Știința maghiară • 2012 01 • Kárroly Remйnyi

Oxigenul din istoria Pământului este de cca. Este prezent de 2,5 miliarde de ani de când organismele au devenit capabile să stocheze energia radiantă a soarelui cu ajutorul clorofilei. Oxigenul a fost eliberat în timpul formării plantelor și în timpul formării uleiului. În schimb, depozitele de oxid formate prin oxidarea rocilor noi formate în timpul formării și eroziunii montane au îndepărtat oxigenul din atmosferă.

Concentrațiile atmosferice de oxigen s-au schimbat semnificativ în ultimii 600 de milioane de ani. 300 de milioane de ani (la sfârșitul perioadei carbonifere) de concentrație de oxigen în atmosferă

A fost de 35%. A fost cu 30% acum 255 milioane de ani și apoi a scăzut brusc la 13%. Acum a atins un vârf de 23%, ajungând aproape de actualul 21%. (Figura 1). Având în vedere micile modificări ale conținutului de oxigen din atmosferă, dezvoltarea acestei atmosfere de bază nu este considerată o mare problemă generală.

1. бbra • Modificarea concentrației de O2

în linia de milioane

Oxigenul joacă un rol cheie în procesele chimice din aval, aerul și apa, precum și relațiile chimice și biologice dintre aer și sol.

Variația concentrației de oxigen în funcție de altitudine (Figura 2) poate fi calculat folosind formula barometrică, care, totuși, poate fi utilizată doar pentru a determina valorile aproximative:

unde p0 este presiunea aerului la nivelul mării (

1000 hPa), M este masa a 1 mol de aer (

0,029 kgmol -1), g este accelerația gravitațională (9,8 ms -1), z este înălțimea (m), R este ghirlanda (8,314 JK-1mol -1) și T este temperatura (K).

2. бbra • Modificări ale concentrației și temperaturii O2 în funcție de altitudine

În procesul fiziologic uman, concentrația de oxigen de 21% este de cca.

THE 3. бbrбn trebuie interpretate două scale. Linia de sus arată cantitatea totală de carbon din atmosferă (exprimată în gigatone de CO2 C). Linia de jos caracterizează cantitatea de carbon generată ca rezultat al activității umane, dar atunci când calculăm această cantitate, trebuie să pornim de la valori zero din anul 1750 (590 Gt trebuie întotdeauna deduse din valorile ordinale citite) .

Conform unor studii, concentrația de oxigen din atmosferă scade mai mult decât crește concentrația de dioxid de carbon ca urmare a combustiei fosile. Urmează dinamica specifică a oxigenului. Dintre cele două gaze, diferența de concentrație este omniprezentă, în timp ce 20,95% oxigen este de 209,460 ppm, în timp ce CO2 este de cca. 380 ppm (aproximativ 550 de ori mai mare decât rata). Măsurătorile instrumentale ale dioxidului de carbon se efectuează mai mult de o jumătate de secol, în timp ce oxigenul este măsurat pentru un timp semnificativ mai scurt, aprox. két йvtizede. Combustibilii fosili reprezintă 1,2 molari O2: rate de schimb CO2 și 1,1 fotosinteză pentru fotosinteză. Aceste valori sunt adesea folosite greșit, sunt valabile doar pentru procese, dar pentru ecuațiile de echilibru, desigur, raportul este 1: 1.

La examinarea relației dintre dioxidul de carbon atmosferic și concentrația de oxigen, trebuie luate în considerare procesele fizice, chimice, de dizolvare și biologice. Cele mai importante ecuații de echilibru:

la arderea materialelor fosile:

unul dintre procesele chimice din mare este:

natura dizolvării oxigenului și a CO2 în mare este diferită.

La calcularea concentrațiilor atmosferice, cantitatea de compuși care se formează sau dispar efectiv este nesemnificativă. Procesele necesită valori diferite, de obicei mai mari decât proporțiile cantităților efectiv generate. În cazul cercetărilor, este necesar 1,4 oxigen în exces pentru combustie (factor de oxigen în exces), iar în cazul fotosintezei, este necesar 1,1 oxigen în exces. Aceasta este o concepție greșită de neînțeles, gravă. În cercetare, diferențele măsurate și înregistrate sunt evaluate și deduse proceselor naturale. Ipotezele formulate pe această bază sunt, în general, corecte în alegerea rolului factorilor, doar valorile și interpretarea constantelor derivărilor matematice sunt incorecte. De exemplu, în caz de incendiu, utilizarea a 1 mol de O2 în reacția la carbon produce 1 mol de CO2, (adică O2: CO2 = 1 și nu 1,4).

Demonstrând un exemplu facilitat de neglijare rezonabilă, este clar că cantitatea de epuizare a oxigenului obținută prin măsurători este mai mare decât creșterea dioxidului de carbon. Din motive de simplitate, cele trei componente ale aerului sunt:

Luând cantitatea de azot constantă (toate cercetările fac acest lucru), luând în considerare consumul de oxigen și creșterea dioxidului de carbon, ecuațiile de echilibru sunt:

Dacă tot CO2 ar rămâne în atmosferă, creșterea concentrației de CO2 ar fi egală cu scăderea concentrației de O2. Conform cercetărilor anterioare, jumătate din procesele cunoscute și necunoscute sunt eliberate în atmosferă. Deoarece rata de epuizare a oxigenului nu se schimbă, totuși, se produce doar jumătate din creșterea CO2, deci ecuația echilibrului real:

Măsurarea oxigenului și procesul de cercetare, procedura de măsurare a O2/N2, oferă multe rezultate valoroase. Factorii asumați pentru evaluare, și anume focul, factorii biologici (defrișări, utilizarea terenurilor etc.), chimia este corectă, dar este necesar să se determine rolul fiecărui factor și să se determine rezultatul.

Oxigenul prezent în concentrații mari este un mediu reactiv termodinamic. Aceasta este o condiție pentru supraviețuirea vieții, pentru căldură, pentru oxidare (rugină, coroziune); joacă un rol în protejarea suprafeței pământului de razele UV periculoase.

Măsurarea oxigenului în atmosferă este complicată, deoarece apare în cantități semnificativ mai mari decât dioxidul de carbon. Prin urmare, se utilizează proxy-uri în loc de măsurare directă. Instrumentul de măsurare poate fi, de exemplu, un spectrometru de masă (de exemplu, Finnigan MAT-252, care folosește molecule cu numere de masă de 32 (16 O 16 O) și 29 (15 N 14 N) pentru corecție). Conform metodei de măsurare, diferența dintre raportul O2/N2 măsurat în proba de testare și raportul O2/N2 obținut prin scăderea unui gaz de referință la raportul O2/N2 la valoarea de referință a fost exprimată ca, La Jolla California, STATELE UNITE ALE AMERICII):

La aplicarea acestei diferențe: aprox. 4,77–4,8 per meg este echivalent cu 1 ppm (1 mol O2 per mol aer uscat). În viitorul apropiat, se presupune că concentrația de azot în atmosferă este constantă (deși azotul joacă și un rol în compușii care conțin oxigen în procesele de viață ale plantelor).

Suma oxigenului definită în ecuația anterioară și a oxigenului care produce CO2 suplimentar în atmosferă se numește oxigen potențial atmosferic, este denumită APO și este măsurată în unități „pe meg”. Calcul:

Un institut japonez de cercetare este situat în Sendai, (38 ° E, 140 ° E), la 150 m deasupra nivelului mării. Prelevarea a fost efectuată într-un vânt de vest sub presiunea atmosferică. Umezeala a fost îndepărtată prin răcire la -78 ° C.
O probă pregătită industrial cu aer de referință nu poate fi utilizată, deoarece valorile d (O2/N2) sunt semnificativ mai mici, la 2500-4500 pe meg, decât valorile atmosferice. Prin urmare, de exemplu, a fost prelevată o probă de aer natural din locul de laborator ca referință pentru preparare și plasată într-un balon de 47 litri, de înaltă presiune, filtrat după filtrare la o presiune de 1,0-107 Pa (greutate moleculară 4A). CO2, SO2, H2S, C2H4, C2H6, C3H6, etanol. Nu adsorbe C3H8 și hidrocarburi superioare. Este bun pentru lichide nepolare și gaze. Încărcări: gel silicat de aluminiu).

Sticla este fabricată din oțel de mangan. Metoda de selectare a aerului de referință și metoda de măsurare au fost dezvoltate de o cercetare atentă specială. Măsurătorile au arătat în principal variații sezoniere (Figura 4).

4. бbra • Raportul oxigen/azot al atmosferei

și schimbarea dioxidului de carbon

Modificările δ (O2/N2) și CO2 sunt opuse sezonier și pe termen lung. Modificările dioxidului de carbon depind în mare măsură de cantitatea de combustibili fosili arși și de defrișări. În studiile japoneze, variația medie anuală în δ (O2/N2) este de -16,3 pe meg/an, iar modificarea concentrației de CO2 este de 1,9 ppmv/an. Bilanțul material:

unde fluxul de carbon (GtC/an) care curge în atmosferă de la ftűz, fcement, ffld, combustibili fosili, producția de ciment, biosfera terestră și ubb. 1,43; 1.1; Coeficienții 0,471 și 4,8 reprezintă raportul O2 cerut de formarea CO2 (incorect).

5. бbra • Raport oxigen/azot

Conform măsurătorilor, ciclurile sezoniere se succed în cicluri armonice. (Figura 5), pe baza măsurătorilor de pe suprafața nordică. Δ (O2/N2) arată un minim la sfârșitul lunii martie, începutul lunii aprilie și un maxim la sfârșitul lunii iulie și începutul lunii august. Între vârfuri, amplitudinea δ (O2/N2) este de cca. 150 pe meg, aprox. 15 ppmv. În solul nordic, acest lucru se explică prin fotosinteza și respirația biosferei terestre și a CO2 atmosferic. Raportul δ (O2/N2) - și CO2 în marea apropiată este de -8,3, în timp ce în partea de sud -5,3, acest lucru se explică prin diferența datorată efectului oceanului. Conform lui Ralph Keeling și colab. (2006), componenta oceanică a δ (O2/N2) este:

unde 1.1 este raportul de schimb O2-CO2 în procesul biosferei terestre, 0,2095 este particula de O2 din atmosferă, [CO2] este concentrația măsurată de dioxid de carbon.

Datele colectate de la Cape Grim, Tasmania (Australia) au arătat, de asemenea, o dependență sezonieră de modificările concentrațiilor de CO2 și O2. Un factor în ocean este transportul natural de la nord la sud (circulația termohalinei), celălalt este un factor natural în căile biologice și fotosintetice. În perioada săptămânală examinată în deceniul 1991-2001, raportul O2/N2 a fost de cca. Redus cu 100 meg (1 ppm O2 = 4,77 meg). (Figura 6)

Potrivit cercetărilor efectuate la Universitatea California din Irvine, o scădere a concentrației de oxigen atmosferic se poate datora faptului că carbonul din biosfera terestră devine mai oxidabil din cauza perturbării sistemului natural de perturbare.

Schimbarea O2 în atmosferă poate fi exprimată ca fluxul net de carbon (Fnet) care curge din atmosferă în sistemul de vârstă și rata netă de schimb O2: CO2 (Rnet):

Un semn pozitiv indică un zbor în sus în atmosferă, un semn negativ indică un zbor în sus în biosfera terestră.

unde Fab este transferat de la lob la biosferă prin flux de carbon (produsul primar net este NPP), cantitatea necesară pentru oxidarea Rab NPP (O2 necesară pentru a reveni la moleculă), Fba către biosferă. O2 moli pe moleculă de CO2 necesară).

Sistemul de vârstă este în echilibru dinamic, iar Fab și Fba sunt foarte asemănătoare. James Randerson a emis ipoteza că o creștere a nivelului de tulburări naturale în ultimul deceniu ar duce la o scădere a Rab. Aceasta include creșterea defrișărilor, pășunatul, arderea, uciderea culturilor, schimbarea speciilor de plante etc. Aceasta înseamnă o creștere atât a elementelor care conțin oxigen din plante, cât și a materiei organice a solului și reduce conținutul de oxigen din atmosferă.

Schimbările în utilizarea terenului și o creștere a oxidării azotului determină o reducere a conținutului de oxigen din atmosferă pe termen lung.

Alte stații de măsurare includ instalația de foraj F3 petrol-gaz din Marea Nordului, la 200 km de coasta olandeză. Măsoară continuu conținutul de CO2 și O2 utilizând tehnologia de infraroșu de ultimă generație și alte instrumente de precizie. Concentrația de azot din măsurători este considerată constantă. Mai multe rezultate pot fi obținute prin procesarea măsurătorilor și, deși tendințele sunt similare, datele numerice sunt diferite, iar comparațiile indică faptul că cercetările suplimentare sunt esențiale. Modificări ale concentrațiilor atmosferice de CO2 și O2:

în care ΔCO2 lйgkцr бtlagos CO2 koncentrбciуvбltozбsa, ΔO2 oxigйn бtlagos koncentrбciуvбltozбsa F tьzelхanyag-йgetйsbхl fosil йs cementgyбrtбsbуl szбrmazу CO2, O la уceбni eredetы csцkkenйs CO2 B biolуgiai eredetы CO2 csцkkenйs (йgetйs biomasă, fцldhasznбlat) aF și AB este O2: schimbul de CO2 pentru fosile și bio-procese, Z este schimbul net de O2 între ocean și atmosferă.

Cel mai mare declin al O2 a fost observat de o echipă de cercetători de la Universitatea din Berna condusă de Francesco Valentino. Datele au fost colectate în Elveția și Franța. Stația Jungfraujoch (JFJ) este situată la o altitudine de 3580 m pe partea de nord a Alpilor Elvețieni, iar stația Puy de Dome la 1480 m pe partea de vest a Alpilor. Echipa de cercetare a descoperit o tendință de creștere a CO2 și o tendință de scădere a O2 în atmosferă. Conform măsurătorilor JFJ, creșterea ΔCO2 a fost de 1,08 ppm/an în 2001-2002 și de 2,41 ppm/an în 2003 și 2006. A Δ (O2/N2) -2,4 ppm/an și -1,5 ppm/an, resp. A scăzut între -9,5 ppm/an și -6,9 ppm/an.

În Puy, creșterea ΔCO2 a fost de 2,43 ppm/an în 2001-2002; 1,07 ppm/an în 2003-2004 și 2,4 ppm/an în 2005-2006. Δ (O2/N2) -6,1 ppm/an și APO -3,7 ppm/an între 2001 și 2002; Δ (O2/N2) -10,4 ppm/an și APO -7,6 ppm/an între 2002 și 2006. Raportul mediu O2: CO2 este -1,9 + 0,7 pentru JFJ și -1,8 + 0,5 pentru Puy, care diferă semnificativ de valorile biologice de 1,1 și 1,4 pentru foc. Cercetătorii s-au gândit la început la relația de castitate din ocean, dar o astfel de diferență nu poate fi realistă. Motivele sunt încă căutate din ocean.

Cercetările au fost efectuate în două stații din apropierea țărmurilor europene între 2000 și 2005: Mace Head, Norvegia, este situată la 35 m deasupra nivelului mării într-o zonă relativ liberă fosilă arsă la nord de stație și la nord de Olanda, pe coasta de nord a Olandei. . Au fost observate tendințe similare. În cazul Lutjewad, creșterea CO2 este de 1,7+ 0,2 ppm/an, scăderea oxigenului este de -4,2 + 0,3 ppm/an; Mace Headnil CO2 1,7+ 0,2, oxigen -4,2+ 0,3 ppm/an.

Toate măsurătorile arată că epuizarea oxigenului este mai rapidă decât creșterea CO2. Amploarea modificărilor poate varia din când în când. Motivele nu pot fi explicate clar prin utilizarea combustibililor fosili sau prin reducerea oxigenului cu apa rece de mare. Pădurile și fitoplanctonul joacă un rol important în aprovizionarea cu oxigen a pământului, iar analizele studiilor arată că este nevoie urgentă de acțiune în politica climatică pentru a ține seama de efectele reale. Reducerea dioxidului de carbon singur nu funcționează, deoarece efectul său este mic, deci este periculos să te bazezi pe el.

O parte din oxigen este prezentă în atmosferă sub formă de ozon (O3). Are un rol fundamental de jucat în supraviețuirea vieții pe pământ. Existența ozonului și cercetarea proceselor legate de acesta sunt practic un domeniu în afara științei.
Oxigenul molecular este transformat în oxigen atomic prin fotodisociere:

Oxigenul atomic poate fi convertit în ozon prin interacțiunea cu oxigenul molecular:

Recombinarea oxigenului atomic și a ozonului produce oxigen molecular:

Scutul de ozon de deasupra Pământului este monitorizat foarte atent.

Cuvinte cheie: dioxid de carbon, oxigen, încălzire, energie

Ishidoya, Shigeyuki - Aoki, S. - Nakazawa, T. (2003): O măsurare de înaltă precizie a raportului atmosferic O2/N2 pe un spectrometru de masă. Jurnalul Societății Meteorologice din Japonia. 81, 1, 127-140. • WEBCНM>

Raport ISIS 19/08/09 (2009): O2 scade mai repede decât creșterea CO2. • WEBCНM>

Keeling, Ralph (2006): Concentrația atmosferică de O2, raportată ca raport O2/N2. Universitatea din California la San Diego Institution of Oceanography (SIO), SUA

Ernх Mészбros (2010): Echilibru special în aer. MTA, Miskolc Academic Committee, iunie 2010. 2.

Warwick, Hillier (2011): Ceva în aerul pe care îl respirăm. Școala de cercetare a științelor biologice, Universitatea Națională Australiană Canberra ACT 0200 Australia

Zumdahl, Steven S. (2005): Principii chimice. Ediția a V-a, Compania Houghton Mifflin

3. бbra • Cantitatea totală de carbon atmosferic și dezvoltarea industrială

compararea cantității de carbon emis

Figura 6 • Modificarea raportului atmosferic O2/N2 cu colectarea probelor în Mauna Loa