science-review.ru
Появление кислорода в атмосфере планеты Земля является одной из загадок её развития. Анализ развития биосферы Земли, который провел П. Клауд [1], показал, что биологические процессы в водной среде на земле начались около 3,8 млрд. лет назад, когда кислород в атмосфере отсутствовал. Но констатируется, что вода на Земле уже присутствует. Несколько сотен миллионов лет спустя, хотя кислород ещё не присутствовал постоянно ни в гидросфере, ни в атмосфере, возникла некая микробная форма самопитающихся организмов в виде строматолитов [1].
Около 550 млн. лет назад в водной среде появляются многоклеточные организмы с наружным скелетом, а содержание кислорода достигает 10% от современного, т.е. не превышает 2,1 %. Жизнь зарождалась в водной среде и наземные растения отсутствовали. Биогенный кислород начал появляться 400 млн. лет назад, когда появились наземные растения.
На рис. 1 показано современное представление появления кислорода в атмосфере Земли с точки зрения биологической науки [2,3].
Рис.1. Накопление O2 в атмосфере Земли
Зелёный график— нижняя оценка уровня кислорода, красный— верхняя оценка.
1. (3,85—2,45млрд лет назад)— O2 не производился
2. (2,45—1,85млрд лет назад)— O2 производился, но поглощался океаном и породами морского дна
3. (1,85—0,85млрд лет назад)— O2 выходит из океана, но расходуется при окислении горных пород на суше и при образовании озонового слоя
4. (0,85—0,54млрд лет назад)— все горные породы на суше окислены, начинается накопление O2 в атмосфере.
Однако примерно 2 млрд. лет назад по гипотезе биологического появления кислорода в атмосфере, как и самой атмосферы, вероятно не было [1-3].
Неустранимое противоречие биогенной гипотезы заключается в том, что атмосфера Земли стала кислородной на 1/5 от современной до появления наземных растений [2]. Шел процесс накопления атмосферы и наполнения её кислородом и переход от анаэробных микроорганизмов, т.е. от микроорганизмов, которым для существования не нужен кислород, к аэробным микроорганизам, потребляющим кислород, как наиболее энергетически выгодной форме существования.
В работе [4] предложена гипотеза образования кислорода в атмосфере за счет процессов гранитизации, суть которой состоит в том, что в гранито-гнейсовом слое земли под воздействием глубинных гранитизирующих растворов происходило замещение породообразующих минералов меланократовых пород более легкими минералами с большим молекулярным объемом- кварцем, кислым плагиоклазом и калиевым полевым шпатом. При замещении пород количество кислорода во вновь образованных минералах должно быть меньшим по сравнению с исходными и, следовательно, должен появиться свободный кислород. Действительно, кремний занимает второе место (после кислорода) среди химических элементов, слагающих земную кору [5]. Эти два элемента легко реагируют между собой с образованием силикатных минералов, в частности минералов группы полевых шпатов, семейства пироксенов и амфиболов. Оставшийся после кристаллизации минералов этих групп кремний обычно образует оксид- кремнезем SiO2.
Но эта гипотеза появилась вследствие того, что авторы справедливо указывают на непреодолимое противоречие в биогенной гипотезе происхождения кислорода в атмосфере Земли, а именно - атмосфера стала более, чем на 1/5 кислородной до появления наземных растений, когда за 150 млн. лет содержание О2 в атмосфере Земли в общепланетарном масштабе увеличилось в 10 раз(!).
Солнечный ветер, на 91% состоящий из протонов-ядер водорода, бомбардируя силикатосодержащие минералы производит молекулы воды. Экспериментальное подтверждение этому получено большой группой исследователей из США, Австралии, Великобритании[6]. С помощью атомно-зондовой томографии экспериментально подтверждено, что Н-облучение силикатных минеральных поверхностей края зерна оливина с астероида Итокава производит молекулы воды. Эти результаты предполагают, что реголит Итокавы может содержать ~ 20л/м3 воды, полученной из солнечного ветра, и что такие водоемы, вероятно, повсеместно встречаются по всей нашей Галактике.
Это также является экспериментальным подтверждением теории автора происхождения воды на Земле [7,8].
Вода, которая образуется за счет солнечных протонных потоков в космическом вакууме на астероидах, кометах, метеоритах и - в начальной стадии существования Земли, - при её образовании сразу превращается в лёд.
Рис.2. Фазовая диаграмма равновесного состояния воды
На рис.2. представлена фазовая диаграмма состояния воды. Вода имеет три фазы состояния- газ (водяной пар), жидкость-вода и твердое состояние –лёд.
Диаграмма показывает, что при атмосферном давлении, равном одной атмосфере, которое существует на современной Земле вблизи земной поверхности, температура кипения воды ровняется 100 0С. Однако при космическом вакууме, например, при давлении 0,003 атм., вода также будет кипеть и при комнатной температуре.
В первые миллионы лет образования Земли, когда ещё не сформировалась атмосфера, в экваториальных областях в дневное время водяной лёд, образовавшийся при бомбардировке силикатосодержащих минералов на земной поверхности, в дневное время в экваториальных областях под воздействием солнечного излучения превращается в воду. В тёмное время вода замерзает. У воды имеется удивительное свойство- наибольшая плотность наблюдается при температуре +4 0С. Поэтому замерзший лёд плавает в воде как более легкая фракция и когда в дальнейшем появится в воде биологическая жизнь под ледяной крышей она надёжно сохраняется!
Биологические процессы в воде на Земле по современным взглядам начались около 3,8 млрд. лет назад.
Однако примерно 2 млрд. лет по гипотезе авторов биологического появления кислорода в атмосфере, как и самой атмосферы, вероятно, не было [1-3]. Шёл процесс накопления атмосферы и наполнения её кислородом и переход от анаэробных микроорганизмов, т.е. от микроорганизмов, которым для существования не нужен кислород, к аэробным микроорганизмам, потребляющим кислород, как наиболее энергетически выгодной форме существования.
Рассмотренные выше гипотезы образования кислорода в атмосфере Земли- биогенная и геологическая имеют принципиальные неустранимые недостатки. Биогенная гипотеза противоречит тому факту, что кислород появился раньше, чем аэробные микроорганизмы и более развитые биосубъекты, и развивает концепцию, что из-за отсутствия кислорода сначала должны были появиться анаэробные биологические микроорганизмы. И только после появления растительности начал появляться и накапливаться кислород.
В геологической гипотезе отсутствует понимание способа и времени перехода кислорода из гранитоподобных минералов в свободное состояние. Хотя, как отмечалось выше, кремнезем SiO2 слагает до 12% литосферы [5].
Однако появились гипотезы в последствии подтвержденные экспериментально, которые позволяют считать, что свободный кислород начал появляться и накапливаться одновременно с формированием атмосферы и появлением воды уже в начальный период существования планеты.
В 1990г. чл.корр. АН СССР Г.А. Домрачев (Институт металлорганической химии РАН) и физик Д.А. Селивановский (Институт прикладной физики РАН) сформулировали гипотезу о существовании механохимических реакций радикальной диссоциации воды [9-10].
Исходя из того, что жидкая вода представляет собой динамически нестабильную полимерную систему и что по аналогии с механохимическими реакциями в полимерах при механических воздействиях на воду поглощённая водой энергия, необходимая для разрыва связи Н-ОН, локализуется в микромасштабной области структуры жидкой воды.
Это нашло экспериментальное подтверждение в работах [11,12], в которых было показано значительное увеличение концентрации радикалов ОН, а, следовательно, и изменение концентрации ионов Н+ и ОН- в процессе механического перемешивания, что нашло подтверждение в изменении pН и электропроводимости в результате механохимического разложения воды.
Реакцию разрыва Н-ОН связи можно записать так :
(Н2О)n(H2O…H-/-OH) (H2O)m + Ea (H2O)n+1(H.)+(.OH)(H2O)m ,
где знак -.- обозначает не спаренный электрон [9,10].
Рассчитав эффективность механодиссоциации воды, авторы пришли к чрезвычайно важному выводу о происхождении в атмосфере Земли кислорода, связав его с диссоциацией воды.
Осуществление радикальной диссоциации воды дает старт процессам разложения воды на кислород и водород через появление перекиси-пироксида – Н2О2 .
По оценке авторов из общего количества Н2О2, которое генерируется в природе каждый год, половина образуется при рекомбинации гидроксил-радикалов. Остальное количество Н2О2 образуется путем ступенчатого захвата двумя атомами водорода молекулы свободного кислорода атмосферы. Эта часть пироксида водорода при распаде лишь возвращает в атмосферу Земли кислород, потраченный на реакции нейтрализации атомарного водорода.
Таким образом, можно оценить количество молекулярного кислорода, которое пополняет ежегодно атмосферу Земли за счет действия механохимического механизма диссоциации воды:
M(O2)=0,5x?n(H2O2)[M/год]x1/2xV0[л]=1,2х1011 молей/год.
Коэффициент 0,5 указывает на то, что только половина притока пироксида водорода при распаде образует «новый» кислород; ?n(H2O2)=5x10-10 M/год – ежегодная суммарная прибавка пироксида; стехиометрический коэффициент ½ учитывает необходимость распада двух молекул Н2О2 для образования одной молекулы О2 [9,10].
Исследования кинетических особенностей механического разрушения при перемешивании структуры в бидистилляте воды показало, что разрушение и восстановление кластерной структуры воды происходит в зависимости от температуры воды (рис.3) [11, 12].
Рис. 3. Кинетические характеристики времени разрушения (tr) и (tb) исходных значений ф и % бидистиллята при температуре: 0, 4, 9 и 15 0С (механическое перемешивание)
Чем выше температура воды разрушение и восстановление кластерной структуры происходит быстрее.
Опыты показали значительное увеличение концентрации радикалов ОН, а, следовательно, и изменение концентрации ионов Н+ и ОН- в процессе такого перемешивания, что нашло подтверждение в изменении pН и электропроводности в результате механохимического разложения воды.
Эти эксперименты показывают, что аналогичные процессы в воде происходят в природе в ручьях, реках, морях, океанах.
За один год по приведенным выше расчетам в атмосфере Земли появится 6,4х1011г/год кислорода, а за 1 млрд лет- 6,4х1014 тонн, т.е. за время существования Земли в 4,38 млрд лет кислорода может образоваться 2,8х1015 тонн. Этот результат очень оценочный, но удивительным образом соответствует современным энциклопедическим данным.
В настоящее время согласно общепринятым сведениям в атмосфере Земли содержится свободного кислорода 20,95% по объёму и 23,10% по массе- около 1015 тонн [15].
Для сравнения – объем вод современного океана – 1,5х1021 л.
Рассмотренные выше экспериментальные и теоретические данные о механохимической диссоциации воды с появлением промежуточной стадии образования перекиси водорода и последующем появлении свободного кислорода не полностью раскрывает суть происходящего атомно-молекулярного процесса.
Представляется, что этот пробел устраняют работы д.т.н., профессора Ф.М. Канарева [16,17].
Рис. 4. Схема молекулы воды: 1,2,3,4,5,6,7,8- номера электронов атомов кислорода;
Р1, Р2, -ядра атомов водорода (протоны): е1, е2- электроны атомов водорода
На рисунке 4 b показаны две энергии связи между валентными электронами е2 и 2, а также между 1 и е1 . Электродинамическая связь равна 0,74 эВ. Для разрыва этой связи достаточно затратить такое же количество механической энергии. Если же эту связь облучить фотонами с энергией 0,74 эВ, то процесс поглощения фотонов будет идти так , что каждый из двух валентных электронов поглотит по 0,37 эВ и энергии связи уменьшится до 0,37 эВ, и молекула воды не разрушится. Вторая тепловая энергия связи, указанная на том же рисунке, равна 1,48 эВ. Если оба электрона поглотят фотон с этой энергией, то энергия связи между ними станет равной нулю и молекула воды разрушится.
Из изложенного следует, что если указанные связи разрушать механическим путем, затрачивая по 0,74 эВ на каждую связь, то после её разрыва у каждого электрона образуется дефицит энергии, равный 0,74 эВ. Эта энергия будет немедленно поглощена из окружающей среды и излучена при повторном синтезе молекулы воды. Так ковалентная химическая связь при механическом разрушении одной молекулы воды формирует 1,48 эВ дополнительной тепловой энергии, которая устойчиво регистрируется в системах кавитации воды.
Известно, что молекулы воды, объединяясь, формируют кластеры. Если связи между молекулами в кластерах ковалентные, то механическое разрушение этих связей также должно сопровождаться выделением дополнительной тепловой энергии.
Приведенные выше теоретические выкладки Ф.М. Канарева [16,17] полностью объясняют эффекты получения тепловой энергии при электрогидравлическом, вихревом, кавитационном и других механичесских способах получения энергии при разрушении молекул воды и их последующем синтезе [18-29].
Таким образом появление кислорода при механохимической диссоциации, особенно при его интенсификации за счет вихревых, ротационных, кавитационных и др. эффектов, которые наблюдаются в природе в быстрых ручьях, горных реках, водопадах, речных бурунах и перекатах , морских прибоях и штормах , ураганах, торнадо и т.п. явлениях, способствовало увеличению его появления в атмосфере Земли.
Выводы
Появившиеся гипотезы образования кислорода в атмосфере Земли за счёт механохимической диссоциации воды, а также экспериментальные результаты и исследования этого процесса, позволяют считать, что кислород на земле начал накапливаться одновременно с началом образования воды на земной поверхности.
Библиографическая ссылка
Мостяев В.А. О ПРОИСХОЖДЕНИИ КИСЛОРОДА В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ // Научное обозрение. Науки о Земле. – 2022. – № 1. ;URL: https://science-geography.ru/ru/article/view?id=167 (дата обращения: 25.04.2024).