемого всем Человечеством (6 млрд.) за 1 сутки и количество углекислого газа, который может поглотить весь лесной массив (4 млрд. га):

50 м 2 х 24 ч = 1200 м 2 - S леса, необходимая для поглощения углекислого газа, вырабатываемого 1 человеком в сутки.

1200 х 6 млрд. = га - S леса, необходимая для поглощения углекислого газа, вырабатываемого всем Человечеством за 1 сутки.

Вычисления приблизительные, т.к. различные источники дают разные данные.

Примерная площадь лесов на планете немного превышает 4 миллиарда гектаров или 30% суши. Но не все эти земли заняты деревьями - сюда входят также поляны, дороги, просеки. Именно леса занимают около 3 миллиарда га. На планете проживает более 6 миллиардов человек. При сжигании 1 кг угля или дров расходуется более 2 кг кислорода. Это примерно кислород, вырабатываемый одним деревом.

Один легковой автомобиль сжигает 1825 кг кислорода на каждые 100 км пути. Это примерно кислород, вырабатываемый 734 деревьями. Для сгорания 1 кг бензина требуется около 300 кг кислорода,

Если помножить эти цифры на 400 млн. единиц мирового парка автомобилей, можно представить себе степень угрозы, таящейся в чрезмерной автомобилизации.

Много кислорода выделяется тропическими лесами, которые часто 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.

Таким образом, около 60 % кислорода расходуется, как это неудивительно, вовсе не на дыхание обитателей нашей планеты, а на разложение погибших организмов (гниение) и производственную деятельность человека.

Вывод: кислород не только дает нам возможность дышать полной грудью, но и выступает в роли своеобразной печки для сжигания мусора.

И так: на почётном 3 месте - наши любимые леса!

Да существует мнение, что "легкими планеты" являются леса, поскольку считается, что именно они - основные поставщики кислорода в атмосферу. Однако на самом деле это не так.

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.

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. 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 находится на 2 месте?

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.

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). 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. Весь мировой фитопланктон вырабатывает в 10 раз больше кислорода, чем нужно ему самому для дыхания.

И 1 место присуждается именно им!

Как я и предполагала, излишки улетучивается в атмосферу.

Чтобы проверить своё предположение я решила провести опыт , для чего взяла водные растения с водой из аквариума, и поместил в банку вместе с маленькими улитками.

Свеча горела в закрытой банке 15 секунд, израсходовав кислород, она погасла.

Отверстие в крышке я залепила пластилином и оставила банку на окне.

Через 2 дня.

Улитки остались живы, а свеча прогорела 5 секунд.

Вывод:

В банке из воды и углекислого газа благодаря растению снова появился кислород – часть использовали улитки, а часть потратилась на горение. Вот так, значит, происходит и в природе – газообмен между океаном и атмосферой!

Всей своей поверхностью Мировой океан соприкасается с атмосферой. И естественно, что на рубеже этих стихий между ними происходит интенсивный обмен. В обоих направлениях перемещаются газы, влага и тепло. Растения Мирового океана (занимающего площадь около 360 млн. км2) по приблизительным подсчетам способны ежегодно превращать в органическое вещество 20-155 млрд. т углерода. При этом они используют всего 0,11% падающей на поверхность Земли солнечной энергии.

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, Мировой океан занимает 70% суши и 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.

Мировой океан не только обогащает атмосферу кислородом, но и способствует удалению из нее углекислого газа, который образуется в результате дыхания живых организмов и как одно из следствий разрушения горных пород и вулканической

деятельности.

Вывод:

кислород, растворенный в водах Мирового океана, полностью обеспечивает потребность морских организмов, за его счет происходит также окисление органических и минеральных продуктов.

излишки кислорода улетучиваются в атмосферу. Особенно обильно он поступает в атмосферу в местах произрастания морских растений, в первую очередь одноклеточных планктонных водорослей.

океан удаляет излишки углекислого газа из атмосферы.

Заключение.

Как известно, в 21 столетии в результате роста городов и промышленных предприятий площадь суши, занятая зелеными растениями, резко сократилась. Особенно катастрофически уменьшаются лесные массивы. В этой связи роль океана в регенерации воздушной оболочки Земли еще более возрастает. Так что, как это ни странно, род человеческий живет и здравствует на Земле именно за счет микроскопических "кислородных фабрик", плавающих по поверхности океана. Их так же 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.

Список литературы

Валери Ле Дю «Мир моря». Москва: Махаон,2005 г.

Монин А С. История Земли. Л.: Наука, 1977..

Пимон М. Р. «Тайны моря». Москва: Махаон, 2006 г.

Степанов В. Н. Природа Мирового океана. М.: Просвещение, 1982.

Тарасов В.И. "Гидросфера": Учебное пособие. Уссурийский госпединститут, 2004г.

Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли. Л.: Гидрометеоиздат,1974

Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли. Л.: Гидрометеоиздат, 1974.

Энциклопедия знатока «Зелёная планета». Москва, «Махаон»-2006

Энциклопедия для детей. Москва «Махаон»- 2013

Энциклопедия для школьников. Москва «Махаон»- 2011

Фотосинтез – Википедия.

Мировой океан – Википедия.

Кислород – Википедия.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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.