Ученые рассчитали время, когда на земле закончится воздух. Потребление кислорода на нашей планете быстро увеличивается с каждым годом

Учёные из Китая, США и Франции нашли новый метод отслеживания содержания кислорода в пузырьках воздуха, содержащихся в полярных льдах. Благодаря этому им удалось установить, что содержание этого газа в атмосфере Земли за последние 800 000 лет снизилось на 0,7 процента. Причиной такого события могло стать падение температуры, идущее на Земле в последние миллионы лет. Соответствующая опубликована в журнале Science .

Исследователи решили узнать, как менялось количество кислорода в атмосфере планеты в последние 800 000 лет, сравнив, как изменялось соотношение кислорода и азота в образцах льда из Гренландии и Антарктиды. Такой метод был применён учёными впервые. К сожалению, для более ранних эпох новый способ неприменим, так как в ледниках фиксируются пузырьки воздуха в только в том случае, если идёт процесс роста ледникового массива. В последние 800 000 лет ледники Гренландии и Антарктиды в целом росли, а до этого многие миллионы лет их размер был стабилен или уменьшался.

Выяснилось, что за последние 0,8 миллиона лет в содержании кислорода на Земле произошли значительные изменения. Его концентрация снизилась на 0,7 процента. Хотя, на первый взгляд, это небольшое изменение, в действительности это немало. Чтобы такой процесс мог произойти, связывание кислорода должно было идти активнее его выработки растениями примерно на 1,7-2,0 процента. А это эквивалентно миллиардам тонн газа в год, причём, что именно отвечало за его связывание, пока остаётся неясным.

Авторы работы предложили гипотезу, по которой ускоренное связывание кислорода произошло из-за общего охлаждения климата планеты в последние несколько миллионов лет. Как отмечают исследователи, при падении температуры количество кислорода, способного раствориться в единице объёма морской воды, резко растет. На дне океанов кислород постепенно связывается морскими осадочными породами, содержащими углерод. В таком случае общее похолодание климата может привести к связыванию на морском дне значительных объемов кислорода. По расчётам, оно является долговременным и после этого утерянный из атмосферы газ более туда не возвращается.

Если бы процесс такого рода длился несколько десятков миллионов лет, содержание кислорода в воздухе могло упасть куда значительнее, на десятки процентов относительно его современного уровня. Это соответствует условиям на высотах в несколько километров. В случае если данная гипотеза верна, идущее сейчас глобальное потепление потенциально способно увеличить концентрацию кислорода в воздухе.

На данный момент в науке нет чёткого понимания того, как менялась концентрация кислорода в последние сотни миллионов лет. Известно лишь, что уже 800 миллионов лет назад его было достаточно для дыхания крупных животных типа человека, хотя и в два раза меньше, чем сегодня. В последние 500 миллионов лет климат на планете был, как правило, значительно теплее сегодняшнего. Поэтому ряд исследователей допускают, что основную часть этого периода кислорода в воздухе было больше, чем сейчас. В таком случае метаболизм наземных животных мог быть более активным, чем типичный для нашего времени.

Впрочем, назвать темпы пугающими было бы преувеличением

Изучив пузырьки воздуха, на протяжении сотен тысяч лет запертых в ледниках Гранландии, ученые выяснили, что за это время в атмосфере Земли стало меньше кислорода. При этом группа специалистов под руководством Дэниела Столпера из Принстонского университета пока не может с уверенностью назвать причину, по которой за 800 тысяч лет атмосфера потеряла больше кислорода, чем приобрела.

Исследователи подчёркивают, концентрация кислорода в воздухе уменьшается уменьшается весьма умеренными темпами - за сотни тысячелетий со времён плейстоцена она снизилась всего на 0,7 процента. Как сообщают специалисты, сами они проводили измерение, в первую очередь, из любопытства, и заранее не могли предсказать, изменилось ли содержание кислорода в воздухе за это время и если да, то в какую сторону. Измерение показало не самую яркую, но абсолютно чёткую тенденцию к его снижению, отмечают исследователи.

Как напоминают специалисты, в далёком прошлом колебания уровня кислорода на нашей планете были весьма значительными. Пару миллиардов лет назад, как предполагается, этот материал в атмосфере не был представлен вовсе, но затем его начали выделять цианобактерии, тем самым навсегда задав направление эволюции на планете. Впоследствии кислород стали производить самые разнообразные растения, а ещё позднее он оказался необходим для поддержания жизни сложных животных. Кислород не только потребляется живыми существами, но и «тратится» при выветривании силикатных пород. Также, по словам учёных, примерно каждое тысячелетие все атомы О в атмосфере успевают побывать в молекулах воды и вновь стать кислородом.

Учёные заверили, что, какими бы ни были истинные причины обнаруженного ими явления, в самом ближайшем будущем кислород на Земле точно не закончится. Тем не менее, полученные результаты специалисты склонны считать ещё одним поводом задуматься о том, как именно на планету влияют действия человека - сегодня люди потребляют в тысячу раз больше кислорода, чем ранее, тем самым ускоряя и без того наблюдаемый в природе процесс уменьшения его количества.

Ученые прошлого столетия разворачивали свои взгляды на проблему, связанную с кислородом. По проведенным подсчетам выходило, что если не уменьшать темпов загрязнения окружающей нас среды, то кислород, которым мы дышим, закончится примерно через три столетия, а люди и животные просто задохнутся. Этот конец света может оказаться правдой, так как достаточно хорошо обоснована данная проблема и математическими вычислениями, и логикой. Три тонны кислорода нужно для того, чтобы сжечь всего лишь одну тонну топлива. На квадратный дюйм приходится 6,75 килограммов столба воздуха, в сумме Земной кислород имеет вес в 1 020 000 000 000 тон. Его хватит на сжигание топлива весом в 340 000 000 000 тон. Человечество каждый год сжигает каменный уголь, примерно 600 000 000 тонн, горят леса, используются и сжигаются нефтяные продукты и прочие горючие полезные ископаемые. Если все это сложить, то выходит около 1 000 000 000 тон. Даже на глаз можно прикинуть, что кислород при таких темпах закончится довольно скоро, где-то через 340 лет. Лорд Кельвин, знаменитый американец и ученый, предсказывал, что человек перестает быть независимым по отношению к воздуху. Еще придет то время, когда кислород будут заготавливать впрок, закачивая его в большие резервуары, а каждой семье будет выделен паек воздуха ровно такой, чтобы только жизненные функции могли поддерживаться организмом. Ловцы за жемчугом – вот как можно будет характеризовать такое общество. Глотнули воздуха - и не дышите до тех пор, пока клеточки ваших органов не израсходуют все до капельки, снова глоток воздуха - и опять под воду. В моргах при вскрытии заключат в будущем обществе: смерть наступила от кислородного голодания. Если нет денег, то и воздуха для вас нет. Невеселый конец света получается. Но стоит отметить, что в начале прошлого столетия знания ученых были ограничены, они еще не ведали, что в самой Земле тоже есть запасы кислорода, поэтому проблему несколько преувеличили. Наши технологии дошли до того, что могут при необходимости начать генерировать кислород
из воды, при помощи электролиза. Острая необходимость в этом еще долго не наступит, но при одном условии, если наши водоросли, растения, леса будут производить в достатке необходимый нам газ. Взрослый человек, если он не занят тяжелым физически трудом, расходует за свои годы кислорода примерно 300 килограммов. Если даже воспользоваться старыми подсчетами и взять за основу сумму веса воздуха тех ученых, то получается, что имеющегося кислорода без его генерирования будет достаточно для обеспечения жизни 3 400 000 000 000 людей, в то время, как в настоящем нас приблизительно 6 миллиардов.

Тропосфера - нижний очень тонкий слой атмосферы высотой 8-18 км, в котором сосредоточено 80% массы атмосферы Земли

Важность атмосферного O 2 для биологических и геохимических процессов на Земле чрезвычайно высока. Поэтому учёные давно изучают, как изменялось содержание кислорода в истории нашей планеты. Это можно понять из расчёта парциального давления O 2 и N 2 в общем атмосферном давлении.

Несмотря на долгую историю вопроса, у специалистов до сих пор нет единого мнения об изменении атмосферного давления на протяжении последних 500 млн лет. Расчёты отличаются до 0,2 атм (см. диаграмму внизу). Даже за последние несколько миллионов лет нет ясной картины, как именно менялось атмосферное давление, парциальное давление и, следовательно, концентрация O 2 .

Вопрос непростой, ведь кислород из атмосферы постоянно потребляют животные, растения и даже камни. Группа учёных из Принстонского университета прояснила этот вопрос, изучив концентрацию воздушных пузырьков в ледяных кернах Гренландии и Антарктиды .

Ледяной керн с глубины 1837 м с видимыми годовыми слоями

На сегодняшний день ледяные керны - самый надёжный и точный источник данных об атмосферном давлении. Максимальный возраст льда в кернах - 800 тыс. лет, поэтому исследования ограничены этим временным интервалом.

Добыча ледяных кернов на научной станции «Восток» в Антарктиде

Оказалось, что в течение этого времени с Земли происходит довольно стабильная утечка кислорода со скоростью примерно 8,4 промилле за миллион лет. В частности, за последние 800 000 лет в атмосфере стало примерно на 0,7% меньше кислорода.

На диаграмме слева показано, как отличаются результаты научного моделирования соотношения O 2 /N 2 в атмосфере и парциального давления. На диаграмме справа - изменение парциального давления по результатам измерения воздушных пузырьков в ледяных кернах за 800 тыс. лет

«Мы проделали эти измерения больше из интереса, чем для подтверждения теории, - один из авторов научной работы Дэниель Столпер (Daniel Stolper). - Мы не знали, что получится: будет кислород увеличиваться с годами, уменьшаться или оставаться на постоянном уровне».

Уменьшение количества кислорода в атмосфере происходит довольно медленно. Вероятно, в ближайшие миллионы лет оно не угрожает человеческой жизни. Но информация о природе таких циклов очень важна для науки. Нам нужно знать, под влиянием каких факторов происходят изменения. Эту информацию можно использовать, в том числе, при терраформировании Марса, когда люди начнут заселение Красной планеты. Вероятно, нам придётся повышать количество кислорода в марсианской атмосфере.

На Земле тоже не было кислорода в первые пару миллиардов лет. Согласно наиболее вероятной теории, примерно 2,4 млрд лет назад уровень кислорода резко подскочил благодаря активности цианобактерий , известных также как сине-зелёные водоросли. Этот период резкого изменения состава атмосферы с последующей перестройкой биосферы и глобальным гуронским оледенением в истории Земли известен как кислородная катастрофа .

Сине-зелёные водоросли - причина, по которой 2,4 млрд лет назад на Земле появился кислород в большом количестве и возникла более продвинутая жизнь

Такую же кислородную катастрофу можно устроить на Марсе.

Учёные ещё не пришли к единому мнению, почему атмосфера Земли медленно теряет кислород. Есть две гипотезы . Одна из них - это происходит из-за увеличения скорости эрозии, в результате которой из почвы извлекается больше горных пород, которые окисляются и связывают больше кислорода. Другая теория связана с изменением климата: за последние несколько миллионов лет температура немного снизилась, несмотря на резкий рост в последние десятилетия. Из-за снижения температуры могла инициироваться цепочка экологических реакций, в результате которой больше кислорода стало растворяться и связываться в Мировом океане.

Пока что всё это лишь гипотезы, которые следует проверить.

В данный момент атмосфера Земли содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,039% углекислого газа и небольшие примеси других газов. В ней также постоянно изменяется концентрация водяного пара, который считается одним из основных парниковых газов. На уровне океана концентрация H 2 O в атмосфере составляет около 1%, а в среднем - около 0,4%. Общая масса атмосферы - 5,5×10 18 кг, то есть 5,5 зеттаграммов или 5,5 петатонн.

Накопление кислорода в атмосфере Земли . Зелёный график - нижняя оценка уровня кислорода, красный - верхняя оценка. 1. 3,85-2,45 млрд лет назад. 2. 2,45-1,85 млрд лет назад: начало производства кислорода и поглощение его океаном и породами морского дна. 3. 1,85-0,85 млрд лет назад: окисление горных пород на суше. 4. 0,85-0,54 млрд лет назад: все горные породы на суше окислены, начинается накопление кислорода в атмосфере. 5. 0,54 млрд лет назад - настоящее время

Утечка кислорода из земной атмосферы происходит медленно. Но учёные подчёркивают, что в их исследовании нет данных по изменению уровня кислорода за последние 200 лет, после начала Индустриальной революции, когда люди начали активно окислять углеводороды из земных недр, получая энергию от этой химической реакции и связывая большое количество кислорода из атмосферы. «Мы потребляем кислород в тысячу раз активнее, чем раньше, - говорит Дэниель Столпер. - Человечество полностью замкнуло [кислородный] цикл, сжигая тысячи тонн углерода… Это ещё одно свидетельство, что совместными усилиями люди способны значительно ускорить естественные процессы на Земле».

Всего лишь 2,3 миллиарда лет назад воздух, окружавший Землю, совершенно не содержал кислорода. Для тогдашних примитивных форм жизни это обстоятельство было сущим подарком.

Одноклеточные бактерии, обитавшие в первобытном океане, не нуждались в кислороде для поддержания своей жизнедеятельности. Затем что – то произошло.

Как на Земле появился кислород?

Ученые считают, что по мере развития некоторые бактерии «научились» извлекать из воды водород. Известно, что вода - это соединение водорода и кислорода, поэтому побочным продуктом реакции извлечения водорода было образование кислорода, выделение его в воду, а за тем и в атмосферу.

Некоторые организмы с течением времени приспособились жить в атмосфере с новым газом. Организм нашел способ обуздывать разрушительную энергию кислорода и использовать ее для управляемого распада питательных веществ, в процессе которого выделяется энергия, используемая организмом для поддержания своей жизнедеятельности.

Материалы по теме:

Кислород в атмосфере

Такой способ применения кислорода называется дыханием, которым мы пользуемся ежедневно, и посей день. Дыхание - это способ отвести от себя кислородную угрозу: оно сделало возможным развитие на Земле более крупных организмов - многоклеточных, имеющих уже сложное строение. В конце концов, именно благодаря появлению дыхания эволюция породила человека.

Откуда появился кислород на Земле?

За миллионы прошедших лет количество кислорода на земле увеличилось с 0,2 процента до нынешнего 21 процента атмосферы. Но в увеличении кислорода в воздухе атмосферы виноваты не только бактерии океанов. Ученые считают, что другим источником кислорода были сталкивающиеся континенты. По их мнению, при столкновении, а затем при последующем расхождении континентов в атмосферу выделялись большие количества кислорода.