Откуда берется кислород? Кислород в природе (49,4% в Земной коре)
Источники кислорода на планете и в городе Москва. Краткий обзор. August 17th, 2010
В настоящее время в атмосфере содержится около (1,2-2,0) *10+15 т кислорода. В результате фотосинтеза зелеными растениями ежегодно вырабатывается на суше (0,7—1,0)*1011 т этого необходимого для жизни газа. Мировой океан за тот же период продуцирует около 4,0*1011 т 02. Значительное количество кислорода используется в процессах дыхания гетеротрофных организмов. Скорость потребле-ния кислорода в этих процессах составляет примерно 0,22*1011 т/год.
Другой источник кислорода в атмосфере - процесс фотодиссоциации молекул воды — мало влияет на баланс этого газа, так как таким путем ежегодно образуется примерно 2*10+6 т 02.
Основной поставщик кислорода - растения. В процессе фотосинтеза растения ежегодно поглощают из атмосферы 170 миллиардов тонн углекислого газа, выделяя кислород. Таинство преобразования его в органическое вещество происходит в живых клетках с помощью хлорофилла и света. Главнейшим составляющим этого процесса является фотолиз воды. В ходе его из молекулы воды под действием энергии солнечных лучей высвобождается кислород, а водород идет на восстановление углекислоты.
Считают, что растения ежегодно создают до 100 миллиардов тонн органических веществ. При этом они расходуют 130 миллиардов тонн воды, из нее выделяется 115 миллиардов тонн кислорода.
Две трети получаемой органической массы приходится на земные растения и треть на планктон и водоросли. Из того, что вырастает на земле, опять же две трети - продукция леса.
Тихий лес - большой труженик. Подсчитано, что один гектар хорошего древостоя (есть такой термин у лесоводов) поглощает ежегодно до шести с половиной тонн углекислого газа и выделяет при этом до 5 тонн кислорода - столько, сколько требуется для дыхания чистым воздухом большому поселку. В этом смысле ни одна рукотворная фабрика кислорода (а она несомненно усугубила бы дальнейшее загрязнение окружающей среды!) не может сравниться с хорошим лесом.
Производительность у каждой древесной породы в зависимости от возраста разная. Скажем, гектар сосняка в возрасте 20 лет поглощает 9 тонн углекислого газа в год, а в 60 лет - 13. Значит, среднеспелые сосняки - самые производительные зеленые "фабрики" чистого воздуха, а именно они в первую очередь и попадают под пилу и топор.
У разных деревьев - своя производительная сила. Скажем, если гектар елового леса по "умению" поглощать углекислый газ принять за 100 процентов, то березовая, осиновая и любая другая лиственная роща дает 120 процентов, сосновый бор - 150, липовый парк - - 250, дубрава - 450 процентов и т.д.
Но поистине уникальным санитаром воздуха выступает наш обыкновенный тополь. На оздоровительном поприще он один способен заменить три липы или четыре сосны, семь елей.
Расчёты, проведённые учёными для лесов бассейна Амазонки (а это самый большой массив тропических лесов на Земле), показали, что в более влажные годы образование органического вещества превышает его разложение, поэтому кислорода больше выделяется, чем потребляется. А в более сухие — наоборот, разложение протекает интенсивнее, чем создание нового вещества, и, соответственно, кислорода больше потребляется, чем выделяется. В среднем же за десятилетний период эти процессы уравновешены.
Свободный кислород может накопиться в атмосфере только в том случае, если эквивалентное ему количество образованного органического вещества изымается из круговорота. Иными словами — становится недоступным для воздействия грибов, бактерий и животных.
Запасы угля, торфа, нефти — всё это органическое вещество оказалось захороненным в отложениях, а кислород, который выделился когда-то при его образовании, остался в атмосфере. Места, где из круговорота выводится большое количество органического вещества, существуют и сейчас. Это, например, торфяные болота, которыми так богата Россия.
Если под «лёгкими» понимать орган, который снабжает организм кислородом и выводит из него углекислый газ, то «лёгкие планеты» — это прежде всего болота.
??????????
- Зелени в Москве будет больше, - пообещали «КП» в столичном департаменте охраны окружающей среды. - Есть генеральная схема озеленения Москвы до 2020 года. И через 11 лет на каждого москвича будет приходиться 26 квадратных метров зеленых насаждений.
Планы впечатляют. 23% земель, занятых сейчас промзонами и малыми реками, чьи берега размыты и замусорены, хотят засаживать деревьями. Там, где были заборы, планируют разбить парки и скверы. Только вот... слабо верится. Как на месте скверов строят торговые комплексы, я видел много раз. На моих глазах изуродовали парк «Дружба» у ст. метро «Речной вокзал». А вот нового парка не видел ни разу! Когда в Москве вдруг освобождается площадка, на ней тут же ставят элитку, магазин или офис. Может, потому, что за площадку под строительство чиновник всегда может получить немалый откат? А за сквер что получишь? Жители ведь не скинутся и не принесут. А значит, не будет им сквера...
С детства мы знаем, что деревья являются главным источником кислорода на планете. Позже, на уроках биологии я узнала, что кислород вырабатывается в результате фотосинтеза - процесса, протекающего в зеленых клетках листьев растений на свету. Из простых веществ - воды и углекислого газа образуются сложные химические соединения - сахара, которые потом превращаются в крахмал, клетчатку, белки и жиры, выделяется кислород.
Лесов на нашей Планете с каждым годом становится все меньше и меньше. Почему же мы не ощущаем нехватку кислорода? Может, растения поглощают углекислый газ и вырабатываемого ими кислорода хватает людям с избытком? Я решила провести опыты, и доказать, что зеленые растения поглощают из воздуха углекислый газ и выделяют кислород.
Описание опыта
Оборудование: комнатное растение с крупными листьями, две литровых банки, стеклянные пластинки (или замена), вазелин, широкая емкость с водой, стеклянная (пластиковая или др.) трубка длиной 30-40 см, лучинки, спички.
Ход опыта:
Кладем в одну банку 5-6 крупных листьев, сорванных с комнатного растения. Банку с листьями заполняем водой, прикрываем пластиной и, перевернув ее донышком вверх, опускаем в широкую емкость с водой.
Затем вытесняем воду из банки, выдыхая сквозь трубку углекислый газ. Плотно придавив горлышко банки пластиной под водой, вынимаем из воды и переворачиваем. Проделываем тоже с банкой без листьев. Приоткроем банку и введем внутрь горящую лучинку.
Лучина моментально погасла. Следовательно, воздух насыщен углекислым газом. Проделаем это же со второй банкой.
Обмажем вазелином горлышки банок. Поставим на окно. Можно на ночь оставить свет.
Через сутки - двое аккуратно приоткрываем банку с листьями, находившуюся на свету, и опускаем в нее горящую лучинку.
Лучина горит, значит, появился кислород, т. к. кислород необходим для горения. То же делаем со второй банкой. Лучина тухнет.
* Воздух в банке с листьями, стоявшей на свету, изменился - в ней появился кислород;
* Во второй банке изменений не произошло.
Значит, листья на свету вырабатывают кислород.
Проблема
Тогда у меня возник вопрос: если на зиму на большей территории Земли деревья сбрасывают листья, почему мы не ощущаем недостатка кислорода? Почему мы не задыхаемся зимой?
И я предположила: может быть есть какой-нибудь другой источник кислорода?
1. Собрать информацию в литературе, в Интернет по интересующей теме.
2. Найти ответы на проблемные вопросы:
> Сколько кислорода вырабатывает одно дерево в год? Сколько поглощает углекислого газа?
> Сколько кислорода надо в среднем человеку в год для дыхания?
> Какая площадь лесов на планете?
> Какое количество человек проживает на планете?
> Куда еще, кроме дыхания людей используется кислород? В каком количестве?
> Хватает ли кислорода, вырабатываемого деревьями для дыхания?
3. Сделать выводы. Подготовить презентацию работы.
1. Сколько кислорода вырабатывает одно дерево в год? Сколько поглощает углекислого газа?
Одно дерево в среднем вырабатывает в день 2,5 килограмма кислорода, в год - 912, 5 килограммов кислорода. Известно, что 50 м зеленого леса поглощает за 1 час углекислого газа столько же, сколько его выделяет при дыхании за 1 час один человек, т. е. 40 г.
Рассчитаем 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 х 24 ч = 1200 м - S леса, необходимая для поглощения углекислого газа, вырабатываемого 1 человеком в сутки.
1200 х 6 млрд. = 720 000 000 га - S леса, необходимая для поглощения углекислого газа, вырабатываемого всем Человечеством за 1 сутки.
720 000 000 га: 4 000 000 000 га = 0,18 раз - во столько раз меньше существующая S леса, необходимая для поглощения углекислого газа, вырабатываемого всем Человечеством.
Хочется обратить внимание, что в различных источниках даются разные данные, поэтому вычисления приблизительные.
2. Сколько кислорода надо в среднем человеку в год для дыхания?
Одному человеку в сутки для дыхания нужно 0,83 кг кислорода; 302,95 кг кислорода в год.
3. Какова площадь, занимаемая лесами на планете?
Примерная площадь лесов на планете немного превышает 4 миллиарда гектаров или 30% суши. Но не все эти земли заняты собственно деревьями - сюда входят также поляны, дороги, просеки. Именно леса занимают около 3 миллиарда га.
4. Какое количество человек проживает на планете?
На планете проживает более 6 миллиардов человек.
5. Куда еще, кроме дыхания людей используется кислород? В каком количестве?
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, и за час работы мотор средней легковушки поглощает столько кислорода, сколько нужно человеку для дыхания в течение месяца. Ежегодно автомобиль поглощает из атмосферы в среднем более 4 тонн кислорода, выбрасывая с отработавшими газами примерно 800 кг оксида углерода, около 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеводородов. Если помножить эти цифры на 400 млн. единиц мирового парка автомобилей, можно представить себе степень угрозы, таящейся в чрезмерной автомобилизации.
6. Хватает ли кислорода, вырабатываемого деревьями для дыхания населения Планеты?
Много кислорода выделяется тропическими лесами, которые часто называют >. 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.
Площадь лесов - около 3 миллиардов гектаров, примерно 0,8 га на одного человека. Не так уж это и много. 14-15% занимают северные хвойные леса (Россия, Канада и США), 55-60% - тропические леса. Больше всего лесов на душу населения приходится в Канаде - 9,4 га.
Если представить, что один автомобиль в среднем за год сжигает 1825 килограммов кислорода. А одно дерево в год вырабатывает 912, 5 килограммов. А автомобилей в мире 400 миллионов, и их количество постоянно растет. Количество же деревьев постоянно уменьшается.
Общая скорость образования кислорода растениями при фотосинтезе за 1 год 1,55х10 т.
Расход кислорода за 1 год - 2,16х1010 т.
Проанализировав информацию, проведя вычисления, я узнала, что кислорода, вырабатываемого растениями лесов при фотосинтезе, не хватит для дыхания.
Возникает вопрос: есть ли другие источники кислорода?
Я стала собирать информацию, чтобы ответить на этот вопрос. Выяснилось, что доля кислорода, вырабатываемого деревьями, составляет 10 - 30 % (по разным источникам) от всего кислорода, содержащегося в атмосфере. Остальные 70 - 90 % дает нам Океан. Кислород вырабатывают в результате фотосинтеза живущие в толще воды цианобактерии, фитопланктон, частью которого являются сине-зеленые водоросли. А так как площадь Океана в три раза больше, и фитопланктона с водорослями в нем больше, чем деревьев на суше, то и кислорода океан будет вырабатывать больше.
Ответив на свои вопросы, я узнала, что на земле есть и другие источники кислорода. И эти источники вырабатывают кислорода намного больше, чем деревья. Но это не уменьшает роль лесов на Планете. Растения являются единственными источниками питательных веществ. Ведь животные не способны сами производить энергию. Они зависят от запасов питательных веществ, создаваемых растениями, и получают из них жизненную энергию.
Все в природе взаимосвязано. Загрязнение Океана может привести к уменьшению кислорода на планете. Влажные тропические леса играют жизненно - важную роль в регулировании климата на нашей Планете: они занимают особое положение в циклах круговорота кислорода, углерода и воды. На нашей планете уже уничтожено больше 50% влажных лесов, и их уничтожение продолжается.
Надо беречь и сохранять все, что дала нам природа.
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 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.
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.
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 (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.
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. 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.
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.
Со школьной скамьи все помнят, что леса - это легкие нашей планеты. Но, как выяснилось, это не совсем верное утверждение. Да, кислород для нашей атмосферы действительно производят зеленые растения. В ходе фотосинтеза они поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Но леса играют в этом процессе не единственную и далеко не главную роль.
По подсчетам ученых, растения нашей планеты ежегодно вырабатывают более 140 тонн кислорода. Около 60% этого объема расходуется на процессы окисления и разложения органических веществ, то есть всевозможных остатков растительных и животных организмов. А оставшаяся часть поглощается в результате дыхания обитателями планеты. Экваториальные леса являются крупнейшими производителями кислорода на планете. Но они же являются и крупнейшими его потребителями. Дело в том, что влажные леса обладают наибольшим биоразнообразием и плотностью животного населения среди всех экосистем планеты. Жизнью там пропитан буквально каждый миллиметр пространства. Многие существа потребляют в процессе дыхания кислород, а гниющие растительные остатки тратят на себя оставшуюся часть полезного газа. Таким образом, получается, что эти леса производят кислород, достаточный только для их собственного существования. Чуть лучше обстоят дела в лесах умеренного пояса, где пространство не так изобилует жизнью. Но и хвойные леса, как выяснили ученые, нельзя назвать основными производителями кислорода планеты в полном смысле этого слова.
Откуда же тогда берется на планете кислород, количество которого достаточно для существования всего человечества и миллиардов других живых существ? Как оказалось, главным производителем полезного кислорода на планете является фитопланктон. Да, именно эти невидимые труженики обеспечивают существование большей части жизни как в океане, так и на суше. К фитопланктону относятся одноклеточные водоросли и цианобактерии, способные продуцировать кислород. По подсчетам ученых, мировой фитопланктон вырабатывает в 10 раз больше кислорода, чем расходует сам. А на разложение органических остатков в океанах тратится гораздо меньше кислорода, чем на суше.
Таким образом, около 40% производимого фитопланктоном кислорода не расходуется на месте, а поступает в атмосферу. Благодаря этим микроскопическим созданиям существует жизнь в жарких пустынях и в полярных областях, где нет своих производителей кислорода. Ну и конечно, благодаря работе фитопланктона существует на планете все человечество. Поэтому не стоит забывать, что Земля - это наш общий дом, к которому нужно относиться бережнее. Ведь даже крошечные водоросли играют в существовании планеты такую важную роль.