Ученые Пермского Политеха рассказали, что производит больше кислорода — леса или океан и почему его избыток приводит к похолоданию.
«С момента формирования Земли и в течение первых двух миллиардов лет ее существования в атмосфере Земли практически отсутствовал кислород. Так как это химически активный газ, он сразу вступал в реакцию, образуя оксиды, — воду и горные породы. Высокое содержание кислорода в современной атмосфере обусловлено фотосинтезом с выделением кислорода (а бывает фотосинтез и без выделение кислорода) и снижением вулканической активности. Благодаря этому уменьшилось поступление в атмосферу и на поверхность Земли веществ, на окисление которых расходовался кислород, полученный фотосинтезом», — рассказывает Вадим Шарифулин, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной физики Пермского Политеха.
До распространения кислорода в воздухе биосфера была преимущественно анаэробной, то есть представлена организмами без кислородного дыхания, при этом аэробные (нуждающиеся в кислороде) организмы обитали лишь в изолированных кислородных карманах. Когда кислород стал накапливаться в атмосфере, аэробные организмы стали обитать повсеместно, в то время как анаэробные перебрались жить в бескислородные карманы. В итоге это привело к появлению сложных многоклеточных форм жизни. Появление кислорода в атмосфере сформировало озоновый слой, уменьшив поступление ультрафиолетового излучения на поверхность Земли, сделав сушу более обитаемой. Интересно, что фотосинтезирующие бактерии, распространившиеся вместе с кислородом, извлекали из атмосферы углекислый газ, что привело к снижению парникового эффекта, глобальному оледенению и массовому вымиранию.
Леса не только вырабатывают кислород, но и поглощают его. Например, тропический дождевой лес обладает огромной и плотной зеленой биомассой, вырабатывающей большое количество кислорода. При этом своеобразный микроклимат, который создают дождевые леса, способствует активному разложению органики — опавших листьев, отмерших растений. Бактерии актиномицеты, грибы и насекомые, которые питаются этой органикой, потребляют кислород примерно в том же объеме, что и вырабатывается тропическим лесом.
Совсем другой пример — лиственные дубравы и хвойные леса средней полосы России. Они также выделяют кислород, однако в силу климата разложение органической подстилки (которой относительно немного) происходит не столь быстро. Соответственно, кислорода на разложение отмерших листьев и растений требуется меньше. Чем больше пластина листа, его фотосинтезирующая площадь, тем больше кислорода дерево выделяет. Так, тополь вырабатывает столько же кислорода, сколько 10 берез. В хвойном лесу процесс фотосинтеза продолжается больший период времени, поэтому он почти круглогодичен. Для сравнения: с гектара хвойного леса за год можно получить 11 тонн кислорода, а дубрава даст 18 тонн.
«Функция лесов состоит еще в том, что они улавливают парящую в атмосфере пыль и сажу: один гектар лиственного леса за лето «захватывает» 56 тонн загрязнений. Деревья их поглощают и отправляют дальше в круговорот веществ. Поэтому важно решать проблемы загрязнения воздушного бассейна. Выбросы крупных промышленных городов и автотранспорта, стирание дорожного полотна оказывают увеличенную нагрузку на лесопарковые зоны, способствуют ослабеванию растений, что приводит к развитию у них заболеваний», — отмечает Мария Комбарова.
Кроме кислорода, деревья выделяют фитонциды — биологически активные вещества, которые защищают нас от бактериальных и вирусных инфекций. Березовый лес за сутки вырабатывает 3 кг фитонцидов, хвойный бор — пять килограммов, а можжевеловый лес — 30 килограммов.
Воды мирового океана населяет фитопланктон, подводные «сады» нитчатых, бурых, желто-зеленых и прочих водорослей. Фитонциды они не выделяют, однако не менее важны для кислородного баланса в атмосфере. По научным данным, водорослями вырабатывается 50-60% всего кислорода нашей планеты. Фитопланктон населяет океаны, моря, пресноводные водоёмы. Кроме выработки кислорода, он также отвечает за очищение воды от тяжелых металлов, соединений промышленных сбросов.
«Водоросли являются также основной кормовой базой для мальков почти всех видов рыб. Погибает фитопланктон — умирает и огромная масса рыбы. При загрязнении воды меняется и видовой состав водорослей. Нарушается процесс их жизнедеятельности, например, самыми уязвимыми являются диатомовые водоросли и желто-зеленые водоросли, в случае гибели которых меняется минеральный состав воды. На отмерших водорослях начинают обильно размножаться бактерии, которые потребляют для жизни кислород. Таким образом нарушается и кислородный баланс.
Следом за этим чуткие к кислороду микроорганизмы, очищающие воду (фильтраторы, седиментаторы) погибают. После их гибели процесс самоочищения водоема нарушается или вовсе прекращается. Водоемы в подобных случаях могут даже прекратить свое существование — столь значительным бывает заиливание. Тогда вода становится непригодной для питья, рыбоводства и сельскохозяйственных нужд. Купание в таких водоемах может привести к проблемам для здоровья: инфекционным дерматозам, аллергическим высыпаниям», — объясняет ведущий инженер Пермского Политеха Мария Комбарова.
К сокращению популяции водорослей приводит и глобальное потепление. Меняется температура воды, вследствие чего происходит изменение видового состава водорослей, а также их численности: объем то сокращается, то увеличивается. При этом дисбалансе страдает и рыба: то от бескормицы, то от продуктов цветения воды. Другой важный фактор — плавающие в океане огромные острова мусора. Морская вода является агрессивной средой, которая разъедает отходы. Из них в воду поступают органика и другие вещества, обычно негативно изменяющие численность и разнообразие водорослей и бактерий.
Порой бывает, что в условиях неразвитой или устаревшей водоотводящей системы, сточные воды с жилых домов и предприятий попадают в водоемы. Выбросы содержат, например, азот, который выделяется из органических отходов, и фосфор как один из компонентов моющих средств. Это является прекрасной питательной средой для бактерий и водорослей, которые под воздействием этих загрязнений массово развиваются в нетипичном видовом составе. Все это также приводит к деградации и гибели водоемов. Для проверки сточных вод на производствах используют метод биоиндикации. На очистных сооружениях изучают состояние активного ила — сообщества бактерий и микроорганизмов, участвующих в очистке воды.
Анализ показывает, например, в каком состоянии находятся фильтрующие микроорганизмы: активны ли они, нормально ли питаются и размножаются. Чтобы восстановить нужные микробные ассоциации, ил насыщают кислородом и питательными веществами. Биоиндикация применяется на предприятиях, где образуются и очищаются сточные воды. Еще один метод оценки качества воды — биотестирование. В испытуемую воду помещаются, например, микроскопические рачки или водоросли. Выявляются нежелательные изменения, определяется возможность получения у этих микроорганизмов здорового потомства.
«Я считаю, что эти методы должны применяться параллельно. Биоиндикация — в процессе очистки, а биотестирование — на очищенных сточных водах», — заключает Мария Комбарова.
Таким образом, если на Земле исчезнут леса, кислород продолжит поступать в атмосферу в больших объемах. Однако деревья очищают воздух от пыли и сажи, а также вырабатывают фитонциды, которые подавляют развитие болезнетворных бактерий. Это делает леса незаменимыми для человека.
Доля кислорода в земной коре достигает 47 процентов. Он входит в состав почти всех горных пород в качестве компонента оксида. Например, песок и гранит — это оксид кремния, железная руда — оксид железа. Минерал апатит используется для производства фосфорных удобрений, керамики и стекла, а из доломита делают, например, декоративную плитку как для облицовки зданий, так и для внутренней отделки.
Вадим Шарифулин отмечает, что среди газов кислород обладает самыми сильными магнитными свойствами — намагничивается он примерно в 50 раз лучше, чем гелий и водород. Чем ниже температура кислорода, тем сильнее его магнитные свойства. Например, без специальных приспособлений можно увидеть, как к сильному магниту притягивается жидкий кислород (температура его при этом ниже –183 градусов). Выдающиеся магнитные свойства позволяют определять концентрацию кислорода в смесях газов с помощью газоанализаторов, которые применяются в научных исследованиях, медицине, различных производствах, предприятиях добычи нефти, газа, горных пород.
Ассистент кафедры химических технологий Пермского Политеха Вячеслав Пунькаев рассказывает, что в промышленности кислород получают сжижением воздуха в холодильных машинах. Азот испаряют, а полученный чистый кислород применяют во многих отраслях промышленности: для модернизации и повышения эффективности металлургических процессов, при сварке и резке металлов, при производстве серной и азотной кислот, для реактивных двигателей. В чистом кислороде горение протекает интенсивнее, чем на воздухе. Многие вещества, которые на воздухе не горят вовсе из-за азота, могут воспламениться и расплавиться в кислороде, например, железо и сталь. Это упрощает технологию обработки материалов.
«Интересно, что обычная хлопчатобумажная одежда не воспламеняется от случайного разряда статического электричества, но это происходит в атмосфере с чистым кислородом и достаточно высоким давлением. Все дело в молекулярной природе газа. Газ — это отдельные молекулы, чем выше концентрация молекул, тем выше вероятность их столкновения и того, что они вступят в химическую реакцию. Например, есть такой способ предотвращения пожаров: в помещении повышают концентрацию азота до 85 процентов, тем самым снижая концентрацию кислорода до 15 процентов. В таких условиях здоровый человек может дышать по-прежнему без вреда для здоровья, но та же бумага практически не горит. То есть у горючих молекул бумаги больше вероятность встретиться с химически нейтральным азотом, чем с кислородом», — добавляет Вадим Шарифулин.
При этом избыток кислорода может привести к передозировке. Например, при дыхании чистым кислородом через 10-15 минут наступает онемение и дрожание губ, которое при более длительном воздействии переходят в судороги и потерю сознания. Долгое пребывание в состоянии кислородного отравления может привести к смерти. Однако само по себе это отравление — явление специфичное и в бытовых условиях случиться не может. Подвержены ему, например, водолазы и подводники.
Евгений Бурмистров, математик первой категории кафедры математического моделирования систем и процессов и преподаватель Политехнической школы ПНИПУ, рассказал, что за пределами земной атмосферы, на космических станциях, таких как МКС, космонавты оснащены кислородом благодаря системам жизнеобеспечения, а именно — генераторам кислорода. Они разлагают воду на водород и кислород электролизом. Кислород затем используется для дыхания экипажа. Откуда на МКС вода? Во-первых, ее поставляют с Земли грузовыми кораблями вместе с оборудованием и продовольствием. Во-вторых, вода на МКС рециркулируется и повторно используется. Использованная вода проходит через системы очистки и фильтрации, чтобы быть снова доступной для потребления. В-третьих, влагосборное оборудование собирает конденсат из атмосферы МКС, направляет его в системы очистки и хранения.
«На Марсе проблема обеспечения кислородом более сложная из-за отсутствия готовой атмосферы, богатой кислородом. Планируемые миссии на Марс должны решить эту проблему. Один из способов — использование собственных систем жизнеобеспечения, подобных тем, что используются на космических станциях, но с более эффективными технологиями для получения кислорода из доступных ресурсов. Например, миссии на Марс могут включать в себя использование электролиза для извлечения кислорода из воды, которая может быть найдена на Марсе в виде льда или подземных ресурсов», — рассказывает Евгений Бурмистров.
Рассматриваются и другие методы: например, выращивание растений или использование химических процессов для извлечения кислорода из газовых компонентов атмосферы Марса.
Кислород необходим для производства и обработки многих материалов, окружающих нас ежедневно. Кислород обеспечивает условия для жизни на Земле, при этом выработка его нарушается из-за вредных выбросов в атмосферу и водоемы. Чтобы сохранить биологический баланс, необходимо особое внимание уделять очистным установкам, а также поддерживать здоровье лесов и фотосинтезирующих микроорганизмов, населяющих Мировой океан.