Содержание кислорода в воздухе и самочувствие людей
Содержание кислорода в атмосферном воздухе является одним из важнейших метеорологических факторов, определяющих здоровье и самочувствие людей. Этот фактор во многом определяет повышенную общественную обеспокоенность по отношению к использованию кислородного ресурса атмосферы. Следует отметить, что самочувствие людей определяется не концентрацией кислорода в воздухе (то есть относительной долей по кислорода отношению к общему газовому составу воздуха), а его весовым содержанием в единице объема, называемым также парциальной плотностью и измеряемым в г на м3. В медицине разработана классификация типов погоды (Никберг и др., 1986), среди критериев которой используется и весовое содержание кислорода. Выделяют три основных типа погоды: 1) благоприятную (колебание весового содержания кислорода не превышают 5 г м-3), 2) умеренно неблагоприятную (снижение весового содержания кислорода на 5-10 г м-3 при его содержании менее 275-280 г м-3), 3) неблагоприятную (падение весового содержания кислорода до 270 г м-3 и менее или его уменьшение более чем на 15 г м-3). Главной колебаний весового содержания кислорода в воздухе являются изменения атмосферного давления. Из школьного курса физики известно, что плотность и давление газа взаимосвязаны. Чем больше давление, тем больше плотность, то есть большее количество молекул содержится в единице объема. При установлении зоны пониженного атмосферного давления или при прохождении теплого атмосферного фронта в полном соответствии с физическими законами весовое содержание кислорода в единице объема уменьшается, но при этом концентрация кислорода не меняется.
Еще в большей степени физиологический дефицит кислородом ощущается при подъеме на высоту, например, в горной местности. Среднее атмосферное давление в Алма-Ате, например, составляет 90% от давления в Москве, соответственно, и весовое содержание кислорода настолько же меньше. Однако человеческий организм способен достаточно успешно адаптироваться к такому или даже большему снижению весового содержания кислорода по прошествию нескольких дней или недель. Этим свойством организма пользуются, например, альпинисты, проходящие период адаптации перед штурмом высоких горных вершин.
Приведенные выше критерии классификации типов погоды позволяют оценить, какие колебания весового содержания кислорода вызывают ухудшения самочувствия. При умеренно-неблагоприятной погоде весовое содержание кислорода снижается на 2-3%, при неблагоприятной – более чем на 5%. Годовое снижение содержания кислорода составляет ныне 0.0016%, что в 1000 раз меньше, чем уровень колебаний кислорода при умеренно-неблагоприятной погоде. Следовательно, нельзя всерьез говорить о каком-либо влиянии антропогенного потребления кислорода на здоровье и самочувствие людей.
В российском обществе широко распространено мнение о недостатке кислорода в северных широтах. Это вопрос часто обсуждается на страницах периодической печати и в Интернете. Однако физические причины для такого явления отсутствуют. Концентрация кислорода практически одинакова в различных районах земного шара, весовое содержание кислорода в северных широтах существенно больше по сравнению с умеренными за счет более высокого давления. Именно высокое весовое содержание кислорода в атмосферном воздухе и приводит к развитию в организме человека так называемой вторичной гипероксической гипоксии (Овчарова, 1981), то есть в данном случае имеет место обратный физиологический ответ человеческого организма. Этот пример приводит к парадоксальному выводу – с физиологической точки зрения человек более легко адаптируется к недостатку весового содержания кислорода, чем к его избытку.
Следует ли регулировать потребление кислорода?
Со второй половины XX века вопросы, связанные с состоянием атмосферы и качеством атмосферного воздуха, входят в круг постоянно обсуждаемых экологических проблем. На национальном и международном уровне предпринимаются вполне конкретные практические шаги, связанные с охраной компонентов атмосферы и регуляции производства атмосферных загрязнителей. В качестве примера можно привести Венскую конвенцию об охране озонового слоя (1985) и Монреальский протокол по веществам. разрушающим озоновый слой (1987), Рамочную конвенцию ООН по изменению климата (1992) и Киотский протокол к ней (1997). Кислород является одним из компонентов атмосферы, темпы его антропогенного потребления увеличивается, поэтому вполне естественно, что все становятся все более громкими призывы к охране и регуляции использования этого атмосферного ресурса. В России достаточно громкую известность приобрели публикации В.М. Болдырева (2001, 2003а, 2003б, 2004), в которых предлагается новая доктрина атмосферного пользования, основанная на лицензировании атмосферного кислорода.
Рассмотрим основные положения предлагаемой доктрины, поскольку сходная аргументация используется и во многих других публикациях в средствах массовой информации и природоохранных изданиях (Бирюлин, 2000, Гордина и др., 2002, Друзь и др., 1996, Ткаченко, ). В.М. Болдырев исходит из известного определения (Наше общее будущее…, 1989), что «устойчивое развитие – это развитие, отвечающее нуждам и ожиданиям настоящего поколения и не подвергающее риску способность будущих поколений удовлетворять их собственные нужды». С позиций устойчивого развития промышленное потребление кислорода на территории страны (региона) не должно превышать возможность растительного мира страны (региона) по воспроизводству атмосферного кислорода в результате фотосинтеза. В.М. Болдыревым разработана методика по производительности растительного мира Земли в процессе фотосинтеза. С использованием этой методики обнаружено, что производство кислорода растительным миром России существенно превосходит его потребление экономикой страны, в результате Россия ежегодно производит 5.4 млрд. т «избыточного кислорода». В случае введения лицензирования на потребление кислорода на международном уровне, реализация «избыточного кислорода» может дать России до 70-140 млрд. долл. ежегодно. Проанализируем более подробно ряд положений и аргументов, лежащих в основе предлагаемой доктрины (Табл. 2).
Таблица 2. Критический анализ ряда ключевых положений публикации В.М. Болдырева «Атмосферным кислородом по глобализации и кредиторам. Значимый фактор геополитики, национальной безопасности и погашения долгов России» (2001).
| Цитаты из В.М. Болдырева (2001) | Наши комментарии |
| Резкий скачок потребления кислорода был вызван человеком. Добыча органического топлива и последующее его сжигание на ТЭС, транспорте, различных промышленных объектах привели к необходимости значительного использования кислорода как окислителя сжигаемого топлива. При увеличении добычи и сжигания органического топлива до 20 млрд. тонн условного топлива (т у.т.) в год промышленное потребление кислорода из атмосферы составит примерно 50 млрд. тонн и в совокупности с естественным потреблением превысит нижнюю границу оценки его воспроизводства в природе. | Современное потребление кислорода в результате сжигания ископаемого топлива составляет около 15% от дыхания гетеротрофных организмов суши, то есть скачок не столь уж резкий. Количество атмосферного кислорода уменьшается в относительном выражении крайне незначительно, однако этот процесс стартовал на грани XIX и XX столетий. Значит, порог естественного воспроизводства кислорода был превышен более ста лет назад. |
| Нами была разработана программа расчета регионального баланса состояния атмосферы исходя из общего потребления топлива в районе и «мощности» по производству кислорода флорой региона… Наши расчеты по указанной выше методике показали: …Россия производит 5346 млн. тонн «избыточного» кислорода в год. Кто его потребляет? Поэтому мировое сообщество должно найти справедливое решение этого вопроса. Если оно уже занялось квотированием промышленных выбросов углекислого газа, то более разумным является переход на квотирование промышленного потребления кислорода. | Суммарное выделение кислорода (то есть разность между валовой первичной продукцией и суммарным дыханием) всей биотой суши составляет около 3000 млн. т. По-видимому, под «производством кислорода флорой» автор понимает чистую первичную продукцию, игнорируя дыхание гетеротрофных организмов. По существующим балансовым оценкам (Nilsson et al., 2000), наземные экосистемы России выделяют около 560 млн. т кислорода в год. С учетом антропогенного потребления (табл. 1), Россия поглощала 2170 млн. т кислорода в 1990 г. и 1310 млн. т кислорода в 1990 г. |
| А примеров кислородного голодания множество. Один из них – сероводородное заражение Черного моря. Еще не так давно оно ощущалось, начиная с 200-метровой глубины, а ныне — с 70 метров: сероводород из-за нехватки кислорода в морской воде не окисляется. Кроме того, в Мировом океане активизировались процессы, приводящие к массовому замору рыбы, в том числе из-за нехватки в нем кислорода. | Снижение содержания кислорода действительно зарегистрировано во многих районах мирового океана. Его причиной является не снижение концентрации атмосферного кислорода, а повышение температуры воды в результате глобального потепления, приводящее к снижению растворимости кислорода. Негативные последствия этого процесса для морских экосистем пока изучены недостаточно. |
| Ясно, что сегодня в Земле и на её поверхности столько горючих ископаемых и углеводов, что если все их извлечь и одновременно сжечь, то будет израсходован весь кислород планеты. | При одновременном сжигании всех горючих ископаемых будет израсходовано лишь 2% от современного запаса кислорода атмосферы. Полное разложение всех растений, почвенного гумуса и торфа удалит из атмосферы 0.5% кислорода. |
| Однако мировое сообщество уже длительное время озабочено почему-то не кислородным голоданием большинства промышленно развитых стран, что более важно для жизни, а выбросами СО2 в связи с возможным потеплением климата Земли. | Кислородного голодания на суше нет, так как израсходована слишком малая часть кислорода атмосферы. Содержание CO2 в атмосфере очень мало по сравнению с кислородом, и потому человечество способно существенно изменить его. Роль CO2 как регулятора парникового эффекта не вызывает сомнений у подавляющей части мирового научного сообщества. |
| Тем временем на нашей планете леса уничтожаются со скоростью 20 гектаров в минуту. Это означает, что при годовом потреблении человеком 400 кг атмосферного кислорода, а его могут произвести 0.3 гектара леса, ежеминутно сокращается возможность существования 67 человек. | Уничтожение лесов, конечно же, крайне негативное явление. Однако кислород производит лишь растущий лес, в спелом лесу годичные потоки продукции и разложения сбалансированы. Роль спелых лесов (в обсуждаемом аспекте) состоит в хранении связанного углерода. Обезлесивание приводит к выделению CO2 в атмосферу и поглощению O2 за счет окисления биомассы сведенных лесов. |
Легко заметить, что многие положения В.М. Болдырева находятся в противоречии с имеющими в различных научных дисциплинах сведениями по биосферному круговороту кислорода. Если оставить в стороне ряд апокалипсических примеров «кислородного голодания», то главным методической ошибкой обсуждаемых выступлений является отсутствие балансового подхода к определению производства кислорода растительным покровом. Хотя В.М. Болдырев (2001) и пишет о «сбалансированности производства растениями атмосферного кислорода и его потреблении животными[3]», в своих дальнейших рассуждениях он использует величины «производства кислорода растительным покровом». В нашем анализе круговорота кислорода (Рис. 3) для аналогичного потока мы используем принятый в экологии термин «чистая первичная продукция».