Меню

Регулирует содержание кислорода в атмосфере



Регулирует содержание кислорода в атмосфере

6. Автоматический механизм, ограничивающий содержание в атмосфере кислорода, образующегося в результате неорганической фотодиссоциации воды, на уровне 0,001 его современного содержания

Теперь мы можем решить самый существенный вопрос истории атмосферы. Вот он: не мог ли весь свободный кислород нашей атмосферы возникнуть в результате неорганического процесса — фотодиссоциации паров воды при облучении их ультрафиолетом Солнца? Раньше происхождение свободного кислорода именно так и объясняли, и теория допускала такое объяснение. На Земле с тех пор, как она охладилась, всегда, по-видимому, была много воды, а ведь, как известно, водяные пары под действием жесткого ультрафиолета диссоциируют.

Но количество образующегося таким образом кислорода, как показал Г. Юри, строго ограничено. Регулирующий механизм связан с различиями в вертикальном распределении водяных паров и кислорода. Как мы видели, водяные пары задерживаются в «холодной ловушке», а кислород распределен по экспоненциальному закону. Значит, кислород заходит в атмосфере гораздо выше, чем вода. Кроме того, ультрафиолет тех длин волн, которые способны разлагать воду, поглощается кислородом. Значит, кислород должен эффективно защищать водяные пары от дальнейшего воздействия ультрафиолетового излучения, от дальнейшей диссоциации.

Расчеты показывают, что содержание кислорода, продуцируемого при неорганической фотодиссоциации воды, не может подняться выше 0,001 его современного содержания в атмосфере [2].

Фотодиссоциация воды происходит за счет энергии, которую передают молекуле воды кванты света, поглощаемые ею. Значит, этот процесс должен вызываться светом тех длин волн, которые сильно поглощаются водяными парами. Фиг. 86 показывает, что наиболее высокие коэффициенты поглощения наблюдаются для длин волн от 150 до 200 нм. На том же графике мы можем видеть, что и СО2 и О2 тоже сильно поглощают в этой области. На фиг. 92 показано, что солнечные лучи должны преимущественно поглощаться именно кислородом и двуокисью углерода. Если в атмосфере присутствует достаточное количество этих газов, то они распределяются по вертикали экспоненциально, экранируя жесткое излучение выше «холодной ловушки», в которой остается вода.


Фиг. 92. Интегрированные длины путей в водяном паре (при современном его содержании в атмосфере) и в кислороде (при 0,001 его современного содержания) [1]. (При таком содержании кислорода водяные пары защищены от диссоциирующего действия ультрафиолета при длине пути 35 см (в нормальных условиях). Этот защитный эффект достигается уже на высоте 12 км от поверхности Земли, т. е. выше зоны ‘холодной ловушки’, в которой задерживается почти вся парообразная вода. Не забудьте, что длины пути отложены по логарифмической шкале, поэтому длина пути при перемещении по графику влево резко уменьшается. Влияние двуокиси углерода близко к действию кислорода, но, как показано на фиг. 93, оно менее значительно, так как содержание этого газа в атмосфере меньше

На фиг. 93 представлены суммарные графики поглощения света с длиной волны от 150 до 180 нм для двух моделей ранней атмосферы с различным содержанием кислорода. Содержание водяных паров принято в обоих случаях одинаковым, так как вода на Земле была одинаково широко распространена в течение всей геологической истории. В одной модели содержание СО2 также принято равным современному, а в другой — в десять раз выше. Поглощение мало зависит от содержания СО2, так как этого газа в атмосфере немного. Основная роль здесь принадлежит О2. Можно, не боясь ошибиться, сказать, что автоматический регулирующий механизм действует при содержании кислорода в атмосфере, составляющем 0,001 современного.


Фиг. 93. Автоматический механизм регуляции неорганического производства-кислорода в первичной атмосфере [2]. Рассмотрены два варианта первичной атмосферы, в обоих содержание воды принято равным современному. Содержание СО2 в одном варианте также равно современному (сплошные кривые), а в другом — в 10 раз выше (прерывистые кривые). Кривые описывают поглощение до величины 1 эрг/(см 2 ⋅с) при ширине полосы 5 нм всего солнечного ультрафиолета с длинами волн от 150 до 180 нм. При содержании О2 в атмосфере ниже 0,001 современного поглощение излучения водой превышает поглощение кислородом. Но при более высоком содержании кислорода его роль сильно возрастает. Тогда водяной пар защищен от солнечного ультрафиолета и диссоциация воды прекращается. Порог срабатывания саморегулирующего механизма, ограничивающего производство О2 неорганическим путем, лежит там, где пересекаются кривые поглощения Н2О и О2

Беркнер и Маршалл [2] совершенно правильно подчеркнули, что этот очень важный механизм не позволяет никакому неорганическому процессу поднять содержание кислорода выше 0,001 современного. Следовательно, содержание кислорода могло повыситься только тремя способами: 1) за счет некоего неизвестного внеземного воздействия, 2) за счет вмешательства сверхъестественных сил и 3) в результате биогенного образования свободного кислорода. Из следующих разделов мы узнаем, как современная земная атмосфера могла развиться благодаря биогенной продукции кислорода.

Здесь следует обратить внимание еще на одну деталь. Описанный автоматический механизм в любой атмосфере зависит только от присутствия водяных паров. Уровень содержания кислорода, при котором этот механизм действует, может слегка изменяться в зависимости от колебаний содержания СО2, однако это изменение незначительно. Следовательно, данный механизм должен был действовать не только в примитивной земной атмосфере, но и в любой другой примитивной атмосфере. Он является общим для всех примитивных планетных атмосфер.

Читайте также:  Регулирует осмотические процессы в клетке ядро

Самое важное в предложенной Юри модели автоматического механизма ограничения уровня кислорода в атмосфере состоит в том, что кислород любого происхождения всегда будет подниматься выше, чем вода, остающаяся в «холодной ловушке». Следовательно, за счет высвобождения кислорода при органическом фотосинтезе содержание кислорода в атмосфере также вначале не сможет повыситься. Фотосинтез и фотодиссоциация — неаддитивные процессы. Появление в атмосфере кислорода, высвободившегося при фотосинтезе, должно привести к уменьшению скорости неорганической фотодиссоциации воды.

Только когда фотосинтез стал настолько распространенным, что только за его счет, без помощи других процессов содержание кислорода в атмосфере смогло подняться выше 0,001 его современного уровня, «барьер Юри» был преодолен.

Источник

Каково содержание кислорода в воздухе: процентный состав и норма

Воздух – это естественная смесь различных газов. Больше всего в нем содержатся такие элементы, как азот (около 77%) и кислород, менее 2% составляют аргон, углекислый газ и прочие инертные газы.

Кислород, или О2 – второй элемент периодической таблицы и важнейший компонент, без которого вряд ли бы существовала жизнь на планете. Он участвует в разнообразных процессах, от которых зависит жизнедеятельность всего живого….

Состав воздуха

О2 выполняет функцию окислительных процессов в человеческом теле, которые позволяют выделить энергию для нормальной жизнедеятельности. В состоянии покоя человеческий организм требует около 350 миллилитров кислорода, при тяжелых физических нагрузках это значение возрастает в три-четыре раза.

Сколько процентов кислорода в воздухе, которым мы дышим? Норма равна 20,95%. Выдыхаемый воздух содержит меньшее количество О2 – 15,5-16%. Состав выдыхаемого воздуха также включает углекислый газ, азот и другие вещества. Последующее понижение процентного содержания кислорода приводит к нарушению работы, а критическое значение 7-8% вызывает летальный исход.

Содержание прочих элементов в воздухе в различных условиях представлено в таблице ниже.

Кислород, % Углекислый газ, % Азот и другие элементы, %
Вдыхаемый воздух 20,95 0,03 79,02
Выдыхаемый воздух 16,3 4 79,7
Альвеолярный воздух 14,5 5 80,5

Из таблица можно понять, например, что в выдыхаемом воздухе содержится очень много азота и дополнительных элементов, а вот О2 всего 16,3%. Содержание кислорода во вдыхаемом воздухе примерно составляет 20,95%.

Важно понять, что представляет собой такой элемент, как кислород. О2– наиболее распространенный на земле химический элемент, который не имеет цвета, запаха и вкуса. Он выполняет важнейшую функцию окисления в атмосфере.

Без восьмого элемента периодической таблицы нельзя добыть огонь. Сухой кислород позволяет улучшить электрические и защитные свойства пленок, уменьшать их объемный заряд.

Содержится этот элемент в следующих соединениях:

  1. Силикаты – в них присутствует примерно 48% О2.
  2. Вода (морская и пресная) – 89%.
  3. Воздух – 21%.
  4. Другие соединения в земной коре.

Воздух содержит в себе не только газообразные вещества, но и пары и аэрозоли, а также различные загрязняющие примеси. Это может быть пыль, грязь, другой различный мелкий мусор. В нем содержатся микробы, которые могут вызывать различные заболевания. Грипп, корь, коклюш, аллергены и прочие болезни – это лишь малый список негативных последствий, которые появляются при ухудшении качества воздуха и повышении уровня болезнетворных бактерий.

Процентное соотношение воздуха – это количество всех элементов, которые входят в его состав. Показать наглядно, из чего состоит воздух, а также процент кислорода в воздухе удобнее на диаграмме.

Диаграмма отображает, какого газа содержится больше в воздухе. Значения, приведенные на ней, будут немного отличаться для вдыхаемого и выдыхаемого воздуха.

Диаграмма соотношение воздуха.

Выделяют несколько источников, из которых образуется кислород:

  1. Растения. Еще из школьного курса биологии известно, что растения выделяют кислород при поглощении углекислого газа.
  2. Фотохимическое разложение водяных паров. Процесс наблюдается под действием солнечного излучения в верхнем слое атмосферы.
  3. Перемешивание потоков воздуха в нижних атмосферных слоях.

Функции кислорода в атмосфере и для организма

Для человека огромное значение имеет так называемое парциальное давление, которое мог бы производить газ, если бы занимал весь занимаемый объем смеси. Нормальное парциальное давление на высоте 0 метров над уровнем моря составляет 160 миллиметров ртутного столба. Увеличение высоты вызывает уменьшение парциального давления. Этот показатель важен, так как от него зависит поступление кислорода во все важные органы и в кровяную систему.

Кислород нередко используется для лечения различных заболеваний. Кислородные баллоны, ингаляторы помогают органам человека нормально функционировать при наличии кислородного голодания.

Важно ! На состав воздуха влияют многие факторы, соответственно, может меняться процент кислорода. Негативная экологическая ситуация приводит к ухудшению качества воздуха. В мегаполисах и крупных городских поселениях пропорция углекислого газа (СО2) будет больше, чем в небольших поселениях или на лесных и заповедных территориях. Большое влияние оказывает и высота – процентное содержание кислорода будет меньше в горах. Можно рассмотреть следующий пример – на горе Эверест, которая достигает высоты 8,8 км, концентрация кислорода в воздухе будет ниже в 3 раза, чем в низине. Для безопасного пребывания на высокогорных вершинах требуется использовать кислородные маски.

Читайте также:  Пежо 206 ремонт регулировка

Состав воздуха изменялся с течением лет. Эволюционные процессы, природные катаклизмы привели к изменениям в биосфере, поэтому уменьшился процент кислорода, необходимый для нормальной работы биоорганизмов. Можно рассмотреть несколько исторических этапов:

  1. Доисторическая эпоха. В это время концентрация кислорода в атмосфере составляла около 36%.
  2. 150 лет назад О2 занимал 26% от общего воздушного состава.
  3. В настоящее время концентрация кислорода в воздухе составляет чуть менее 21%.

Последующее развитие окружающего мира может привести к дальнейшему изменению состава воздуха. На ближайшее время маловероятно, что концентрация О2 может быть ниже 14%, так как это вызовет нарушение работы организма.

Изменение содержания кислорода в воздухе на потяжении нескольких веков.

К чему приводит недостаток кислорода

Малое поступление чаще всего наблюдается в душном транспорте, плохо проветриваемом помещении или на высоте. Понижение уровня содержания кислорода в воздухе может вызвать негативное влияние на организм. Происходит истощение механизмов, наибольшему влиянию подвергается нервная система. Причин, по которым организм страдает от гипоксии, можно выделить несколько:

  1. Кровяная нехватка. Вызывается при отравлении угарным газом. Подобная ситуация понижает кислородную составляющую крови. Это опасно тем, что кровь прекращает доставить кислород к гемоглобину.
  2. Циркуляторная нехватка. Она возможна при диабете, сердечной недостаточности. В такой ситуации ухудшается или становится невозможным транспорт крови.
  3. Гистотоксические факторы, влияющие на организм, могут вызвать потерю способности поглощать кислород. Возникает при отравлении ядами или из-за воздействия тяжелых металлов.

По ряду симптомов можно понять, что организму требуется О2. В первую очередь повышается частота дыхания. Также увеличивается частота сердечных сокращений. Эти защитные функции призваны поставить кислород в легкие и обеспечить им кровь и ткани.

Недостаток кислорода вызывает головные боли, повышенную сонливость, ухудшение концентрации. Единичные случаи не так страшны, их довольно просто подкорректировать. Для нормализации дыхательной недостаточности врач выписывает бронхорасширяющие лекарства и другие средства. Если же гипоксия принимает тяжелые формы, такие как потеря координации человека или даже коматозное состояние, то лечение усложняется.

Если обнаружены симптомы гипоксии, важно незамедлительно обратиться к доктору и не заниматься самолечением, так как применение того или иного лекарственного средства зависит от причин нарушения. Для легких случаев помогает лечение кислородными масками и подушками, кровяная гипоксия требует переливания крови, а корректировка циркулярных причин возможна только при операции на сердце или сосуды.

Невероятное путешествие кислорода по нашему организму

Заключение

Кислород – важнейшая составляющая воздуха, без которой невозможно осуществление многих процессов на Земле. Воздушный состав менялся в течение десятков тысяч лет из-за эволюционных процессов, но в настоящее время количество кислорода в атмосфере достигло значения в 21%. Качество воздуха, которым дышит человек, влияет на его здоровье, поэтому необходимо следить за его чистотой в помещении и постараться сократить загрязнение окружающей среды.

Источник

Сейчас плохой воздух? Чем дышали динозавры

Атмосфера Земли нестабильна и за миллионы лет постоянно менялась. И во времена до человека воздух вовсе не был таким чистым и идеальным, как принято показывать в фильмах.

Основа земной атмосферы: азот и кислород, которые сейчас занимают около 78 и 21% соответственно. Это соотношение вполне комфортно для человека. Давайте посмотрим, каким же воздухом дышали динозавры.

Углекислый газ и бурный рост растений

Углекислый газ «отвечает» за тепло нашего климата. И провоцирует рост растений, ведь он необходим для питания посредством фотосинтеза.

Сейчас вклад углекислого газа, которого так боятся экологи, не превышает 0,04%. Чтобы возник парниковый эффект, содержание углекислого газа должно резко вырасти.

Если удвоить текущий уровень углекислого газа, то растения начнут расти на 41% быстрее, подсчитал биолог Павел Акатов в своей книге «Реакция растений на рост концентрации углекислого газа в атмосфере».

А в эпоху динозавров концентрация углекислого газа могло достигать 0,12-0,24% . То есть в 3-6 раз больше. Представляете, как быстро тогда вырастали огромные растения? Неудивительно, что динозавры вырастали до таких размеров, ведь их кормовая база обновлялась очень быстро.

Углекислого газа было так много из-за деятельности вулканов. Природа гораздо мощнее влияла на климат, чем любая деятельность человека. И климат был куда более теплым. Жара была такой, что леса постоянно горели — это подтверждено раскопками залежей древесного угля. А это провоцировало еще больший рост углекислого газа в атмосфере.

Именно в этих условиях в период так называемого верхнего триаса появились динозавры и начали распространяться по планете.

Больше динозавров — меньше кислорода!

Конечно дело не в том, что динозавры большие и своими легкими переработали весь кислород. Но в те времена с нашим главным биологическим элементом и правда были проблемы.

Концентрация кислорода во времена динозавров в среднем не превышала 15% (придирчивые читатели могут привести в пример цифру в 19% и будут правы. Но столько кислорода пришлось лишь на конец эпохи). А в начале появления динозавров, так вообще 10%. Для сравнения, 10% — это примерно уровень кислорода в выдыхаемом воздухе! Или высоко в горах. Дышать долго таким воздухом человек не смог бы.

К тому же, в жаре потребность организма в кислороде только возрастает. По сути, человек даже если бы очень хотел — не смог бы появиться в условиях «динозавренного» климата. Даже если бы отдельные люди выжили в таких условиях, они бы были вялыми, выносливость была бы на нуле.

Читайте также:  Карбюратор регулировка холостого хода с одним винтом

Источник

Про кислород в атмосфере

Масса атмосферы нашей планеты составляет всего лишь одну миллионную от массы Земли. Если школьный глобус покрыть кисточкой лаком, то это будет аналогия атмосферы. Однако без нее не возможна жизнь. Эта ничтожная воздушная пленка вокруг земного шара дает нам воздух для дыхания и определяет тепловой режим поверхности планеты. Основные газы атмосферы: кислород, азот и углекислота. На всех планетах, кроме Земли основными газами являются диоксид углерода и метан. На нашей планете почти весь углекислый газ находится во связанном состоянии в Мировом океане, в углеводородных залежах и прочих местах. Оставшиеся 0,03% совершают круговорот в атмосфере. В последнее время к ним добавился 0,01% углекислоты от промышленной деятельности человека. Этот, «наш», углерод отличается от естественного своим изотопным портретом, и в естественный круговорот не включается, а накапливается в атмосфере. Миллиарды лет природа создавала уникальную атмосферу с кислородом. Но этот тип атмосферы настолько же уникальный, насколько и ненадежный. Климатическая система биосферы и в до индустриальной эпохе была не устойчивой. Крутые изменения климата сотрясают планету периодически. Холодные периоды, когда ледники покрывают большую часть суши, длятся гораздо дольше, чем теплые. Нам всем крупно повезло. Последние 10000 лет стоит подходящая для хорошей жизни погода. Мы успели создать технологическую цивилизацию. Следующий ледниковый период наступит через 2 – 3 тысячи лет. Тогда орбита Земли изменится настолько, что холод окутает планету намного тысячелетий. Нам бы радоваться и беречь такую хрупкую атмосферу. Но человечество с маниакальным усердием разрушает биосферу и сжигает углеводородное топливо. Человек не только засоряет атмосферу парниковыми газами, но и забирает из атмосферы кислород.

Главным критическим фактором становится вовсе не масса углерода, выбрасываемая в атмосферу, и уничтожается кислород, а та высокая скорость с какой эти процессы происходят. Только за последние 50 лет на сжигание добытой неф­ти, угля, газа, дров, на рукотворные лесные пожары кислорода было израсходовано столько же, сколько за весь антропогенный период. По данным NASA, в 80-е годах 20 века годовая глобальная продукция кислорода в природных процессах оценивалась примерно в 200 млрд. т. За период 1980-1995 гг. только из-за сплошной вырубки тропичес­ких лесов годовая продукция кислорода сократилась ориентировочно до 189,8 млрд. т в год. То есть, за этот период кислорода в атмосфере стало на 8% меньше. Это, совсем не много. Но это ведь не за геологи­ческую эпоху, а всего лишь за каких-то 15 лет! И этот процесс только набирает обороты! Огромная климатическая система не может с такой скоростью приспосабливаться к новым реалиям. Сегодня ученые по результатам измерений изотопов различных веществ установили хронологию увеличений и падений концентрации кислорода в атмосфере Земли за последние 3,8 миллиарда лет. К удивлению обнаружили, что содержание кислорода скачкообразно менялось от максимума до минимума. Первое заметное увеличение содержания кислорода, так называемое «Великое окисление атмосферы», произошло 2,4 млрд лет назад. После этого уровень кислорода сильно упал. Второй скачок произошел через миллиард лет и назвали этот период «кислородной катастрофой». Причин таких взлетов и падений наука сегодня не знает. Но, нам крайне важно понимать одно, наша атмосфера с точки зрения термодинамики находится в неравновесном состоянии , т.е. она готова в любой момент с удовольствием навернуться. Современная концентрация кислорода в воздухе и количество растворенного углекислого газа в Мировом океане установилась примерно 580 миллионов лет назад, и именно это стало началом развития живых систем, появления многоклеточных в океане, а затем и на суше с последующей эволюцией и возникновением Homo sapiens. Когда стали анализировать динамику содержания кислорода и углекислого газа в атмосфере Земли основанную на анализе пузырьков воздуха из разных слоев ледяных шапок Гренландии и Антарктиды за последние 800 тыс. лет выяснили, что кислорода в атмосфере планеты стало на 0,7% меньше. По геологическим масштабам это нормальная скорость, но есть одна настораживающая подробность — снижение на 0,1% произошло всего, менее чем за 100 лет. Очевидно, причина такой скорости в деятельности человека, а именно в сжигании ископаемого топлива, которое поглощает кислород и выделяет в атмосферу углекислый газ.

Медленно и незаметно количественные изменения большинства жизненных показаний состояния биосферы накапливаются, и, в конце концов, это приведет к скачкообразным необратимым качественным изменениям в жизни планеты. Как роковая болезнь точит жизнь человека незаметно. А когда человек обращается к врачу, тот разводит руками: «Куда же вы, батенька, раньше смотрели?»

Знать все про изменение климата! Помимо того, что мы сообщаем о событиях, происходящих с климатом, мы исследуем причины и общаемся с учеными, экспертами, с людьми которые пытаются сделать наше будущее лучше. Поддержите этот канал, подпишитесь.

Источник

Adblock
detector