§ 46. Кислородно-азотная стадия атмосферы.

Уже один миллиард лет атмосфера Земли состоит в основном из азота (20 – 78%) и кислорода (5 – 21%). Современная атмосфера Земли в объемных процентах содержит: азота - 78%, кислорода - 21, углекислого газа - 0,03, аргона - 0,93, остальные 0,04% занимают гелий, метан, криптон, закись азота, водород, ксенон. Сравнительно высокий процент содержания в атмосфере аргона - 40 объясняется тем, что в недрах Земли в него превращается большое количество радиоактивного калия - 40. Современные физические параметры атмосферы следующие: толщина атмосферного слоя до 1000 километров, масса 5 ·10¹⁸ кг, давление у поверхности планеты 1 атмосфера.

В таблице 4 и на рисунке 23 показаны эволюционные изменения химического состава атмосферы в прошлом и в перспективе на 2 миллиарда лет вперед (в %). Рассмотрим причины этих изменений в химическом составе атмосферы Земли.

1. Углекислый газ CO₂ появился благодаря обильным вулканическим извержениям. Нет единого мнения о его процентном составе в атмосфере 4 - 5 миллиардов лет назад. Газовый состав современных вулканических извержений содержит 40% по весу углекислого газа, а азота N₂ ─ 2%. Однако можно предположить, что в прошлом углекислый газ имел возможность накапливаться в атмосфере до 90%. Это объясняется тем, что CO₂ и N₂ являются самыми инертными химическими соединениями атмосферы, и они почти не вступают в реакции c другими элементами. Остальные вулканические газы (HCl, CN, HF, SO₂, NH₃ и другие) относятся к крайне агрессивным компонентам, поэтому быстро «уничтожались», вступая в соединения с металлами горных пород, веществами вулканической лавы, растворенными в водах солями. Следовательно, процентное содержание углекислого газа и азота постоянно возрастало, а других газов - постепенно уменьшалось. Смотрите рисунок 23. Становится понятным, как содержание углекислого газа в атмосфере молодой Земли могло повыситься до 90%, а содержание азота в наше время достигло 78%. Основными потребителями углекислого газа являются растения. Источниками углекислого газа являются вулканы, промышленность и процесс дыхания животных. Основными резервуарами хранения являются атмосфера и океан.

Таблица 4. Эволюционные изменения химического состава атмосферы Земли.

Состав атмосферы в %	Возраст Земли в миллиардах лет
	1	2	3	4	5, сейчас	6	7
Углекислый газ	90%	40	30	20	0,03%	0	0%
Кислород	0%	0	5	10	21%	0	0%
Азот	0,1%	5	15	30	78%	100	0%
Остальные газы: водяной пар, неон, гелий, криптон, ксенон, озон, метан, водород	10%	55	50	40	1%	0	0%

Рисунок 23. Изменение газового состава атмосферы Земли за 6 миллиардов лет геологической эволюции: изменение углекислого газа – CO ₂, кислорода – О ₂ и азота – N ₂ .

А) Основные «резервуары для хранения» углекислого газа на Земле.

1) Сейчас в атмосфере содержится 0,03% углекислого газа, что составляет 2 ×10¹⁵ килограмм. Одновременно с этим на Земле произрастает 10¹⁶ кг растений (по А.П. Виноградову), которые за год поглощают более 10¹⁴ кг углекислого газа. Тогда углекислого газа хватит только на 20 лет.

2) Крупным «резервуаром» углекислого газа являются океаны и моря, так как в их водах растворено 5 ·10¹⁶ кг углекислого газа. Углекислый газ из атмосферы, который пополняется от сжигания органических топлив цивилизацией, и сегодня в большом количестве растворяется в водах океанов и морей. Этим углекислым газом питаются растения на дне океанов и морей. Растительный мир Земли мог бы расходовать растворенный в гидросфере углекислый газ в течение 500 лет. Вызывает тревогу то, что в будущем продолжится понижение процентного содержания углекислого газа в атмосфере, а следовательно, он снизит свою концентрацию и в океане.

Б) Основные источники углекислого газа на Земле.

1) Вулканические извержения в прошлом являлись самым главным источником углекислого газа для атмосферы, а растения - единственными потребителями углекислого газа. В настоящее время все вулканы за год выделяют в атмосферу 10⁹ кг углекислого газа, а цивилизация сжигает органические топлива, и тем самым также пополняет атмосферу углекислым газом еще на 3 ·10¹² кг в год (т. е. в 3000 раз больше, чем вулканы). Как сказано выше, вулканические процессы на планете постепенно затухают по мере ее «старения». Через 1 миллион лет вулканизм на Земле полностью прекратится.

2) Около 150 лет еще будет действовать дополнительный источник углекислого газа - цивилизация, которая в большом количестве сжигает ископаемые органические вещества (уголь, нефть, дрова, горючие сланцы). Но затем эти полезные ископаемые будут исчерпаны. Залежи полезных ископаемых типа угля, нефти, природного газа цивилизация исчерпает через 150 лет, и цивилизация прекратит пополнять атмосферу углекислым газом, образующимся при сгорании органических топлив. Поэтому одни ученые полагают, что, несмотря на сжигание топлива в течение 150 лет, процентное содержание углекислого газа в атмосфере будет снижаться. Количество CO ₂ останется прежним (0,03%), так как он поглотится растениями и произойдет компенсационное увеличение биомассы у растений Земли. Другие ученые говорят о повышении содержания углекислого газа в атмосфере до 0,04 - 0,05% с последующим незначительным потеплением климата на планете к 2150 году. Так или иначе, но после 2150 года цивилизация останется без органического топлива и процесс глобального снижения количества углекислого газа в атмосфере продолжится.

3) Углекислый газ также выделяется в атмосферу в количестве 10¹⁰ кг в год при разложении умерших животных и погибших растений в океанах, морях и на суше. Так же углекислый газ выделяется при дыхании животных и человека из их легких.

В) «Скорость» исчезновения углекислого газа из атмосферы Земли. Обратим внимание на то, что хотя в течение последних десятков миллионов лет «работали» все природные источники углекислого газа (вулканизм, океаны, гниение), однако содержание углекислого газа в атмосфере снижалось и, например, за время кайнозойской эры (за 70 миллионов лет) упало с 12% (перед началом кайнозойской эры) до 0,03%, то есть в 400 раз. Смотрите график 23. Через 10 миллионов лет количество углекислого газа в атмосфере уменьшится в 1000 раз, процентный состав будет 0,000003%. Такое уменьшение содержания углекислого газа воздействует губительно для всех растений, что подтверждается на опытах с помещением растений под стеклянный колпак и одновременным уменьшением там содержания СО₂. Растения "съели" почти весь углекислый газ атмосферы. Газовый источник пищи для растений почти иссяк. В ответ на это растения вынуждены будут сначала (через 100 тысяч лет) уменьшать собственную биомассу в сотни раз, а, в конце концов, все растения погибнут от отсутствия углекислого газа в атмосфере. Углекислый газ будет полностью трансформирован растениями в кислород примерно через 30 миллионов лет. Учёные полагают, что благодаря естественному круговороту веществ углекислый газ не исчезнет из состава земной атмосферы почти 30 миллионов лет. Поэтому можно утверждать, что после 30 миллионов лет, по причине отсутствия углекислого газа в атмосфере произойдет полное вымирание растительного мира. Понятно, что одновременно с исчезновением растений произойдет гибель травоядных животных. После этого вымрут хищники, и произойдет полное исчезновение животного мира. Земля лишится всех видов жизни по двум геокосмическим причинам: исчезновение углекислого газа из атмосферы и сильного похолодания на поверхности планеты.

2. Кислород O₂. Сейчас можно сформулировать один из главных законов биологической эволюции: первым видом живой материей во Вселенной являются растения, которые превращают неорганическую материю (CO₂) в органическую (древесину, листья, плоды, цветы). Вторым видом живой материи во Вселенной является животный мир, который появляется на планете после насыщения океанов и атмосферы кислородом (O₂) в процессе жизнедеятельности растений, а пищей для животных служат растения (для травоядных животных) и другие животные (для хищников).

А) Основным источником кислорода на Земле являются растения. После 3,5 миллиардов лет, когда в океане появились первые растения (водоросли), на Земле происходил процесс насыщения кислородом атмосферы и вод океана. В обмен на поглощение углекислого газа растения выделяют в атмосферу кислород. Кислород в атмосфере появился 3 миллиарда лет назад в количестве 0,1 - 1%. Он относится к очень активным химическим веществам. Поэтому в прошлом около 10 ²⁰ кг кислорода из атмосферы было потрачено на окисление атмосферных газов, растворенных в океанах и морях веществ, а также на окисление веществ горных пород на суше и на дне океанов. Весь современный растительный мир планеты в год потребляет 10¹⁴ кг углекислого газа и выделяет 3 × 10¹³ кг кислорода, что в 3,3 раза меньше массы безвозвратно поглощенного углекислого газа. Поэтому можно сделать вывод, что в настоящее время количество кислорода в атмосфере увеличивается, а количество углекислого газа уменьшается. Смотрите график 23. Если этот процесс не замедлится, то через 1500 лет в атмосфере будет 26% кислорода, через 3000 лет – 42% (в 2 раза больше, чем сейчас). Но такого большого увеличения процентного состава кислорода в атмосфере не произойдет, так как для этого недостаточно углекислого газа планеты. На поверхности Земли (в атмосфере и океанах) находится примерно 10¹⁷ кг углекислого газа, из которого растения могут получить 3 × 10¹⁶ кг кислорода (3% от находящегося в атмосфере). Следовательно, максимальное количество кислорода в атмосфере может увеличиться до 24% (21% + 3%). При нынешних темпах выделения кислорода растениями, в атмосфере его будет содержаться 24% через несколько миллионов лет.

Б) Основные «резервуары и хранилищами» кислорода на Земле является атмосфера и океан. Сейчас количество кислорода в атмосфере 21%, что составляет по весу 10¹⁸ кг. Примерно в 3 раза большая его масса растворена в водах океанов, морей, озер и рек. Рыбы дышат именно этим, растворенным в воде, кислородом.

В) Основные потребители кислорода на Земле является мантия Земли, промышленность и животные.

1) Затраты кислорода на глобальное окисление. Вода с растворенным в ней кислородом проникает глубоко в недра Земли, где кислород вступает в реакцию с еще не окисленными веществами коры и мантии. Нагретая в недрах Земли вода в виде пара поднимается на поверхность планеты, чтобы остыть и пропитаться новой порцией кислорода, а потом снова опускается в недра. Делая бесчисленные круговороты, подземная вода за год уносит в недра Земли около 10¹¹ кг кислорода. Процесс окисления веществ в недрах планеты растворенным в воде кислородом является достаточно мощным источником его глобального потребления. Годовая потребность в кислороде для этого геохимического процесса составляет 10¹¹ кг.

Вся масса свободного кислорода в атмосфере и океане равна примерно 3 × 10¹⁸ кг. Значит, кислород атмосферы и океана будет истрачен на окисление остывающих горных пород мантии и вещества ядра Земли через 30 миллионов лет после гибели всех растений на Земле (т. е. через 60 миллионов лет, считая от сегодняшнего дня). После потери кислорода атмосфера будет состоять исключительно из азота. Поэтому через 60 миллионов лет атмосферу Земли ожидает азотная стадия эволюционного развития.

2) Затраты кислорода на сжигание органического топлива. Ежегодно затрачивается 5 ·10¹² кг кислорода атмосферы на сжигание цивилизацией органического топлива и в пожарах (лесные, на нефтяных скважинах и т. д.). Конечным продуктом сжигания являются углекислый газ и вода.

Органическое топливо + 3О ₂ = СО ₂ + 4Н ₂ О.

Растения почти сразу трансформируют углекислый газ (от сжигания топлив и пожаров) опять в кислород. Безвозвратно теряется только кислород при синтезе воды во время горения органических веществ, что составляет 2 × 10¹² кг в год.

3) Кислород атмосферы потребляется в момент дыхания животных и людей в количестве около 10⁹ кг в год. Выдыхается из легких животных и человека углекислый газ, который быстро трансформируется растениями опять в кислород.

4) ВЫВОД о темпах глобального поглощения кислорода. Если суммировать массу поглощенного кислорода из атмосферы и массу растворенного кислорода в океанах, то получится величина около 6 ·10¹² кг в год. При этом необходимо учитывать, что необратимо (безвозвратно) масса кислорода поглощается в количестве 3 ·10¹² кг в год, а остальная его масса образует углекислый газ и вступает в круговорот.

3. Азот N₂, которого сейчас в атмосфере 78% (или около 4 ·10¹⁸ кг), образовался по двум причинам. Азот выделяется в атмосферу в течение 5 миллиардов лет благодаря вулканическим процессам. Вулканические газы содержат от 0,1 до 2% азота. Газообразный азот обладает низкой химической активностью, поэтому он постоянно накапливается в атмосфере Земли. В водах океанов и морей растворено азота в 5 раз больше, чем в атмосфере – 20 ·10¹⁸ кг. Всего на поверхности Земли содержится 24 ·10 ¹⁸ кг свободного азота. Смотрите рисунок 23.

Кроме вулканического происхождения существуют другие механизмы поступления азота в атмосферу. Азот поступал в атмосферу при процессе окисления аммиака. Академик А. П. Виноградов отстаивает именно эту гипотезу возникновения азота в атмосфере Земли. По приблизительным расчетам, с 5 до 2 миллиарда лет назад в атмосфере Земли содержалось от 5 до 20% аммиака. Начиная с момента, когда растения начали выделять в атмосферу кислород, возник глобальный процесс окисления аммиака с образованием азота.

2NH₄ + 2O₂ = N ₂ + 4H₂O.

Азот, в отличие от углекислого газа и кислорода, не участвует в глобальных биохимических процессах. Его усваивают в незначительных количествах в год некоторые виды азотобактерий в почве и илистом дне водоемов. Азот внутри бактериальных клеток превращается в аммиак, цианистые соединения, окись и закись азота. Биологами подсчитано, что за год атмосфера безвозвратно теряет на микробиологические процессы 10¹¹ кг азота. Тогда весь свободный азот Земли будет усвоен бактериями через 240 миллионов лет.

Геохимики США G. Aendis и A. Berner изучили в 1990 году химический состав газовых пузырников янтаря. Янтарь – это окаменелая смола древних растений с возрастом от 0,2 до 150 миллионов лет. Внутри любого кусочка янтаря имеются сотни мелких пузырьков воздуха той атмосферы, которая существовала миллионы лет назад, когда янтарь как смола вытекал из ствола дерева на почву. Учёные получили интересные результаты. Янтарь с возрастом в 25 миллионов лет имел следующий химический состав: 73 % азота (сейчас 75 %), 16 % кислорода (сейчас 21%), 2,5 % углекислого газа (сейчас 0,03 %), 7% других газов (окись серы, аргон и др.), а атмосферное давление было не 1 атмосферу (как сейчас на поверхности Земли), а 3 атмосферы. Янтарь с возрастом 80 миллионов лет имел в своих воздушных пузырьках всего 14 % кислорода, но очень высокий процентный состав углекислого газа - 4 %, а атмосферное давление – 7 атмосфер!!! Отсюда можно утверждать, что 25 (и тем более 80) миллионов лет назад количество кислорода была ниже на 5 – 7%, углекислого газа больше в сотни раз, а масса атмосферы над Землёй была в 3 и в 7 раза больше современной.