2.3.1. Кислород
Кислород играет исключительно важную роль в природе. Все живые организмы на Земле используют кислород в процессе дыхания; процессы гниения органических остатков также протекают при участии кислорода: образующиеся при этом СО2, Н2О, N2 и минеральные соли вновь вступают в круговорот веществ в природе.
Все клетки человеческого организма требуют бесперебойной доставки кислорода, который используется в различных обменных реакциях. Кислород доставляется к тканям организма кровью. Кровь насыщается кислородом в легких, где этот газ присоединяется к содержащемуся в крови белку - гемоглобину. Гемоглобин обладает способностью присоединять кислород, превращаясь в оксигемоглобин (HbO2).
Количество кислорода, потребляемого организмом, отражает интенсивность окислительных процессов во всех органах и тканях и характеризует освобождающуюся при этом энергию. Потребление 1 л. кислорода соответствует выделению 19,7-24,7 кДж.
Уменьшение содержания кислорода в воздухе отрицательно сказывается на самочувствии человека: возникают головокружения, тошнота, удушье и т.д. Мозг человека и других млекопитающих не может функционировать без кислородного обмена, поэтому уже через несколько минут после прекращение дыхания наступает смерть.
Кислород составляет около 50 % массы почвы. В свободном состоянии он присутствует в почвенном воздухе, а в связанном состоянии входит в состав минеральных и органических компонентов твердой фазы почвы и почвенного раствора.
Кислород является энергетической основой сложной микробиологической жизни почвы. Почвы, особенно их верхние горизонты, населены множеством организмов, которые в процессе дыхания потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Образующаяся при этом энергия используется для биологических синтезов, протекающих в почве, усвоения растениями минеральных солей и воды, перемещения веществ в растениях и т.п.
При недостатке кислорода в почве микробиологическая активность и энергетические ресурсы растений снижаются, а при отсутствии свободного кислорода в воздухе развитие растений прекращается. Недостаток кислорода в почве приводит к снижению ее окислительно-восстановительного потенциала.
При этом развиваются анаэробные процессы с образованием соединений, токсичных для растений, ухудшаются физические свойства почвы и снижается ее плодородие. В условиях хорошей обеспеченности кислородом в почве развиваются аэробные процессы и создаются условия для нормального роста растений и повышения их продуктивности.
Содержание кислорода в поверхностных водоемах определяется поступлением его из воздуха. Максимум содержания растворенного кислорода наблюдается летом, в период интенсивной фотосинтетической деятельности растительных организмов. В зимний период содержание кислорода в воде резко уменьшается из-за трудности реаэрации, т.е. насыщения воды кислородом и в связи с поступлением в водоемы подземных вод, почти не содержащих кислорода.
В придонных слоях поверхностных водоемов кислорода меньше, т.к. он расходуется на окисление данных отношений. Снижение концентрации растворенного кислорода может указывать на загрязнение водоемов органическими соединениями. При этом недостаток кислорода ограничивает способность природных водоемов к самоочищению. Поэтому при замедлении процессов самоочищения, водоемы подвергают искусственной аэрации [13].
В атмосфере происходят естественные и антропогенные изменения энерго- и массообмена. Эти изменения связаны с проблемами энергетики, сокращением фитопокрова планеты и др.
Переходя непосредственно к рассмотрению данных вопросов, остановимся, прежде всего, на проблеме энергетики.
На Земле с того момента, когда первобытные люди открыли способ добывания огня, началась эпоха кислородной энергетики, в основе которой лежит сжигание различных видов углеродного топлива, что требует расхода свободного кислорода и вызывает генерацию СО2. Эпоха этого вида энергетики продолжается и в настоящее время с той разницей, что со временем человечество открывало новые виды топлива, изменяло долевое их участие в выработке энергии и наращивало масштабы мирового потребления.
В середине 70-х годов нашего столетия ежегодное потребление кислорода на сжигание топлива составляет около 14 млрд. т. при одновременном поступлении около 18 млрд.т. СО2. К 2002 г. потребление кислорода на эту акцию может возрасти до 40 млрд. т/год. К этому необходимо добавить расход кислорода на дыхание, разложение органических остатков и др. С учетом всех видов расхода ежегодное потребление кислорода достигнет к 2020 г. 210-230 млрд. т., а вся фитосфера в год продуцирует 240 млрд. т. кислорода. Используя эти данные можно прийти к выводу, что к 2020 г. в атмосфере вместо 21% кислорода останется 8 %.
Таким образом, при таком расходе кислорода неизбежно начнется истощение запасов и деградация установившихся многовековых динамических равновесий в природных геосистемах.
Сокращение количества кислорода в атмосфере связано также с рядом других антропогенных и естественных факторов. Одним из этих факторов является сокращение лесного массива планеты. Древесина - ценное сырье, которое используется в настоящее время почти во всех областях деятельности человека (топливо, бумага, мебель и т.п.). сокращение лесного покрова вызывает ежегодно выделение кислорода.
Сокращение фитомассива происходит за счет вырубки лесов и лесных пожаров. Причем естественное возгорание происходит в одном случае из десяти, остальное количество пожаров вызвано небрежностью человека.
Растения океана выделяют огромное количество кислорода в атмосферу. Продукция кислорода в океане заметно убывает в связи с загрязнением океана, особенно шельфов, где продуцируется основная масса кислорода акваторий.
Расход кислорода идет и в естественных процессах, таких, например, как вулканические извержения.
2.3.2 Круговорот кислорода в природе
Цикл кислорода занимает на Земле около 2000 лет. Основным источником кислорода для современной атмосферы является фотосинтез автотрофных растений. Ежегодно в атмосферу поступает 201016 г кислорода за счет фотосинтеза. Некоторое количество кислорода поступает в атмосферу в результате фотодиссоциации водяного пара. При воздействии на молекулы водяного пара Н2О жесткого ультрафиолетового излучения (=0,175-0,203 мкм) образуется свободный водород, атомы которого в верхних слоях атмосферы могут обладать достаточно большими скоростями движения для преодоления силы тяготения Земли. Потеря некоторой части водорода, образовавшегося при диссоциации молекул воды, приводит к образованию соответствующего количества свободного кислорода. Но его масса не превышает 0,1 % от общей массы О2 в атмосфере. Основным источником поступления О2 в атмосферу является фотосинтезирующая деятельность растений на суше и фитопланктона фотосферы океана.
Расход О2 происходит на дыхание животных и людей, окисление органического вещества гетеротрофных организмов и на деструкцию мертвого органического вещества.
Суммарный приход О2 в атмосферу в результате его биотического круговорота обеспечивает расход О2 на окисление горных пород и ряда газов, поступающих в атмосферу из глубоких слоев Земли. К числу этих газов принадлежат Со, SO2, H2S, H2 и др. Расход кислорода на окисление указанных газов составляет менее ј его прихода, тогда как на окисление горных пород расход более ѕ прихода кислорода.
Кислород участвует в образовании и разрушении озона:
О2 + h O* + O*
О2 + O* + м O3 + м
О3 + O* O2 + O2
Эти процессы одновременно происходят в атмосфере с разной частотой.
Жизнедеятельность живых организмов поддерживается современным соотношением в атмосфере кислорода и углекислого газа. Естественные процессы потребления углекислого газа и кислорода и их поступление в атмосферу сбалансированы.
Еще важным антропогенным воздействием, сокращающим количество кислорода в атмосфере, являются летательные и космические аппараты. Например, космический корабль «Шаттл» за один свой полет сжигает столько кислорода, сколько его выделяют 48 гектаров леса в год. Кислород находится в непрерывном круговороте на нашей планете. Этот процесс является общепланетарным и связывает воедино атмосферу, гидросферу и литосферу [14].
В атмосфере кислород содержится в количестве около 21 % (об.). В гораздо меньших количествах он присутствует в атмосфере в виде озона - О3, образуя озоновый защитный слой, который располагается на высоте 25-35 км и защищает нашу планету от УФ-излучения. На низких высотах (тропосферный озон) он является одним из компонентов фотохимического смога и оказывает вредное воздействие на живые организмы.
2.3.3 Озоновый защитный слой
Озоновый защитный слой определяет верхний предел жизни в биосфере. Он появился вместе с появлением в земной атмосфере кислорода. Озона в атмосфере очень мало, всего 410-7 об.%. Однако, этого количества вполне достаточно, чтобы оградить планету от УФ-излучения. Озон обладает очень сильным поглощением. Он полностью поглощает всю энергию в полосе от 2900 до 2200 А, что совершенно исключает попадание на поверхность Земли губительных для всего живого солнечных лучей короче 2900 А. Кроме того, озон поглощает ИК излучение Земли, препятствуя ее охлаждению.
Озон образуется в атмосфере по уравнению:
3О2 2О3 (1)
Атомы кислорода, необходимые для образования озона, получаются за счет фотохимической диссоциации молекул:
О2 + h = 2O < 240 нм
Возможна реакция образования озона:
О2 + O* + м O3 + м (2)
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15
