История кислорода земной атмосферы

Популярно излагается оригинальная точка зрения о происхождении и развитии кислорода атмосферы планеты Земля. Доказывается, что первый кислород появился в результате дегазации базальтовой магмы и продолжгет поступать из земных недр до настоящего времени. Промежуточным коллектором этого кислорода являются воды океанов. Время накопления свободного кислорода в количестве, необходимом для обеспечения жизни организмов, относится уже к начальным этапам геологического развития планеты. Кислород биогенный, или фотосинтетический, появился несколько позднее. Эти два постоянно действующих источника кислорода имеют между собой глубочайшие внутренние связи.

Для широкого круга читателей.

Кислород в атмосфере — наше неоценимое богатство, потому, что мы им дышим и им будут дышать наши потомки. Но как небрежно мы стали обращаться с атмосферой, сплошь и рядом бездумно расходуя заключенный в ней кислород. Только одни автомобили взамен потребленного кислорода в год выкидывают в атмосферу более 200 млн. т окиси углерода, более 20 млн. т азотных соединений, несколько миллионов тонн органических кислот — смертельных ядов для живых организмов. Ежегодный прирост углекислоты за счет деятельности человека составляет 14 млрд. т, а кислорода расходуется такое количество, которого хватило бы на дыхание 50 йлрд. человек. Уже сейчас промышленность ряда развитых стран, таких, как США, Япония, ФРГ и других в долгу перед природой. Эти страны потребляют кислорода гораздо больше, чем его имеется на их собственных территориях. И если до середины XIX в. содержание кислорода в атмосфере оставалось постоянным — приход его равнялся расходу, поскольку поглощение кислорода в окислительных процессах компенсировалось природными реакциями восстановления, — то теперь настала иная эпоха и надо еще установить, происходит ли такая компенсация. Ныне существует необозримое множество потребителей кислорода в виде объектов металлургической, химической и многих других видов промышленности, и нет ни одного его производителя, созданного человеком. Теперь уже часто начинают задумываться: достаточны ли резервы природы для компенсации потребляемого кислорода? Чтобы знать эти резервы, нужно их изучать. Нужно знать, где они находятся, какова их мощность и восполнимость. И восполнимы ли они, эти резервы?

Воздух современной атмосферы Земли, как известно, представляет собой смесь многочисленных газов. Если исключить водяные пары и техногенные выбросы в атмосферу, то состав его следую-щий (%): азот —78,08; кислород — 20,95; аргон —0,93; углекислый газ—0,03; остальная часть (0,01) приходится на водород, неон, гелий, криптон, ксенон, аммиак, перекись водорода, эманации радия. В пределах нижней части земной атмосферы до высоты 10—15 км, т. е. в пределах тропосферы, в любой точке земного шара состав воздуха постоянен.

В растворенном состоянии атмосферный воздух обнаруживается в природных водах, живых и мертвых организмах, содержится в по» pax и трещинах верхней части литосферы, главным образом в почве. При этом соотношения отдельных компонентов воздуха весьма разнообразны, что обусловлено растворимостью газов в природных средах, избирательной способностью различных организмов к ассимиляции (захвату) газов атмосферы, биохимическими реакциями между организмами и продуктами их жизнедеятельности с окружающей средой.

Взаимодействие воздуха, воды, организмов и продуктов их жизнедеятельности с горными породами, слагающими верхнюю часть литосферы, идет постоянно и приводит к существенному преобразованию минеральных масс, к гибели одних минеральных форм и формированию новых, к рассеянию одних химических элементов и их соединений и концентрации других. Такие процессы изменения горных пород, определяемые в геологии понятием «выветривание», давно стали объектом специального' изучения геологов. Это и понятно, так как учение о выветривании, вернее, о корах выветривания, в конечном итоге сводится к выяснению законов дифференциации и интеграции вещества на поверхности Земли, выяснению законов размещения экзогенных месторождений (осадочных морских и континентальных) полезных ископаемых в геологическом пространстве и времени. Прежде всего это относится к таким важнейшим полезным ископаемым, как нефть и газ, алюминиевые, фосфорные, железные и марганцевые руды, различные соли, россыпи цветных и редких элементов, строительные материалы и т. д.

Специалистам не нужно доказывать, что в процессах физико-химического преобразования горных пород и органического вещества ведущая роль принадлежит кислороду или его соединениям. Поэтому всем, кто занимается наукой об осадочных породах — литологией, кто занят расшифровкой происхождения осадочных полезных ископаемых, реставрацией прошлых геологических эцох в местном, региональном или глобальном масштабе, далеко не безразлично, где и когда, на каком этапе геологического развития нашей планеты в атмосфере появился мощнейший окислитель живой и косной (неорганической) материи — свободный кислород. Подчеркнем — свободный, поскольку с ним в основном связывают ученые возможность наиболее интенсивного изменения, главным образом окисления, минерального вещества планеты.

Развиваемый автором вариант происхождения кислорода земной атмосферы — это, конечно, пока лишь гипотеза, основанная на многолетнем изучении геологических объектов.

Время появления свободного кислорода (02) в атмосфере планеты — это репер, от которого нужно отсчитывать начало не только окислительных процессов, т. е. геохимических процессов в наблюдаемых ныне реакциях, но и появление на Земле жизни с ее обменными реакциями с окружающей средой.

Следы деятельности кислорода как окислителя установлены в очень древних осадках, возраст которых более 3 млрд. лет. Следовательно, в свободном виде он появился на самых ранних этапах геологического развития Земли. Но каким образом? Не следует забывать, что наука доказала пока единственный способ происхождения атмосферного кислорода — путем фотосинтеза, который осуществляют растения. В процессе жизнедеятельности они «нарабатывают» кислород. Механизм такой «наработки» рассмотрим несколько ниже. Поставим наш главный вопрос: как мог появиться свободный кислород в добиогенный этап развития Земли? Какой механизм обеспечил появление первого количества в атмосфере этого газа, кото« рый, в свою очередь, «запустил» механизм фотосинтетических реакций?

Хорошо известно, что растительность не только продуцирует (выделяет) кислород в процессе своей деятельности, но и потребляет его при дыхании. Для дыхания растение отбирает из атмосферы 15 % массы кислорода, ею же произведенного. Вспомните: школьный курс «Ботаники» не рекомендует держать большое количество домашних растений в спальной комнате, поскольку они дышат в основном ночью, т. е. в темноте, в отличие от фотосинтеза, "который совершается при свете. При дыхании растения, так же как и мы, потребляют кислород и выделяют углекислый газ, большое же количество растений в комнате в ночное время может создать избыточное количество углекислого газа по отношению к допустимой для человека норме.

Итак, логический парадокс: чтобы появилась растительность на планете, необходим был свободный кислород, а чтобы появился кислород, необходима была растительность. Из этого замкнутого круга ученые, например акад. А. П. Виноградов, будто бы находят выход утверждая, что в добиогенный этап развития Земли свободный кислород появился и накопился в результате реакций лучистой (световой) энергии с водой и углекислым газом, т. е. фотохимических реакций, в верхних слоях нашей праатмосферы. <...>