PopularEditorialNew
BestОбсуждаемое

Абиогенный кислород в атмосфере. Об одном популярном заблуждении или физика против биологии

2

В школьном учебнике была картинка, где две мышки сидят под колпаками, но одна рядом с живым растением. Одна дохнет. Правильный вывод: растения могут выделять кислород. Неправильный вывод: фотосинтез растений — основной и единственный источник кислорода в атмосфере. Это миф.

Неужели??? Везде пишут:

«Кислород имеет биогенное происхождение. Вся масса свободного кислорода Земли возникла и сохраняется благодаря жизнедеятельности зелёных растений суши и Мирового океана. Кислород является побочным продуктом процесса фотосинтеза» (какой-то экологический сайт).

«Единственным значимым источником молекулярного кислорода является биосфера, точнее, фотосинтезирующие организмы. Фотосинтез, видимо, появился на заре существования биосферы. Кислородный фотосинтез возник у цианобактерий 2,7-2,8 млрд лет назад» (Википедия).

Мышь дохнет под герметичным колпаком, и выживает, если рядом с ней растение, освещённое ярким светом. Вывод: растение на свету выделяет кислород. Опыт Д.Пристли, 1771.

Кто автор?

Открыли кислород Д. Пристли, К. Шееле, А. Лавуазье. А вот найти авторов идеи биогенного происхождения кислорода оказывается сложно. Кто был первым? Высказывались В. И. Вернадский, Л. Пастер, Л. Беркнер и Л. Маршалл, современные S. Nadis, J. C. G. Walker (из Википедии). В ней есть целая статья про круговорот кислорода. Идея принята коллегиально?

Но накапливаются мелкие факты. Растения не только дают кислород, но и дышат им. Сколько кислорода производят деревья, столько и поглощают организмы, разлагающие их остатки. Механизма фотосинтеза недостаточно, чтобы объяснить весь кислород. Молекулы воды распадаются в верхней атмосфере под действием излучения. Атмосферы планет улетучиваются, в этом конкурируют температура, гравитация, магнитосфера и солнечный ветер. Преимущественно улетучивается водород. Открыты «водяные миры» — спутники планет-гигантов. Космические аппараты SOHO видят газовый «хвост Земли», CASSINI — гейзерные выбросы на Энцеладе, HUBBLE и GALILEO — гейзеры на Европе. Самый замечательный факт, на мой взгляд, что в выбросах Энцелада и Европы обнаружен кислород. Откуда он там? Жидкий океан — да, жизнь в нём — может быть, но фотосинтез там точно невозможен. Там и солнце слабое, и толстый слой льда.

Важно ли это знание?

Знание о происхождении свободного кислорода в атмосфере не относится к жизненно важным. Нам, в общем, плевать, как и откуда кислород, главное он есть и не кончается, как говорят про нефть. Хотя и про кислород есть паникёрские вбросы: «исчезнет через 80 лет!» [1]. Не бойтесь, соврали, не исчезнет. Тем не менее это — знание, точнее, массовое заблуждение. Википедия в данном случае отражает это заблуждение. Не будем доверять учебникам, авторитетам, массмедиа и промоутерам? Разобьём миф? Проверим сами! Это и будет наша наука.

================

Сколько кислорода?

Для начала, сколько кислорода в атмосфере? Посчитаем из атмосферного давления — 1 кг/см2. На каждый квадратный сантиметр земли давит около килограмма воздуха, из него по массе 0,23 кг кислорода. Площадь Земли берём 500 000 000 кв.км, значит над всей планетой примерно 1018 кг кислорода.

5∙108 ∙ 1010 (кв.см в кв.км) ∙ 0,23 = 1,15∙1018 (кг).

Гигантская величина, не так ли? Можно было конечно сразу взять число из википедии, но полезно сопоставить с бытовым опытом. Давление? Некоторые дачники знают, что нельзя отсосать воду с глубины больше 10 м. Большинство ныряльщиков знают, что на глубине 10 м давление 2 атмосферы. Масса десятиметрового столбика воды сечением 1 см2 — 1 кг. Размер Земли? Возьмите астролябию (угломер) и съездите в дни зимнего солнцестояния из Киева в Питер, 1000 км. Думаю, вы заметите разницу высоты солнца в 9 градусов. 1000 км ∙ 360°/9° = 40000 км (длина окружности Земли).

Сколько биомассы?

В Сети есть следующие числа, пригодятся:

  • Сухая биомасса на Земле [2]          2,4∙1015 кг
  • (основная биомасса — в растениях!)
  • Известных запасов угля                  1,0∙1015 кг
  • Известных запасов торфа               5,0∙1014 кг
  • Известных запасов нефти               2,5∙1014 кг
  • Известных запасов газа                  1,2∙1014 кг
  • Углекислый газ в атмосфере 2∙1015 кг

Проверим что сможем?

Делим биомассу на площадь Земли: 2,4∙1015 кг / 0,5∙1015 м2 = 4,8 кг/м2. Столько биомассы на каждом квадратном метре Земли в среднем. Похоже? Возьмём лес. Больше всего, очевидно, весят деревья. Прикинем, что на каждое дерево приходится 10 м2 леса. Диаметр ствола возьмём 0,25 м, высоту 20 м, плотность 900 кг/м3. Масса такого дерева будет 1000 кг, значит биомассы в нашем лесу 100 кг/м2. Мы знаем, что Земля не сплошь в лесах. Больше степей, пустынь. Да и в море, кто купался, видел, что биомассы не так много. Поэтому грубо уменьшим наши 100 кг/м2 в 20 раз и поверим количеству биомассы на Земле. Уголь? Из найденных чисел получим 2 кг/м2. А в жизни? В жизни автора был городок, где овраг вскрыл пласт угля. Геологи говорили, что он бурый, ещё не созрел, но жители копали и жгли. Пусть площадь бассейна 1 км2, толщина пласта 1 м, площадь всего городка 100 км2. Отсюда 10 кг/м2. В соседних 4 городках угля не находили, поэтому грубо уменьшаем в 5 раз и верим справочным данным по углю.

Распространённость элементов во Вселенной

  • H      77%,
  • He    21%,
  • O      0,85%,
  • C      0,38%,
  • Fe     0,14%,
  • N      0,09%,
  • Si      0,08%,
  • Mg    0,07%
  • (по массе).

Тут проверить непросто, надо верить астрономам. Но не сюрприз ли, что кислород на третьем месте? Значит, он должен быть повсеместно. Земля — наполовину из кислорода? А ведь так и есть. Мы живём на кислороде и ещё удивляемся, откуда он.

Мировой пожар

Считается, что первичная атмосфера была бескислородной. Откуда же кислород в атмосфере? Неужели из растений? Если он высвобожден растениями, то в качестве эквивалента в земле должны лежать обеднённые кислородом остатки растений. Это уголь, торф… Проведём мысленный опыт: сожгём всю биомассу и даже все мировые запасы углеводородов, которые, как иногда считается, произошли от биомассы. Тогда весь кислород атмосферы должен сгореть. Главная реакция C + 2O = CO2, соотношение реагентов 1:2,7 по массе. Для торфа 1:1,6, для нефти 1:3,5, для газа 1:3,7. В биомассе кроме углерода есть водород, кислород, азот… примем 1:2,5.

Уголь + торф + нефть + газ + биомасса = 4,27∙1015 кг.

Мысленно поджигаем всё «топливо» и тратим на это ~1016 кг кислорода из атмосферы. Его остаётся 1,14∙1018 кг… Потратилось около одного процента свободного кислорода… Ну, концентрация парникового углекислого газа выросла раз в 10.

Растительная биомасса может с избытком восстановиться после такого мирового пожара, сожрав выделившийся углекислый газ. Растениеводы говорят, что углекислый газ полезен растениям, а биологи говорят, что биомасса сравнима по величине с массой углекислого газа, находящегося сейчас в атмосфере.

Количество всего сгораемого материала на Земле соответствует только 1% свободного кислорода атмосферы.

Критика1

Чепуха. Взяты только известные запасы, а рассеянные запасы в породах на дне океана? А связанный углерод в почвах? Есть труды, где можно об этом почитать, каков был состав, куда девался углерод, откуда взялся кислород. Теории абиогенного кислорода в атмосфере тоже есть, надо в специальной литературе покопаться.

Ответ: углерод попал на Землю при её образовании. Есть свободный углерод, карбонаты, карбиды, в ядре Земли содержание углерода оценивается в 20 раз выше чем в коре. Углерода в Земле ~1022 кг и далеко не весь он, очевидно, прошёл через биомассу. Океан насыщен кислородом. Органика разлагается. Невероятно, чтобы на его дно осело в 100 раз больше углерода, чем скопилось в залежах угля.

Каков вклад биосферы?

В википедии про круговорот кислорода от Дж.К.Г.Уолкера есть несколько чисел [3]. Но там баланс кислорода нулевой, исходя из равных чисел прироста и потерь. И.Варламов, ссылаясь на Я.Мали, отмечает — баланс нулевой [4]. А.Гиляров тоже аргументирует нулевой баланс [5]. Надо помнить одно: биомасса в цикле, сколько берёт столько и отдаёт, как ни крути. И кислород, и уголь — незначительные побочные продукты. Далеко не каждое дерево становится углём, безвозвратно выделив кислород в атмосферу.

Днём дерево даёт кислород, ночью дышит, а после смерти забирает весь кислород обратно.

Выходит, биосфера даёт очень малый вклад в кислород атмосферы. И мы это, кажется, доказали. Откуда же тогда кислород? Давайте поищем.

Другие источники кислорода

На Земле есть ещё земля (тавтология) и вода. Кислород есть там. Масса Земли 6∙1024 кг, из которых кислорода почти 50%, это 3∙1024 кг. (Кислород на Земле — на 1 месте.) Воды на Земле в несвязанном состоянии 1,5∙1021 кг (эквивалентно шарику диаметром 1400 км, сравнимо с размером планеток и спутников Япет 1440 км, Харон 1200 км, Церера 950 км, Энцелад 500 км). Кислорода в этой свободной воде на Земле 1,33∙1021 кг. (Атмосфера тут жалкий довесок.)

Земля состоит из оксидов кремния, железа, других металлов. В молекулах оксидов кремния и металлов кислород связан сильнее, чем в воде. Энергия связи Si-O 7,4 эВ, H-O 4,3 эВ. Кроме того, земные породы малоподвижны, прикрыты, и трудно вообразить процесс их распада с выделением кислорода. Хотя идеи есть [6]. Вода другое дело. Это подвижная, лёгкая среда, располагается как раз посередине между землёй и атмосферой, и в атмосфере. Может быть, вода сама по себе является источником кислорода? Есть фотохимическое разложение воды под действием жёсткого ультрафиолета [6]. Это происходит в верхних слоях атмосферы. Там есть фотоны и другие частицы достаточной энергии. Но только ли это? Известно, что в атмосфере Земли есть 0,0000035% водорода. Откуда он?

Фотохимия или механохимия?

Был такой учёный Дмитрий Селивановский. Он рассмотрел возможные процессы распада воды — фотохимический и механический, для оправдания второго считал, что вода имеет полимероподобную структуру. Он вычислил промежуточный продукт распада воды — перекись водорода, и измерял скорость его образования в разных процессах — волны, течения, звук, плавление, замерзание, испарение, конденсация… Он изобрёл способ измерения очень малых концентраций Н2О2 — до 10-12 моль на литр! [7]. Перекись не очень стойкий продукт. Она затем распадается сама, выделяя кислород. Начальные и конечные продукты те же, что и при фотохимическом распаде:

  • 2О + воздействие = Н2О2 + Н2
  • Н2О2 самопроизвольно = Н2О + О

Селивановский (конечно не один, с соавторами) посчитал и сделал вывод, что в масштабах Земли главным механизмом распада воды является всё-таки «механика» а не «фотоника» [8-10].

Вода вообще очень загадочное вещество, недаром целые институты, говорят, в том числе и секретные, занимаются только водой. Льют, переливают…

Атомы и молекулы убегают из атмосферы

Как бы то ни было, вода может распадаться. Атмосфера перемешивается. Молекулы водорода, а в верхних слоях атмосферы и его атомы, движутся с бОльшими скоростями, чем молекулы и атомы кислорода. Чем легче частица и чем выше температура T, тем больше её средняя скорость V:

V = корень(3kT/m) (в метрах в секунду), константа Больцмана k = 1,38∙10-23 (Дж/К), масса атома водорода m=1,66∙10-27 (кг), атом кислорода в 16 раз тяжелее, их молекулы состоят из 2 атомов.

Считаем. При нуле (273 К) средняя скорость атомов водорода 2,6 км/с. В верхних слоях атмосферы — термосфере — температура достигает 2000 К, при этом их средняя скорость 7 км/с, и значительная доля атомов водорода по статистике Максвелла превышает вторую космическую скорость 11,2 км/с и покидает гравитационное поле Земли. По данным аппарата SOHO, газовый хвост Земли тянется далеко за орбиту Луны. По другим источникам, Земля теряет ежегодно 108 кг водорода, ну и 1,6∙106 кг гелия в год — тоже лёгкий газ [11].

Комета. Любое небесное тело может терять содержащиеся в нём частицы. Гравитация служит хорошим сепаратором.

Убегают, но не все

Кислород, как более тяжёлый, почти весь остаётся у Земли. Скорость его атомов удовлетворяет критерию устойчивости атмосферы [11]. В воде Н2 + О соотношение реагентов 1:8 по массе. Если распадается вода, то на 108 кг улетающего водорода должно оставаться 8∙108 кг кислорода за год. За секунду 25 кг. За миллиард лет его должно накопиться почти 1018 кг — столько и есть в атмосфере. Возраст Земли 4 миллиарда, кислород в избытке, даже не надо больше придумывать механизмы его генерации, впору придумывать пути его связывания. Внутри Земли, говорят геологи, много недоокисленных металлов, вот на их окисление и расходуется лишний кислород.

Кстати, у Уолкера прирост кислорода от фотолиза 3∙108 кг/год [3]. Сопоставляем с кислородом, который должен оставаться в связи с убеганием водорода 8∙108 кг. Откуда ещё 5∙108 кг? Вот нам и доля фотолиза среди механизмов распада воды в масштабе Земли.

Упрощённая схема двух земных круговоротов. Механизм слева (фотосинтез растений) даёт кислород, эквивалентный углю. Относительный вклад кислорода 1%. Механизм справа (фотолиз, механолиз) даёт нескомпенсированный кислород, который накапливается в атмосфере. Относительный вклад кислорода 99%.

Критика2

По данным палеогеологии, палеоботаники — содержание кислорода в атмосфере заметно колебалось в обе стороны на протяжении истории Земли. Они как-то это определяют. Интересно с чем они это связывают, только с наличием флоры или ещё с чем-то?

Ответ: механодиссоциация воды, впрочем как и фотолиз, подразумевают плавное накопление кислорода. Ослабление света Солнца вследствие пыли или других астрономических причин в древности могло бы на время резко ослабить оба механизма.

Биосфера лол

Ни при чём тут биомасса со своим фотосинтезом. Воображает она много про себя. Растения могут производить кислород, но также и потреблять его. Они не производят водород. Вода даёт кислород и водород по своим механизмам, без участия растений. Вода и есть источник кислорода в атмосфере. Кажется, мы нашли его. Ну, и для полноты науки надо дать какой-нибудь экспериментально проверяемый вывод. Ловите!

Вода это всё

Очевидный вывод делает Селивановский: наличие жидкой воды на планете означает, что в её атмосфере будет и кислород, независимо от присутствия биомассы. В последние годы, уже после него, выяснилось, что вода обильно входит в состав комет, а внешние тела Солнечной системы могут и наполовину состоять из воды. Открыты «водяные» спутники — Энцелад, Ганимед, Европа… Там есть гейзеры, подлёдные океаны. Удивительным оказалось обнаружение кислорода возле этих планеток, и предположение что их океаны могут быть насыщены кислородом [12-15]. Читайте новости про космос! Туда планируют космические экспедиции! А на Марсе и Венере нет жидкой воды — нет и свободного кислорода.

Энцелад. Фото гейзерных выбросов сделано аппаратом CASSINI.

Может ли кислород удерживаться Европой? Вторая космическая скорость там 2 км/с. Наибольшая температура на поверхности 100 К. Тогда средняя скорость атомов водорода 1,5 км/с, атомов кислорода 0,4 км/с. Получается, атомы водорода должны практически сразу же улетать, а вот атомам и молекулам кислорода далеко до второй космической. Кислород как раз удовлетворяет критерию сохранения в атмосфере Европы. Вот и в википедии стали писать: кислородная атмосфера, давление 10-12 бар. Теперь надо считать, как он там образуется. То, что из воды, очевидно. Но каким механизмом — «фотолизом» или «механолизом»? Легко представить течение, плавление, замерзание, испарение, конденсацию воды возле гейзеров. А много ли там излучений, разлагающих воду? Каков баланс? Прав ли Селивановский?

Но люди не читают работ Селивановского [16]. Мало чего читают. Только иногда — википедию…

А ещё есть классики, которых надо помнить:

В.И.Вернадский полагал существование и поддержание кислородной атмосферы Земли почти столь же древним феноменом, как и образование окисленной оболочки Земли.

О.Ю.Шмидт считал, что вода попала на Землю при формировании планеты из космического пространства.

Про нефть и газ есть две гипотезы — либо они попали на Землю изначально, либо являются продуктом биомассы.

Атмосфера Земли возникла в результате двух процессов: испарения вещества космических тел при их падении на Землю и выделения газов при вулканических извержениях (википедия). Тут в общем правильно. А вот с кислородом в ней — заблуждение.

Психология

Почему — это уже другой вопрос, и лежит он, видимо, в области общественной психологии. Так привыкли считать. Это знание не очень важно. Люди не задумывались о физических процессах, которые происходят масштабнее, но гораздо медленнее, чем беготня мышки под колпаком. Да и после того, как Джозеф Пристли в конце 18 века проделал этот опыт над мышами, его дом-лаборатория был разгромлен воинствующими мракобесами. Говорят, за то, что он сочувствовал французской революции, но это только предлог?

Критика3

Дьявол кроется в деталях. Все ли верно учтено?

Ответ: проверяйте!

==============

Верна ли построенная нами наука? Смена парадигмы созрела уже давно, но видно, требуется время, чтобы она стала общепринятой. И пока скептики сомневаются, помним, что каждую секунду благодаря распаду воды в атмосферу Земли добавляется около 25 кг свободного абиогенного кислорода. Дышите на здоровье!

Вода это наше всё. Это загадка, красота, источник, жизнь, среда обитания, кислород. Мы в воде и вода в нас.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

26

Это пользовательский материал, написанный участником сообщества, который не входит в состав редакции или администрации. Поддерживая авторов оценками, вы помогаете нашему сообществу развиваться.

Войдите, чтобы видеть ещё 11 комментариев, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Экономная Космическая Альпака
Вечность назад

Тоді увесь космос має світитися спектральними лініями молекулярного кисню

Трогательная Гвинн Шотвелл
Вечность назад

Вы так пишите, как будто оксигенный фотосинтез используют только организмы, которые дышат кислородом. Аэробные организмы возникли уже после того, как появился оксигенный фотосинтез, как раз, как ответ на обогащение среды кислородом. К слову сама "кислородная катастрофа" скорее всего очень растянутый процесс. Есть данные о весьма раннем появлении первых оксигенных фотосинтетиков, но кислород ещё миллиарды лет расходовался на окисление пород как суши, так и морского дна, и, в основном, присутствовал в т.н. кислородных карманах, а также на окисление отмершей "органики", которая, опять же, далеко не сразу получила возможность осадконакопления и была в основном, взвешена в воде. Запасы углеводородов, опять же, возникли именно в анаэробной среде благодаря таким процессам. Соответственно в истории Земли был продолжительный период, когда кислород не расходовался на окисление органики. Я советую автору послушать или почитать Андрея Журавлёва или Михаила Никитина, Кирилла Еськова, или других геологов и палеонтологов.

Начинающий HAL 9000
Вечность назад

Напоминает попытки доказать, что США не могли отправить людей на Луну в конце 1960-х...

Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы не видеть рекламу, создавать и отслеживать темы, сохранять статьи в личные закладки и участвовать в обсуждениях
If you were unable to log in, try this link.