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).

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.

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.

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:

• 2Н₂О + 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].

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.

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.

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!