Круговорот кислорода (свободного).

ultra,
Эта статья подтверждает антинаучность Монреальского протокола.
Но не отвечает на вопрос как образовалась вода.
Реакция разложения воды в стратосфере должна сопровождаться реакцией ее образования где-то. Полагаю, что иначе воды на земле давно уже не было бы.
Если кислород образуется в стратосфере, то как он далее достигает приземных слоев, там где "работают" леса.

Ладно, пока вернемся к круговороту кислорода и обмену им между атмосферой и мировым океаном.

Хорошо известно, что основные запасы молекулярного кислорода сосредоточены в атмосфере. Его процентное содержание в атмосферном воздухе близко к 21%, что, в пересчете на массу, составляет 1 184 000 Гт. Атмосферный кислород потребляется при дыхании наземных автотрофов (в основном представленных растениями) и гетеротрофов (животные, грибы, бактерии), а также растворяется в морской воде. Возвращение молекулярного кислорода в атмосферу происходит при фотосинтезе наземных растений и при выделении из морской воды.

Растения суши при создании органических веществ из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза ежегодно выделяют в атмосферу 336 Гт O2. Создаваемое при этом органическое вещество (или его энергетический эквивалент) называют валовой первичной продукцией (GPP). Ровно половина от GPP используется на дыхание самими растениями (дыхание автотрофов), при этом из атмосферы расходуется 168 Гт O2. Оставшаяся часть органического вещества называется чистой первичной продукцией (NPP), равной 168 Гт кислородного эквивалента (КЭ). Вещество чистой первичной продукции пополняет пулы биомассы, детрита (то есть мертвых остатков живых организмов) и органического вещества почвы. Окисление органического вещества этих пулов производится гетеротрофными организмами (животные, грибы, бактерии), в результате ежегодно потребляется 154 Гт O2. Кроме того, часть вещества окисляется в результате горения (лесные, степные и тундровые пожары, контролируемые палы на сельскохозяйственных землях, использование биомассы в качестве топлива и т. д.). Этот поток приводит к потреблению 11 Гт O2. Суммировав все потоки потребления и образования молекулярного кислорода, получим, что биота суши ежегодно выделяет около 3 Гт O2 (тем самым частично компенсируя его потери, связанные со сжиганием ископаемого топлива).

Мировой океан, как и атмосфера, является хранилищем молекулярного кислорода. Суммарное количество кислорода, растворенного в морской воде, равно 7200 Гт O2, или около 0,6% от его содержания в атмосфере. Процессы обмена кислорода между океаном и атмосферой регулируются температурными условиями, вертикальным и горизонтальным транспортом водных масс, а также градиентами концентраций, создающимися в результате деятельности поверхностной морской биоты. Наибольший вклад в регуляцию кислородного обмена вносят сезонные изменения температуры. При весеннем прогревании воды кислород покидает поверхностные воды и переходит в атмосферу, в осенний период возвращается обратно. На кислородном обмене между атмосферой и поверхностью океана сказываются и суточные колебания температуры. В результате суммарный годичный обмен кислородом между океаном и атмосферой достигает 4480 Гт O2, причем потоки растворения и выделения практически равны друг другу. Однако современное потепление климата приводит к повышению температуры поверхностных вод океана и тем самым некоторому уменьшению растворимости кислорода. По существующим оценкам, в период 1990-2000 гг. мировой океан ежегодно выделял в атмосферу около 1 Гт O2. Этот кислород попадает в атмосферу за счет уменьшения его запаса в морских водах. Тренды к уменьшению концентрации растворенного кислорода зарегистрированы в различных районах мирового океана.

В поверхностных водах до глубин распространения солнечного света (так называемая фотическая зона) планктонные организмы осуществляют фотосинтез, при котором выделяется 288 Гт O2. Суммарное дыхание автотрофов и гетеротрофов фотической зоны приводит к поглощению 258 Гт O2. Часть органического вещества, образуемого в фотической зоне, осаждается в глубинные воды (детритный дождь) и там разлагается гетеротрофными организмами. На их дыхание ежегодно расходуется 30 Гт кислорода, который транспортируется из поверхностных слоев воды. Таким образом, годичные потоки кислорода внутри океана являются хорошо сбалансированными.

Следует обратить внимание на принципиальное различие роли океана и суши в регулировании атмосферных концентраций углекислого газа и кислорода. На суше круговороты кислорода и углекислого газа тесно связаны, при поглощении углекислого газа выделяется кислород и, наоборот, при мольном соотношении 1,05. Совершенно иная ситуация имеет место в океане, который является наиболее мощным поглотителем углекислого газа атмосферы, изымающим из нее около 7,3 Гт CO2 ежегодно. Однако этот процесс связан с физико-химическими процессами растворения углекислого газа в морской воде и не приводит к возвращению в атмосферу молекулярного кислорода.

Проведенный выше анализ круговорота кислорода на суше приводит к выводу, что наземная биота ежегодно выделяет в атмосферу 3 Гт кислорода (с учетом сжигания биомассы), а океан – 1 Гт. Антропогенное потребление кислорода в результате сжигания ископаемого топлива составляет 21-23 Гт O2, значит, ежегодные потери молекулярного кислорода атмосферой должны быть на уровне 17-19 Гт.

Наземная биота компенсирует в настоящее время лишь около 13% от антропогенного потребления кислорода, связанного со сжиганием ископаемого топлива. В результате имеет место постоянное снижение запасов молекулярного атмосферного кислорода. Однако в относительном выражении это снижение крайне незначительно из-за очень больших запасов молекулярного кислорода атмосферы (1 184 000 Гт O2). Годовое антропогенное потребление кислорода составляет лишь 0,0019% от его запаса в атмосфере, а снижение запаса кислорода – лишь 0,0016%. При нынешних темпах потребления кислорода человечеству нужно более 600 лет, чтобы уменьшить содержание кислорода на 1%.

Откуда же на нашей планете взялись столь большие запасы молекулярного кислорода, что даже современный уровень антропогенного воздействия на атмосферу не способен заметно их понизить? Более 4 млрд. лет назад, когда на Земле зародилась жизнь, атмосфера состояла из углекислого газа, азота, аммиака, водорода, метана и паров воды, но свободный кислород в ней отсутствовал (Одум, 1989, Воронов и др., 2002). Из-за отсутствия кислорода не существовало и озонового слоя, экранирующего ультрафиолетовое излучение Солнца (!), которое свободно достигало поверхности суши и океана. Поэтому жизнь могла развиваться только под защитой слоя воды. Древнейшая жизнь существовала, по-видимому, в виде анаэробных прокариотических организмов, получающих энергию и пищу от органических веществ абиогенного происхождения, образовавшегося еще раньше. Постепенно запасы органических веществ, образовавшихся в добиологический период существования Земли, были исчерпаны, и перед живыми организмами встала проблема по поиску альтернативного (по отношению к органическим веществам абиогенного происхождения) источника энергии. Таким источником стал солнечный свет, за счет энергии которого живые организмы стали осуществлять реакцию фотосинтеза. Первыми фотосинтетическими организмами могли быть анаэробные бактерии, подобные современным пурпурным или зеленым серобактериям (Заварзин, 1984). Следы анаэробного фотосинтеза в виде сульфатных минералов прослеживаются в отложениях возраста 3,5-4 млрд. лет. Однако этот тип фотосинтеза не приводит к образованию свободного молекулярного кислорода.

Оксигенный (то есть кислородопродуцирующий) фотосинтез появился около 2,7 млрд. лет назад (Башкин, 2002). Первоначально он осуществлялся прокариотическими организмами, близкими к современным цианобактериям. Именно аэробный фотосинтез положил начало наиболее масштабным биогеохимическим преобразованиям, приведшим к формированию окислительной атмосферы Земли. В атмосфере свободный кислород появился существенно позже, поскольку он в течение нескольких сотен миллионов лет расходовался на окисление различных восстановленных веществ, в первую очередь растворенных в морской воде ионов железа с выпадением в осадок окиси железа. Около 2 млрд. лет назад, когда была окислена вся масса недоокисленных соединений, начался процесс быстрого роста массы атмосферного кислорода. Стали развиваться формы аэробных организмов, использующих кислород для окисления органических веществ и тем самым получения энергии для существования. Аэробное окисление по сравнению с анаэробным брожением является более выгодным энергетическим процессом. Увеличение энергетических возможностей живых организмов создало основу для интенсификации метаболизма и усложнения их структуры. В результате 1,4 млрд. лет назад началось бурное развитие эукариотических организмов, а примерно 1,3 млрд. лет назад появились многоклеточные растения и животные (Воронов и др., 2002).

Количество свободного кислорода в атмосфере планеты между тем продолжало все увеличиваться. Под действием коротковолнового излучения молекулярный кислород (O2) превращается в озон (O3). Спектр поглощения озона приходится на ультрафиолетовый диапазон, в результате озоновый слой атмосферы (или, как его часто называют, озоновый экран) является барьером для ультрафиолетового излучения Солнца (!). Озон образовывался даже при минимальных концентрациях кислорода в атмосферном воздухе, но достаточную эффективность защиты от ультрафиолета озоновый экран (!) приобрел при содержании кислорода, составлявшем 10% от современного уровня (точка Веркнера-Маршалла). Жизнь получила возможность выйти на сушу, которую и реализовала около 500 млн. лет назад (Воронов и др., 2002).

Процесс возрастания массы кислорода не был непрерывным. За последние 500 млн. лет общая тенденция к росту массы свободного кислорода маскировалась значительными колебаниями. Эти колебания определялись соотношением продуктивности фотосинтеза и процессов разложения запасов органического вещества. Так, распространение влажного теплого климата на основной части поверхности суши в карбоновом периоде (270-330 млн. лет назад) привело, с одной стороны, к увеличению продуктивности фотосинтеза, с другой, к возрастанию массы захороненного органического вещества (поскольку в переувлажненных почвах процессы разложения лимитируются недостатком кислорода). В результате имел рост массы кислорода. Резкое понижение массы свободного кислорода в поздней перми-триасе (180-250 млн. лет назад) было связано с аридизацией суши, что снизило первичную продукцию и улучшило условия для разложения биомассы и органических веществ почвы.

Современная кислородная атмосфера планеты образовалась в результате двух процессов: 1) жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов, от первичных оксигенных бактерий до современных покрытосеменных растений; 2) вывода органического углерода из биосферного круговорота.
В процессе фотосинтеза кислород выделяется в свободном виде, в то время как углерод входит в состав органического вещества. Подавляющая часть органического вещества после ряда трансформаций (первичные продукты фотосинтеза, биомасса, детрит, гумус) окисляется живыми организмами с образованием углекислого газа. Однако в каждом из таких циклов небольшая часть органического вещества выводится из круговорота и захоранивается в осадочных породах. Так как аэробная биосфера существует уже около 2 млрд. лет, подавляющая часть углерода, входившего в состав первичной атмосферы, уже выведена из биосферного круговорота и находится в пассивном виде в осадочных породах литосферы.
Причем в концентрированной форме (то есть в залежах ископаемого топлива) находится сравнительно небольшая часть захороненного углерода (24 320 Гт КЭ). Около 32 000 000 Гт КЭ органического вещества диспергировано в осадочных породах и практически недоступно для возвращения в биосферный круговорот. Кислород же, прежде соединенный с углеродом этого органического вещества, находится в атмосфере. Именно недоступность углерода органического вещества осадочных пород и объясняет столь малую потенциальную возможность человечества влиять на содержание кислорода атмосферы.

Статья д.б.н. Замолодчикова Д.Г. - Недостаток кислорода: миф или реальность?

Я бы сказал, что "небиологическое" образование кислорода происходит еще выше - в мезосфере. В тех слоях атмосферы, где ультрафиолетовое излучение максимально, и ионизации подвергаются все газы, составляющие атмосферу.

А что касается "биологического" кислорода, то есть одно НО.

По существующим балансовым оценкам, наземные экосистемы России выделяют около 560 млн. т кислорода в год. С учетом антропогенного потребления, Россия поглощала 2170 млн. т кислорода в 1990 г. и 1310 млн. т кислорода в 1999 г.

Если принять в расчет потребление кислорода гетеротрофными организмами, то превышение продукции кислорода над его естественным потреблением для территории России составит около 560 млн. т в год, что не компенсирует антропогенное потребление кислорода Российской Федерацией.

Таким образом, естественно предположить, что наземные экосистемы России возможностями своих естественных стоков СО2 не способны также компенсировать антропогенные выбросы углекислого газа, образующегося на территории страны.

Так не слишком ли мы преувеличиваем возможности территории России, считая ее неким "донором" в оздоровлении окружающей среды в мировом масштабе?

ultra, статьи интересны, однако есть ли какие-нибудь возражения по моей статье?
Насчет энергии для ионизации особенно интересно: "В процессе ионизации кислород имеет преимущество: он требует для этого наименьшей энергии среди всех составляющих атмосферу газов - 12,5 эВ (у водяного пара - 13,2; углекислого газа - 14,5; водорода - 15,4; азота - 15,8 эВ)."
Т.е. получается после кислорода вода имеет преимущество перед всеми другими веществами, что подтверждает возможность образования кислорода из воды.

Вообще гипотез о происхождении воды на Земле довольно таки много.

Но мне представляется, что наиболее интересной и правдоподобной гипотезой о формировании Мирового океана является гипотеза о внутрипланетном происхождении воды, описанная в книге "Основы геофизики", Орлёнок В.В., Калининград, 2000. – 446 с. ссылка

Чтобы не скачивать всю эту без сомнения интересную книгу, возможно скачать только раздел книги "История планетарной воды" ссылка

В принципе эту книгу за 100 рублей можно приобрести вот здесь. ссылка "Мир воды", Дерпгольц В. Ф. — Л.: Недра, 1979 г.

Но эта книга для любителей древности. В смысле для любителей "древних" книг.

[quote="ultra#19.11.2006 00:43"][quote="По существующим балансовым оценкам, наземные экосистемы России выделяют около 560 млн. т кислорода в год. С учетом антропогенного потребления, Россия поглощала 2170 млн. т кислорода в 1990 г. и 1310 млн. т кислорода в 1999 г.?[/quote]
А по другим данным Россия выдает 8-8,5 мрд. т кислорода потребляя при этом не более 3.5 млрд. т. ссылка
По моему Ваши балансовые оценки писались в Японии.
Японцы умудрились в рамках Киотского лохотрона, оценить способность своих лесов к поглощению на уровне 57% от российских, при площади страны в 45 раз меньшей чем в России.
Спасибо за ссылки. Если первоначально кислород атомсферы
действительно стал образовываться из воды, то сжигая ископаемое топливо мы вроде как продляем жизнь планете.

Да, это цифры Замолодчикова Д.Г. Он же доктор биологических наук. Вот я и поверил в эти цифры.

Вообще, уже не понятно в какие цифры верить.

Вот еще для примера. В статье "Попытки отодвинуть Россию: размышления над протоколом" Н.Ф. Ткаченко, д.т.н., чл.-корр. РАЕН, ген. директор Национального Углеродного Фонда утверждает, что только сжигание традиционных энергоресурсов (нефти, газа и угля) в стране поглощает ежегодно около 35 млрд.т чистого атмосферного кислорода! Это уже на порядок отличается от циферь, которые приводили Вы и я.

Не понял из Ваших цифр, приведенных в презентации. Если леса производят 4,5-6,5 млрд. т кислорода, а Россия производит 8-8,5 млрд. т, то за счет чего производится полученная разница 2-3,5 млрд. тонн ?

Кстати, о благотворном сжигании топлива и эмиссии водяных паров в атмосферу. В той же статье Н.Ф.Ткаченко утверждается, что нефтегазовый комплекс России по простым оценкам ежегодно выбрасывает в атмосферу Земли дополнительно не менее 12 млрд.т воды.
Баланс явно не в пользу сохранения Мирового океана.

Еще одна интересная книга. ссылка В.В.Орленок. "История океанизации Земли", Калининград: 1998. - 248 с.

ultra,
Н.Ф. Ткаченко обещал прокомментировать и уточнить.

vaselich, а из-за чего вообще весь спор? Воды скоро не будет или кислорода?
Чего лучше запасать на зиму?

Maut,
мне все это обсуждение напоминает один анекдот из жизни программистов:

"- Папочка, а почему солнышко утром встает?
- А ты проверял, оно каждое утро так делает?
- Да, папочка, проверял...
- Ну и не трогай, сынок, работает - и хорошо, пусть и дальше работает..."

Да спора в общем то нет. Едет выяснение объемов антропогенного воздействия по сжиганию кислорода и возможностей нашей территории по генерации кислорода.
В зависимости от этого баланса можно рассматривать ответственность России перед другими странами, в соответствии со статьей 2 Декларации РИО 1992г:
"в соответствии с Уставом Организации Объединенных Наций и принципами международного права государства имеют суверенное право разрабатывать свои собственные ресурсы согласно своей политике в области окружающей среды и развития и несут ответственность за обеспечение того, чтобы деятельность в рамках их юрисдикции или контроля не наносила ущерба окружающей среде других государств или районов за пределами действия национальной юрисдикции"...,
А если у России баланс отрицательный, то России должны платить другие страны за нанесение ущерба и использование ее природных ресурсов.
Но нам почему то некоторые "экологи" постоянно навязывают данные о том, что мы больше всех выбрасываем, мы самые грязные, наши бореальные леса кислород не выделяют (а японские выделяют) или страшилки выдумывают типа наша тундра скоро растает и мы задохнемся от метана и т.д. Своих медведей, барсов и других в Европе отстреляли в свое время, леса повырубали, а теперь нас учат чтобы мы леса не трогали и жили как медведи.
Так, что на зиму дрова надо заготавливать, и смотреть чтобы чубайсята и зеленые кислород не перекрыли, ради поставок "чистой" энергии в "чистые" страны "богатые" кислородом...

А мне сказку про "Вершки и Корешки"