Антропогенное потребление кислорода

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

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.

Рисунок 1. Потребление кислорода в расчете на площадь страны или группы стран.

В расчете на душу населения (Рис. 2) по антропогенному потреблению кислорода лидируют США и Канада, в которых эта величина составляет соответственно 20 и 18 т на 1 человека в год. Далее следует Российская Федерация (12 т O₂ чел^-1 год^-1), что связано с высокой энергоемкостью внутреннего валового продукта, а также холодными климатическими условиями. Для всех европейских стран и Японии потребление кислорода на одного человека в год находится в пределах 9-11 т. Абсолютный минимум этой величины (0.5 т O₂ чел^-1 год^-1) приходится на африканские страны. В среднем по всему миру годовое потребление кислорода на душу населения составляет около 4 т.

Помимо сжигания ископаемого топлива, кислород потребляется при окислении биомассы, мертвых растительных остатков и органического вещества почвы. Эти процессы так же стимулируются под влиянием человека, например, при обезлесивании, сельскохозяйственной обработке почвы, осушении болот и так далее. Процесс окисления органических веществ является либо результатом деятельности организмов-деструкторов (гниение растительных остатков, минерализация почвенного гумуса), либо горения (лесные пожары, палы на сельскохозяйственных землях). Химическая реакция в обоих случаях одинакова – окисление органического вещества кислородом. Легко подсчитать, что при окислении молекулы глюкозы (C₆H₁₂O₆) мольный коэффициент кислород/углекислый газ будет равен 1 (то есть такой же, как у графита). Органическое вещество в растениях или их остатках находится в несколько более восстановленной форме, и мольный коэффициент равен 1.05 (Keeling, Najjar, 1993). Таким образом, при массовых пересчетах эмиссий от обезлесивания и землепользования (выраженных в т С) надо использовать коэффициент 2.80 = (1.05*32)/12.

Рисунок 2. Потребление кислорода в расчете на население страны или группы стран.

Согласно последнему отчету МГЭИК (Prentice et al., 2001), эмиссия углекислого газа за счет изменений в землепользовании составляла около 1.6 Гт С в год и существенно не менялась в период 1980-2000 гг. Годичный расход кислорода при этом был равен 4.5 Гт. Следовательно, суммарный вклад человека в потребление кислорода может быть оценен в 25.3 Гт в 1990 г. и 27.5 Гт в 1999 г.

Полученные оценки потребления кислорода на первый взгляд кажутся угрожающими. Почти 30 миллиардов тонн кислорода преобразуется человеком в углекислый газ ежегодно с очевидной тенденцией к увеличению потребления кислорода в будущем. Однако реальный размер эксплуатации кислородного ресурса можно оценить лишь в сравнении с доступными запасами кислорода и его потоками в биосфере.