За счет чего накапливается кислород в атмосфере

За счет чего накапливается кислород в атмосфере Анемометр

Впервые
такой анализ накопления кислорода в
атмосфере земли был проведен в 60-е годы
Л. Беркнером и Л. Маршаллом; они пришли
к выводу, что количество кислорода на
Земле росло на протяжении всей ее истории
– постоянно, но крайне медленно, и вплоть
до начала
кембрия атмосфера
оставалась практически бескислородной
(не более 1 % от его нынешнего количества).

Однако
накопленные к нынешнему моменту данные
заставляют предполагать, что насыщение
атмосферы кислородом произошло в
существенно более отдаленные времена.
В отличие от других атмосферных газов
кислород не может быть получен путем
дегазации магмы и потому отсутствовал
в первичной
атмосфере Земли ,
которая была восстановительной. Об этом
свидетельствует наличие в древнейших,
главным образом катархейских, породах
легко окисляемых, но не окисленных
(несмотря на пребывание на земной
поверхности) веществ таких, как графит
(углерод) и т. д. Небольшие количества
кислорода, образовывавшегося в результате
фотодиссоциации молекул воды под
действием жесткого ультрафиолетового
излучения, полностью расходовались на
окисление постоянно выделяемых вулканами
аммиака, закиси углерода, метана и
сероводорода. Однако начиная с
определенного момента в океанах стали
образовываться так называемые джеспилиты
(полосчатые железные руды) ,
представляющие собой чередование бедных
и обогащенных окислами железа прослоев.
Они формируются, когда двухвалентное
(закисное) железо, выработавшееся в
результате вулканической активности
и растворенное в морской воде, реагирует
в поверхностных слоях океана с молекулярным
кислородом, окисляется до трехвалентного
(окисного) и выпадает в виде нерастворимого
осадка на дно. Таким образом, начало
образования руд этого типа (состоящих
главным образом из гематита
Fe2O3 имагнетита
FeO Fe2O3 )
означает появление на Земле достаточно
мощного источника молекулярного
кислорода, каковым могут быть только
фотосинтезирующие организмы. Источник-то
кислорода возник, но Мир еще на протяжении
полутора миллиардов лет оставался
анаэробным: об этом свидетельствует
наличие в соответствующих отложениях
конгломератов из пирита
(FeS2) и
ряда других минералов, являющихся
термодинамически неустойчивыми в
присутствии кислорода. Зачастую они
представляют собой гальку с отчетливыми
следами обработки ее течением – это,
кстати, первое свидетельство существования
на Земле пресных вод. Но текучие воды
не могут не быть хорошо аэрированными,
и то, что столь легко окисляемое вещество,
как пирит, осталось неокисленным,
свидетельствует о практически
бескислородной атмосфере. Сообщества
фотоавтотрофов формируют в это время
своеобразные кислородные
оазисы (термин
П. Клауда) в бескислородной пустыне; их
возможностей хватает на создание
окислительных обстановок (и осаждение
железа в окисной форме) лишь в своем
непосредственном окружении.

Про анемометры:  Rh что это на термометре

Ситуация
радикально изменилась около 2 млрд лет
назад , когда процесс гравитационной
дифференциации недр 
привел к тому, что большая часть железа
перешла в ядро планеты и растворенное
в морской воде закисное железо не могло
уже возобновляться по мере выбывания
из цикла. Фотоавтотрофы получили
возможность завершить свою титаническую
работу по окислению закисного железа
и осаждению его в виде джеспилитов. В
дальнейшем руды этого типа уже не
образовывались. Кислород, ранее полностью
расходовавшийся на этот процесс, стал
теперь мало-помалу насыщать атмосферу;
с этого времени пиритовые конгломераты
исчезли, а на смену донноморским железным
рудам пришли терригенные красноцветы
т.е. процесс окисления железа начался
и на суше.

Именно
в это время (1,9 млрд лет назад) в
канадской формации
Ганфлинт впервые
появляются звездчатые образования,
полностью идентичные тем, что образует
ныне облигатноаэробная
марганцевоосаждающая бактерия
Metallogeniwn .
Без кислорода окисление железа и марганца
не идет, и образуемые этой бактерией
металлические кристаллы в виде характерных
“паучков” возникают только в сильно
окислительной обстановке. Это должно
означать, что в тот момент содержание
кислорода в атмосфере уже достигло
величины как минимум в 1% от современного
( точка
Пастера ).
Именно с этой пороговой концентрации
становится “экономически оправданным”
налаживание процесса кислородного
дыхания ,
в ходе которого из каждой молекулы
глюкозы можно будет получать 38
энергетических единиц (молекул АТФ)
вместо двух, образующихся при бескислородном
брожении. С другой стороны, в атмосфере
начинает возникать озоновый
слой ,
преграждающий путь смертоносному
ультрафиолету, что ведет к колоссальному
расширению спектра пригодных для жизни
местообитаний. Примерно к середине
протерозоя (1,7-1,8
млрд лет назад) “кислородная революция”
в целом завершается и Мир становится
аэробным.

Кислород –
самый распространенный на Земле элемент,
на его долю (в составе различных
соединений, главным образом силикатов)
приходится около 47,4 % массы твердой
земной коры. Морские и пресные воды
содержат огромное количество связанного
кислорода — 88,8 % (по массе), в
современной атмосфере содержание
свободного кислорода составляет 20,95 %
по объему и 23,12 % по массе. Более 1 500
соединений земной коры в своем составе
содержат кислород. Он входит в состав
многих органических веществ и присутствует
во всех живых клетках. По числу атомов
в живых клетках он составляет около
25 %, по массовой доле – около 65 %.

Про анемометры:  Устройство газовой котельной на предприятии

Земля
является единственной планетой нашей
солнечной системы, в атмосфере которой
содержится значительное количество
свободного кислорода.
Свободный кислород – необходимое
условие существования преобладающего
большинства живых организмов – сам
является продуктом жизни. Не
только весь атмосферный кислород, но и
значительная часть «ископаемого»
кислорода осадочных пород имеет
фотосинтетическое происхождение.
Процесс фотосинтеза описывается формулой

За счет чего накапливается кислород в атмосфере

СО2
+ 6Н2О
С6Н12О6
+ 6О2.

Для
того чтобы могла протекать данная
реакция, необходимо затратить энергию.
Однако только наличия всех ингредиентов
фотосинтеза для его протекания
недостаточно. В земной атмосфере
содержатся двуокись углерода и водяные
пары и она освещена Солнцем, однако нас
не заливает потоками сахара. Вероятность
возникновения соответствующей химической
реакции достаточно мала. В клетках
растений содержатся особые пигменты
(например, хлорофиллы) и ферменты,
обеспечивающие такое взаимодействие
между молекулами и энергией, при котором
вероятность возникновения химических
реакций фотосинтеза весьма велика.
Количество свободного кислорода,
образующегося под действием ультрафиолетовых
лучей за счет небиологического фотолиза
паров воды в верхних слоях атмосферы,
составляет лишь тысячные доли процента
от поставляемого фотосинтезом.
Растительный мир биосферы ежегодно
выделяет в процессе фотосинтеза около
430–470 млрд т кислорода.

Основные
ветви круговорота кислорода – образование
свободного кислорода при фотосинтезе
и его поглощение в процессе дыхания
живых организмов (рис. 10).

За счет чего накапливается кислород в атмосфере

Рис.
10. Круговорот кислорода

Итак,
появление автотрофных организмов,
способных к фотосинтезу, явилось
грандиозным шагом вперед на пути развития
жизни и эволюции всей биосферы. За время
существования фотосинтезирующих
организмов вся вода нашей планеты, весь
ее кислород и водород прошли уже много
циклов фотосинтетических превращений
и обратных процессов – окисления
органических веществ свободным
кислородом. В нашу эпоху весь кислород
атмосферы проходит через живое вещество
примерно за 2000 лет. Полный круговорот
воды, являющейся источником кислорода,
выделяемого при фотосинтезе, осуществляется
в биосфере примерно за 2 млн лет.

Лишь
при наличии молекулярного кислорода в
окружающей среде могли возникнуть и
развиваться сложные многоклеточные
организмы, получающие необходимую им
энергию окислением в процессе дыхания
органических веществ, созданных
автотрофами. Жизнедеятельность ранее
существовавших гетеротрофных организмов,
вероятно, поддерживалась за счет
брожения, субстратами для которого
служили органические соединения,
образовавшиеся химическим путем в
первичном Мировом  океане.

На
протяжении всего своего существования
биосфера оказывала огромное влияние
на процессы, происходящие в атмосфере,
литосфере и гидросфере Земли. Большую
роль в этом воздействии сыграл свободный
кислород, выделяющийся в процессе
фотосинтеза. Образование озонового
экрана,  окисление окиси углерода,
появлявшейся в результате вулканической
деятельности, накопление сульфатных
осадочных пород и т. д. – везде участвует
молекулярный кислород фотосинтеза.

Только
после возникновения фотосинтезирующих
организмов, когда в процессе их
жизнедеятельности в атмосфере нашей
планеты накопилось достаточное количество
свободного кислорода для образования
озонового
экрана,
жизнь смогла выйти на сушу. С этого
момента началась новая эпоха в развитии
и совершенствовании биосферы Земли.

Озон
(О3)

в переводе с греческого «пахнущий», газ
голубого цвета с характерным запахом
– обладает большой химической
реактивностью
и токсичностью.

Озоновый
экран
– слой атмосферы в пределах стратосферы,
лежащий на высотах 7–8 км на полюсах,
17–18 – на экваторе и до 50 км над поверхностью
планеты и отличающийся повышенной
концентрацией молекул озона (в 10 раз
выше, чем на поверхности земли), поглощающих
ультрафиолетовое излучение, гибельное
для организмов. Например, вода и воздух
иногда подвергаются озонированию для
уничтожения микроорганизмов и устранения
неприятных запахов в воде и воздухе.
На образование озона тратится около 5
% поступающей к Земле солнечной энергии.
Реакция легко обратима. При распаде
озона эта энергия выделяется, за счет
чего в верхних слоях атмосферы
поддерживается высокая температура.
Озон служит своеобразным ультрафиолетовым
фильтром: задерживает значительную
часть жестких УФ-лучей. Именно поэтому
образование озонового слоя считают
одним из условий выхода жизни из океана
и заселения суши.

Об
озоновой «драме» в Антарктиде впервые
сообщил журнал
«Nature»
в 1985 г. С тех пор результаты измерений
содержания озона подтверждают повсеместное
уменьшение озонового слоя практически
на всей планете.

«Озоновая
дыра» – это
устойчивое понижение общего содержания
озона (ОСО) на большой территории ниже
климатической нормы (с англ. – hole
– дыра, нора, яма, отверстие, углубление).
Правильнее было бы говорить: «провисание
озонового слоя». Этот термин отражает
геометрическую особенность поверхности,
представляющей собой значение ОСО

единицах Добсона) как функцию земных
координат.

Причины
возникновения «дыры» пока не совсем
ясны. Предполагается как естественное,
так и (в большей степени) антропогенное
(от выбросов фреонов и сведения лесов
как продуцентов кислорода). Большинство
экологов считают, что глобальное
загрязнение атмосферы является причиной
нарушения плотности озонового экрана.
В настоящее время наибольшее влияние
на круговорот кислорода в биосфере
оказывает деятельность человека.
Человечество ежегодно потребляет около
1 010 т
молекулярного
кислорода. Огромное количество кислорода
расходуют автомобили, самолеты, теплоходы
и т. д.

Соседние файлы в папке Экология

Земля по сравнению с другими планетами
земной группы имеет относительно
обширную атмосферу, уступая в этом
отношении только Венере. Атмосфера
нашей планеты в основном имеет
азотно-кислородный состав.В отличие
от земной атмосферы по относительному
содержанию газов в молекулярной форме
атмосферыВенеры и Марса являются
углекислымис резким преобладанием
СО2над другими газами в совокупности.
Среднее относительное содержание воды
в атмосферах Венеры и Марса ниже, чем в
земной атмосфере. В то же времяатмосфера
Земли содержит ничтожное количество
инертных газов (кроме аргона),что представляет собой резкий контраст
с их необычайно высоким распространением
на Солнце, в звездах и в Космосе.

– Такие газы, как азот, углекислый газ
и водяной пар, возникли в результате
вулканической деятельности,за счет
выделения из глубоких трещин в земной
коре и из горячих источников.

– Кислород, вероятно, появился на более
поздних стадиях развития Земли в
результате деятельности фотосинтезирующих
растений.

Атмосфера в свою очередь оказывала
значительное влияние на эволюцию
литосферы и гидросферы, и на живые
организмы. В целом эволюция атмосферы
и гидросферы была по существу единым
процессом.

Круговороты газовых составляющих
земной атмосферы.

Азот – главный элемент
земной атмосферы, который непрерывно
обменивается с живым веществом биосферы.
Извлечение азота из атмосферы происходитнеорганическим и биохимическим путями.
Неорганическое извлечение связано с
образованием его соединенийN2O,N2O5,NO2,NH3.
Они находятся в атмосферных осадках и
образуются в атмосфере под действием
электрических разрядов во время гроз
или фотохимических реакций под влиянием
солнечной радиации.

Биологическое связывание азота
осуществляется некоторыми бактериями
в симбиозе с высшими растениями в
почвах. Азот также фиксируется некоторымимикроорганизмами планктонаи
водорослями в морской среде.В
количественном отношении биологическое
связывание азота превышает его
неорганическую фиксацию.

Обмен всего азота атмосферы происходит
примерно в течение 10 млн. лет. Азот
содержится в газах вулканического
происхождения и в изверженных горных
породах (N2иNH3).
Однако главной формой присутствия азота
как на Земле, так и на планетах земной
группы, является молекулярная.Аммиак,
попадая в верхние слои атмосферы, быстро
окисляется, высвобождая азот.

Кислород. Содержание
свободного кислорода в земной атмосфере
отражает баланс между его фотосинтезирующей
продукцией и процессами поглощения
(окисление органики, деструкция вещества
мертвых организмов). Кислород в
атмосфере Земли обновляется в течение
3—4 тыс. лет. На ранних этапах свободный
кислород возникал в очень малых
количествах в результате фотодиссоциации
молекул углекислого газа и воды в верхних
слоях атмосферы. Однако эти малые
количества быстро расходовались на
окисление других газов. С появлением в
океанеавтотрофных фотосинтезирующих
организмовколичество свободного
кислорода стало быстро возрастать.
Свободный кислород способствовал
переходу закисных форм железа в окисные,
а сульфидов в сульфаты. Постепенно
количество свободного кислорода
оказалось сбалансированным таким
образом, что количество производимого
стало равно количеству поглощаемого.
В атмосфере установилось относительное
постоянство содержания свободного
кислорода.

Углерод (углекислота) — его
большая часть в атмосфере находится в
виде СО2и значительно меньшая в
форме СН4.Источником первичной
углекислоты в биосфере является
вулканическая деятельность. Миграция
СО2в биосфере протекает двумя
способами.

1.Первый способ выражается
в поглощении СО2
в процессе фотосинтезас образованием
органических веществ и в последующем
захоронении в благоприятных
восстановительных условиях в литосфере
в видеторфа, угля, нефти, горючих
сланцев.

2. По второму способу миграция углерода
приводит к созданию карбонатной системы
в гидросфере,где СО2переходит
в Н2СО3, НСОз-1, СО3-2.
Затем с участием кальция (реже магния
и железа) происходит осаждение карбонатов
биогенным и абиогенным путем. Возникают
мощные толщиизвестняков и доломитов.
Соотношениеорганического углерода
к карбонатному в истории биосферы
составляло 1:4.

Аргон.Большая часть
аргона атмосферы поступила из недр
Земли на самых ранних этапах ее развитияи значительно меньшая добавилась
впоследствии в процессе вулканизма и
при выветривании калийсодержащих горных
пород.

Еще при первоначальном радиоактивном
разогреве молодой Земли происходило
выделение летучих веществ на поверхность,
образовавших первичный океан и первичную
атмосферу. Можно допустить, что первичная
атмосфера нашей планеты по составу была
близка к составу метеоритных и
вулканических газов. В какой-то
мерепервичная атмосфера(содержание СО2 составляло 98%,
аргона — 0,19%, азота — 1,5%) былааналогична
атмосфере Венеры— планеты, которая
по размерам наиболее близка к нашей
планете.

Первичная атмосфера Земли имела
восстановительный характери была
практически лишена свободного кислорода.
Только незначительная его часть возникала
в верхних слоях атмосферы в результате
диссоциации молекул углекислого газа
и воды. На определенном этапе развития
Земли ее углекислая атмосфера перешла
в азотно-кислородную.Остается
неясным в какую эпоху истории произошел
перелом, был ли он быстрым или постепенным.
Известно, что свободный кислород
присутствовал в докембрии. Присутствие
высокоокисленных соединений железа в
красных полосах железных руд докембрия
свидетельствуют о наличии свободного
кислорода..

Установлено, что примерно 39% всего
кислорода, выделившегося при фотосинтезе,
оказалось связанным в Fе2О3,
56% сосредоточилось в сульфатах SО42-
и 5% непрерывно остается в
свободном состоянии в атмосфере Земли.

1. В раннем докембрии практически весь
освобожденный кислород быстро поглощался
земной корой при окислении, а также
вулканическими сернистыми газами.
Процессы образования джеспелитов
привели к поглощению значительной части
кислорода. Закисное железо в докембрийских
морях явилось главным поглотителем
кислорода. После того, как океаны
очистились от растворенного железа,
свободный кислород стал накапливаться
в гидросфере и затем в атмосфере.

2. Новый этап в истории биосферы
характеризовался тем, что в атмосфере
2000—1800 млн. летназад отмечалось
увеличение количества свободного
кислорода. Поэтомуокисление железа
переместилось на поверхность древних
континентовв область коры
выветривания, что и привело кформированию
мощных древних красноцветных толщ.
Все большее количество свободного
кислорода стало поступать в атмосферу,
где устанавливалось его постоянное
содержание. В общем балансе атмосферного
кислорода возросла роль биохимических
процессов живого вещества биосферы.

3. Современный этап в истории кислорода
атмосферы Земли наступил с появлением
растительного покрова на континентах.Это привело к значительному увеличению
его содержания по сравнению с древней
атмосферой нашей планеты.

За счет чего накапливается кислород в атмосфере

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 О2 — 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.

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 12С, а в окружающей среде возрастает относительное содержание более тяжелого изотопа 13С. Соответственно, донные отложения, содержащие органическое вещество, должны быть обеднены изотопом 13С, который скапливается в воде и идет на образование карбонатов. Однако соотношение 12С и 13С в карбонатах и в органическом веществе отложений остается неизменным несмотря на радикальные изменения в концентрации кислорода в атмосфере. Значит, всё дело не в источнике О2, 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.

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.

См. также:
Новая модель объясняет, почему в атмосфере Земли так медленно накапливался кислород, «Элементы», 10.08.2005.
Кислород в древней атмосфере: «железное» доказательство подвергнуто сомнению, «Элементы», 27.10.2005.

Оцените статью
Анемометры
Добавить комментарий