Недостаток кислорода: миф или реальность?
Замолодчиков Д.Г.
доктор биологических наук, заместитель директора Центра по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН, профессор кафедры общей экологии Биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова
Введение
Энергетической основой современной цивилизации является сжигание ископаемого топлива. Оно сопровождается выделением в атмосферу продуктов сгорания, то есть углекислого газа, паров воды и ряда прочих примесей. Как ныне хорошо известно, углекислый газ является важным регулятором климата Земли. В результате эмиссий от сжигания ископаемого топлива и, в меньшей степени, от обезлесивания содержание углекислого газа в атмосфере повысилось более чем на 30% за последние 100 лет, что стало причиной усиления парникового эффекта атмосферы и глобального потепления климата. Негативные экологические, экономические и социальные проблемы, связанные с имеющимися и прогнозируемыми проявлениями глобальных изменений климата, привели к необходимости международной координации усилий по контролю эмиссий парниковых газов в атмосфере. В 1992 г. была заключена Рамочная конвенция ООН по изменению климата, в 1997 г появился Киотский протокол к этой конвенции, вступивший в действие после его ратификации Российской Федерацией в 2004 г.
Сжигание ископаемого топлива является двусторонним процессом, связанным не только с эмиссией продуктов сгорания в атмосферу, но и с потреблением из нее свободного кислорода. Вполне естественно предположить, что если увеличение запас углекислого газа в атмосфере приводит к явным негативным эффектам, то и уменьшение содержания кислорода вполне может грозить серьезными экологическими проблемами. Ведь кислород необходим человеку и другим аэробным живым организмам для дыхания, от содержания кислорода в воздухе в значительной степени зависит самочувствие людей. Многие из нас сами ощущали, как болезнен недостаток кислорода, оказавшись, например, в условиях высокогорья. Кроме того, из свободного кислорода формируется озоновый слой атмосферы, защищающий живые организмы от губительного ультрафиолетового излучения солнца. Если общее количество кислорода уменьшается, то и озоновый слой может истощаться, а ведь проблема сохранения озонового слоя была
И вот уже в средствах массовой информации и Интернете идет активное обсуждение кислородных проблем Земли, раздаются призывы к охране кислорода и введении лицензирования на его промышленное использование. «Однако, с каждым годом содержание кислорода в атмосфере снижается. Причин тому множество – вырубка лесов, автомобильные выхлопы, загрязнение окружающей среды токсичными выбросами заводов…». Это цитата не из экологической публикации, а из рекламы кондиционеров King Oxygen от компании GREE (Кислород…, 2004). Данный пример показывает, что проблема снижения запаса атмосферного кислорода настолько интересна для общества, что она даже может эксплуатироваться в целях достижения коммерческого успеха продукции.
И в то же время имеется сравнительно мало научных публикаций по проблеме снижения содержания атмосферного кислорода и современных изменениях биосферного круговорота кислорода, особенно в сравнении с громадным количеством публикаций по парниковым газам. Причины такого «пренебрежения» научных кругов данной проблемой, надеюсь, станут ясными по прочтении настоящей статьи, в которой будет представлены ответы на следующие вопросы:
1. Каковы величины современного антропогенного кислорода атмосферы?
2. Каково влияние человека на круговорот кислорода в современной биосфере?
3. Каким образом сформировалась современная кислородная атмосфера планеты?
4. Каковы последствия снижения запаса свободного кислорода для здоровья и самочувствия людей?
5. Следует ли регулировать промышленное потребление кислорода?
Антропогенное потребление кислорода
В современном мире основную часть энергии человечество получает за счет сжигания ископаемого топлива. Горение является типичной окислительно-восстановительной реакцией, в которой восстановителем выступает топливо (нефть, природный газ, каменный уголь), а окислителем – атмосферный кислород. Одним из продуктов этой реакции является углекислый газ, который попадает в атмосферу. Таким образом, открывается возможность оценки антропогенного потребления кислорода по величинам эмиссии углекислого газа. В свою очередь, величины эмиссии CO2 для различных регионов и стран мира оценены с высокой точностью в связи с участием этого газа в процессах глобального потепления.
Для пересчета из величин эмиссии углекислого газа в потребление кислорода надо ввести коэффициенты. Эти коэффициенты зависят от типа сжигаемого топлива. Например, если горит графит (С), то при образовании одной молекулы углекислого газа потребляется одна молекула кислорода (O2), и мольный коэффициент равен 1. В то же время при сгорании молекулы метана (CH4) образуется одна молекула CO2 и две молекулы воды (H2O), то есть потребляется две молекулы O2, а мольный коэффициент равен 2. По нашим расчетам, мольный коэффициент при сжигании газообразного топлива составляет 1.95 (наличие в природном газе этана, пропана и бутана понижает мольный коэффициент доминирующего метана), жидкого топлива – 1.54, твердого топлива – 1.03.
Для пересчетов в массу следует учесть молекулярные веса. Величины эмиссии углекислого газа обычно приводятся в единицах массы углекислого газа (молекулярный вес 44) или углерода (молекулярный вес 12), в то время как вес молекулы кислорода составляет 32. Следовательно, при сжигании газообразного топлива для пересчета из эмиссии углекислого газа в потребление кислорода следует использовать коэффициент 1.42 = (1.95*32)/44, жидкого топлива – 1.12, твердого – 0.75.
В соответствии с требованиями Рамочной конвенции ООН по изменению климата страны проводят учет антропогенных эмиссий углекислого газа и публикуют их в национальных сообщениях. При расчетах антропогенного потребления кислорода мы базировались на величинах эмиссий углекислого газа, обобщенных в обзорах «Мировые ресурсы» (World resources…, 2000, 2003). Для более детальной оценки вклада России были использованы величины из III Национального сообщения Российской Федерации (2002) по изменению климата. Приведенные в этих источниках величины эмиссии углекислого газа при сгорании) твердого, жидкого и газообразного топлива (включая эмиссии от сжигания попутного газа) пересчитывались в величины потребления кислорода. В расчетах не были использованы величины эмиссии углекислого газа, связанные с производством цемента, так как этот процесс не приводит к поглощению атмосферного кислорода.
Суммарная общемировая величина потребления кислорода от сжигания ископаемого топлива в 1990 г. составила 20.8 Гт год-1 (Табл. 1) или 0.65 ×1015 моль год-1, что близко к имеющимся литературным оценкам 0.58 ×1015 (Keeling et al., 1993) и 0.67±1.7 ×1015 моль год-1 (Keeling, Shertz, 1992). Средний мировой мольный коэффициент пересчета углекислый газ/кислород (зависящий от соотношения различных типов ископаемого топлива), согласно нашим расчетам, в 1990 г. был равен 1.40, что также очень близко к имеющейся литературной оценке 1.39 (Keeling et al., 1996). Для мировой экономики характерно снижение доли твердого топлива при возрастании роли газообразного, в. результате мольный коэффициент повышается. В 1999 г. в целом для мировой экономики он составил 1.42.
По общему антропогенному потреблению кислорода лидируют Соединенные Штаты Америки (24% от мирового потребления в 1990 г. и 25% в 1999 г.). Суммарная доля европейских стран (за исключением Российской Федерации) составляла 24% в 1990 г. и 21% в 1999 г. Снижение доли Европы как в абсолютном, так и в относительном выражении определяется экономическими изменениями в восточной части Германии (бывшая ГДР) и в бывших республиках СССР (в первую очередь Украина и Белоруссия). Наибольшее снижение (33%) потребления атмосферного кислорода демонстрирует Российская Федерация. Наибольшие темпы роста потребления кислорода имеют место в странах Ближнего Востока и Северной Африки (46%) и Латинской Америки (43%). Тем не менее, пока доля этих регионов в мировом потреблении кислорода сравнительно невелика (соответственно 7 и 4% в 1999 г.). На второе место по потреблению кислорода (после США) к 1999 году вышел Китай.
Таблица 1. Суммарные величины годового потребления атмосферного кислорода в результате сжигания ископаемого топлива
| Страны и группы стран | Потребление O2 | Изменение от 1990 к 1999, % | |||
| 1990 | 1999 | ||||
| Гт | % от мирового | Гт | % от мирового | ||
| Германия | 0.92 | 4.4 | 0.85 | 3.7 | -7.2 |
| Великобритания | 0.57 | 2.7 | 0.62 | 2.7 | 9.6 |
| Российская Федерация | 2.59 | 12.4 | 1.72 | 7.5 | -33.4 |
| Прочие страны Европы | 3.43 | 16.5 | 3.25 | 14.1 | -5.4 |
| Страны Ближнего Востока и Северной Африки | 1.09 | 5.2 | 1.60 | 6.9 | 46.3 |
| Прочие страны Африки | 0.36 | 1.8 | 0.36 | 1.6 | -0.3 |
| Китай | 1.87 | 9.0 | 2.54 | 11.0 | 36.1 |
| Япония | 1.07 | 5.1 | 1.22 | 5.3 | 14.0 |
| Прочие страны Азии (без Ближнего Востока) | 2.12 | 10.2 | 2.71 | 11.8 | 28.1 |
| Австралия и Океания | 0.28 | 1.4 | 0.34 | 1.5 | 19.5 |
| Канада | 0.46 | 2.2 | 0.56 | 2.4 | 21.5 |
| США | 5.01 | 24.1 | 5.84 | 25.4 | 16.6 |
| Страны Центральной Америки и Карибского бассейна | 0.45 | 2.2 | 0.54 | 2.3 | 19.0 |
| Страны Южной Америки | 0.60 | 2.9 | 0.86 | 3.7 | 42.6 |
| Весь мир | 20.81 | 100.0 | 22.99 | 100.0 | 10.5 |
В расчете на общую площадь страны (группы стран) первое место по потреблению кислорода занимает Япония, в которой при сжигании ископаемого топлива в год используется 32 т кислорода на 1 га площади (Рис. 1). Далее следуют Великобритания, Германия, прочие страны Европы и лишь на 5 месте США. В среднем по всему миру потребление кислорода составляет около 2 т кислорода на 1 га площади. Для Российской Федерации это значение почти в два раза меньше среднего мирового, что является выражением сравнительно малых объемов экономической активности в расчете на общую площадь страны.