Astronomija

Može li planet s atmosferom vodika imati vodeni ocean s otopljenim kisikom?

Može li planet s atmosferom vodika imati vodeni ocean s otopljenim kisikom?

Čitajući se na skitničkim planetima (tj. Planetima koji ne kruže oko zvijezde), ispada da bi nevaljala Super-Zemlja s dovoljno gustom atmosferom vodika mogla zadržati svoju unutarnju toplinu i imati oceane / jezera s tekućom vodom. Ono što bih želio znati je bi li ti oceani mogli sadržavati otopljeni kisik u ravnoteži. Molimo savjetujte da li ovo treba najbolje objaviti na Kemiji ...


Reći ću ne ili, barem, vrlo malo vjerojatno. Kratki odgovor, nema sunčeve svjetlosti, ne stvara kisik. Dulji odgovor u nastavku.

Moguć je vodeni ocean na velikom planetu-skitnici s dovoljno gustom atmosferom, barem na neko vrijeme. Ako s površine ili ispod oceana kroz vulkanizam dolazi dovoljno topline, možda je riječ o mlađem planetu s većom unutarnjom toplinom i više radioaktivnih elemenata i / ili ako je atmosfera bila dovoljno gusta, tada su sigurno mogući tekući oceani. Nailazite na probleme s previše mislećom atmosferom, jer bi tlak i možda temperatura bili ogromni tamo gdje bi se mogla stvoriti tekuća voda.

Ali ako pretpostavimo da je Zemlja poput neke vrste, s opsežnom vulkanskom aktivnošću koja održava dovoljno površinske topline, malo vjerojatnije da je kisik iz nekoliko razloga. Vodikova atmosfera spriječila bi da značajne količine slobodnog kisika ikad budu prisutne, a bez kisika u atmosferi, otopljeni kisik u oceanima bio bi privremen ako bi se tamo formirao, a ne ravnoteža.

Kisik je također vrlo reaktivan. Lako se veže ili reagira sa svim vrstama uobičajenih elemenata poput vodika, metana, željeza, silicija, magnezija, aluminija, sumpora i unutar Zemlje, zarobljeni kisik ne bi mogao pobjeći kao plin, ali bi se vjerojatno trajno vezao za silikate.

Kisik u čistom obliku rijedak je na planetima, jer ga treba stvoriti puno prije nego što ga bude dovoljno za započinjanje sakupljanja u atmosferi (ili u tekućem obliku ako je planet dovoljno hladan ... ali to nije relevantno za pitanje tekuće vode ). Fotosinteza je sjajan način za proizvodnju kisika iz vode i CO2, ali djeluje samo na sunčevoj svjetlosti, jer je postupak vrlo energetski intenzivan. Na skitničkom planetu bez sunčeve svjetlosti ne mogu smisliti nikakav način za proizvodnju bilo kakve statistički značajne količine kisika unutar oceana.

Biljke na Zemlji proizvode kisik u izobilju zbog besplatne energije sunčeve svjetlosti i lakog pristupa CO2 i H2O, ali bez sve te slobodne energije ne vidim da se to događa.

Ekstremofili dolaze u svim vrstama, pa ne želim reći da je to nemoguće, ali život za koji znamo oslanja se na kemijsku energiju, a zakoni kemijske energije prilično su jasni, a proizvodnja slobodnog kisika kao nusproizvoda otežana je bez značajna opskrba energijom.

Ekstremofili, labavo govoreći, zarađuju za život ne previše obilnim kemikalijama iz vulkanskog plina koji izlazi na dno oceana ili u drugim teškim situacijama. Postoji mnogo različitih vrsta i više mogućnosti ako uzmete u obzir teorije astrobiologije, ali teško mi je vidjeti metodu pri kojoj se oslobađa kisik. U oceanskim otvorima ima dovoljno topline, ali bakterije toplinu ne pretvaraju lako u korisnu energiju. Kemijska energija i egzotermne kemijske reakcije za stvaranje pohranjene energije ili fotosinteza općenito su način na koji život koji poznajemo stvara i pohranjuje svoju energiju. Kemijska energija potrebna za oslobađanje kisika u značajnim količinama čini se vrlo nepraktičnom bez značajne sunčeve svjetlosti.

Sada se, naravno, biologija i kemija iza kojih ekstremofili mogu proizvesti, prilično komplicira i bliža je biologiji i možda kemiji od astronomije (iako bi neki mogli reći da je astrobiologija dio astronomije), ali uz to, istražujući koji bi kemijski procesi mogli Moguće bi bilo vrlo dugo i iznad moje plaće, tako da postoji šansa da je to moguće, ali osjećam se prilično sigurnim da kažem da vaš scenarij nije vjerojatan.


Ako ima unutarnju toplinu i taj je glavni izvor energije u oceanu, tada nikada neće biti u ravnoteži. Unutarnja vrućina ionako se mora polako smanjivati ​​i ocean će se zagrijati s dna, uspostavljajući cirkulaciju od dna do vrha. Bilo bi pomalo poput divovskog lonca na štednjaku.

Ali u principu bilo koje tijelo vode može sadržavati otopljeni kisik.

Ne znam kako bi cirkulacija vode utjecala na to.


Napokon se hvataju vodik i ugljik

Treehugger je često bio sumnjičav prema dva "srebrna metka" zbog klimatske krize: ekonomiji vodika i hvatanju i skladištenju ugljika (CCS). Međutim, tvrtka u Dartmouthu u Novoj Škotskoj pod nazivom Planetary Hydrogen zbija njih dvije zajedno u dvocijevnom pristupu koji ima puno smisla.

U predindustrijskim ciklusima prirodnog ugljika, većinu atmosferskog ugljičnog dioksida (CO2) apsorbirale su biljke, ali oko četvrtine ga je apsorbirao ocean u procesu u kojem CO2 u kišnici otapa kalcij i druge minerale u stijenama i ulijeva se u ocean. Životinje to pretvaraju u kalcijev karbonat za svoje ljuske, koji kada se stisnu milijunima godina pohranjuju CO2 u vapnenac. Nepotrebno je reći da se takav proces događa u geološkom vremenu, milijunima godina, vrlo sporom ciklusu ugljika. Međutim, sada u atmosferu unosimo toliko CO2 - 7% poništavanjem ovog postupka kuhanjem vapnenca da se CO2 iz njega vrati i stvaranjem cementa - da ocean ne može pratiti i zakiseljavati. U

Sve je ovo vrlo spor proces, a kako napominje izvršni direktor planetarnog vodika Mike Kelland, "nemamo 100 000 godina da riješimo ovaj problem." Njegova tvrtka uzima električnu energiju bez fosilnih goriva iz energije vjetra, sunca ili vode i koristi elektrolizator za razdvajanje vode na vodik i kisik, nadovezujući se na rad dr. Grega Raua, koji je napisao niz radova na tu temu. natrag u devedesete. Planetarni vodik dodaje malo u smjesu, pretvarajući je u negativne emisije vodika ili NE H2.

To se vrlo razlikuje od procesa hvatanja i skladištenja ugljika koje obično vidimo, gdje je jedan od velikih problema što učiniti sa CO2. Ovdje se natrijev hidroksid proizvodi u elektrolizatoru, koji se kombinira s CO2 u morskoj vodi dajući natrijev bikarbonat. To je također doslovno samo kap u moru. Planetarni vodik se nastavlja:

Proizvodnja vodika elektrolizom nije vrlo učinkovita, a izvještaj tvrtke S & ampP Global kaže da mora smanjiti troškove za više od 50% kako bi bio održiva alternativa vodiku izrađenom od fosilnih goriva. Tu planetarni vodik dolazi na svoje, njegov vodik je ozbiljno negativan na ugljik, što može generirati vrijedne ugljične kredite. Nisu izbjegnute samo emisije CO2 korištenjem vodika, to je CO2 koji se ozbiljno odvaja u moru. Zapravo, Mike Kelland kaže Treehuggeru da je to zapravo više posao skladištenja ugljika nego posao vodika, koristeći Gillette analogiju: "Vodik je britva, ali ugljik je oštrica."

U svojoj studiji, Globalni potencijal za pretvaranje obnovljive električne energije u vodik s negativnim emisijama CO2, Rau zaključuje:

Zato je ovo sve tako zanimljivo. Bez obzira misli li netko da li će ikada doći do gospodarstva s vodikom, velike količine stvari koriste se za proizvodnju amonijaka i to bi moglo očistiti proizvodnju čelika. Cijena obnovljive energije pada tako brzo da je jedan od predloženih načina rješavanja isprekidanosti prekomjerna izgradnja sustava, tako da okolo može biti puno viška obnovljive energije, posebno u vjetrovitim mjestima poput Nove Škotske. I naravno, pohranjivanje 40 kilograma CO2 za svaki kilogram proizvedenog vodika dok se kiselina kiseli prilično je izvanredno.

Uz uzgajanje drveća, uzgoj školjki čini se prilično dobrim mjestom za pohranu ugljika.

Kelland kaže Treehuggeru da im ostaje dalek put prije komercijalizacije, zbog čega su tvrtku premjestili u Novu Škotsku, gdje istraživači sa sveučilišta Dalhousie mogu zajedno s njima testirati njezin utjecaj na ocean i život na lokalnom moru, ali ovaj treba gledati .


Drevna oceanska kemija: Učinci biološke proizvodnje kisika 100 milijuna godina prije nego što se akumulirao u atmosferi

Chris Reinhard iz UC Riverside proučava uzorak usitnjenog crnog škriljevca u otopini. Zasluga: UCR Strategic Communications.

(PhysOrg.com) - Znanstvenici široko prihvaćaju da je prije oko 2,4 milijarde godina Zemljina atmosfera pretrpjela dramatične promjene kada su razine kisika naglo porasle. Nazvan "Velikim događajem oksidacije" (GOE), skok kisika predstavlja važnu prekretnicu u povijesti Zemlje, transformaciju iz atmosfere siromašne kisikom u onu bogatu kisikom, koja utire put za složeni život na planetu.

Dva pitanja koja ostaju neriješena u istraživanjima rane Zemlje su kada je započela proizvodnja kisika fotosintezom i kada je počela mijenjati kemiju zemaljskog oceana i atmosfere.

Sada istraživački tim pod vodstvom geoznanstvenika sa Kalifornijskog sveučilišta, Riverside potkrepljuje nedavne dokaze da je proizvodnja kisika započela u Zemljinim oceanima najmanje 100 milijuna godina prije GOE, i ide korak dalje u pokazivanju da čak i vrlo niske koncentracije kisika mogu imati duboke učinci na oceansku kemiju.

Da bi došli do njihovih rezultata, istraživači su analizirali 2,5 milijarde godina stare crne škriljevce iz zapadne Australije. U osnovi predstavljaju fosilizirane dijelove drevnog morskog dna, fini slojevi unutar stijena omogućili su istraživačima da prelistaju povijest oceanske kemije.

Konkretno, škriljevci su otkrili da su se epizode nakupljanja sumporovodika u dubokom oceanu bez kisika dogodile gotovo 100 milijuna godina prije GOE-a i do 700 milijuna godina ranije nego što su takvi uvjeti predviđali prošli modeli za rani ocean. Znanstvenici već dugo vjeruju da je rani ocean, tijekom više od polovice Zemljine povijesti od 4,6 milijardi godina, umjesto toga karakterizirao velike količine otopljenog željeza u uvjetima u osnovi bez kisika.

"Uobičajena je pretpostavka da je za razvoj sulfidnih uvjeta u oceanu potreban značajan atmosferski kisik", rekao je Chris Reinhard, dr. Sc. apsolvent na Odjelu za znanosti o Zemlji i jedan od članova istraživačkog tima. "Međutim, otkrili smo da su sulfidni uvjeti u oceanu mogući čak i kad je oko njega vrlo malo kisika, ispod oko 1/100 000-og dijela kisika u modernoj atmosferi."

Reinhard je objasnio da pri čak i vrlo niskim razinama kisika u atmosferi, mineralni pirit može prevladati vremenom na kontinentima, što rezultira isporukom sulfata u ocean rijekama. Sulfat je ključni sastojak u stvaranju sumporovodika u oceanu.

Timothy Lyons, profesor biogeokemije, čiji je laboratorij vodio istraživanje, objasnio je da je sumporovodik u oceanu otisak fotosintetske proizvodnje kisika prije 2,5 milijarde godina.

"Nastanak kisične fotosinteze prije GOE-a stvar je intenzivne rasprave, a njegovo rješavanje leži u srcu razumijevanja evolucije različitih oblika života", rekao je. "Pronašli smo važan dio te slagalice."

Rezultati studije pojavljuju se u izdanju od 30. Listopada Znanost.

"Naši podaci upućuju na fotosintezu koja stvara kisik mnogo prije nego što su koncentracije kisika u atmosferi bile i mali djelić onoga što su danas, što sugerira da su kemijske reakcije koje troše kisik nadoknadile veći dio proizvodnje", rekao je Reinhard, vodeći autor knjige istraživački rad.

Chris Reinhard iz UC Riverside analizira sadržaj metala u 2,5 milijarde godina starom crnom škriljevcu pomoću masenog spektrometra koji se vidi s njegove lijeve strane. Zasluga: UCR Strategic Communications.

Istraživači tvrde da je prisutnost malih količina kisika mogla stimulirati ranu evoluciju eukariota - organizama čije stanice nose jezgre - milijunima godina prije GOE-a.

"Ova početna proizvodnja kisika postavila je temelj za razvoj životinja gotovo dvije milijarde godina kasnije", rekao je Lyons. "Prvo se trebala dogoditi evolucija eukariota."

Nalazi također imaju implikacije na potragu za životom na ekstrasolarnim planetima.

"Naša otkrića dodaju sve veće dokaze koji sugeriraju da je biološka proizvodnja kisika nužan, ali ne i dovoljan uvjet za evoluciju složenog života", rekao je Reinhard. "Planetarna atmosfera s obiljem kisika pružila bi vrlo obećavajući biosignaturu. Ali jedna od ovdje pouka je da to što spektroskopska mjerenja ne otkrivaju kisik u atmosferi drugog planeta ne mora nužno značiti da se ne odvija biološka proizvodnja kisika . "

Da bi analizirao škriljevce, Reinhard ih je prvo usitnio u fini prah u Lyonsovom laboratoriju. Zatim je prah tretiran nizom kemikalija kako bi se ekstrahirali različiti minerali. Ekstrakti su zatim pušteni na spektrometru masa na UC Riverside.

"Jedna uzbudljiva stvar u vezi s našim otkrićem sulfidnih stanja koja su se dogodila prije GOE-a jest da bi mogli rasvijetliti oceansku kemiju tijekom drugih razdoblja u geološkim zapisima, kao što je slabo shvaćen interval od 400 milijuna godina između GOE-a i prije oko 1,8 milijardi godina , trenutak u kojem su duboki oceani prestali pokazivati ​​znakove visoke koncentracije željeza ", rekao je Reinhard. "Sad možda imamo objašnjenje. Ako bi se sulfidni uvjeti mogli pojaviti s vrlo malim količinama kisika u blizini, onda bi oni mogli biti još češći i rašireniji nakon GOE-a."

Rekao je Lyons, "Ovo je važno jer siromašni kisikom i sulfidni uvjeti gotovo sigurno utječu na dostupnost hranjivih sastojaka neophodnih za život, poput dušika i metala u tragovima. Evolucija oceana i atmosfere bila je u uzročno-posljedičnoj ravnoteži s evolucija života ".


Razvijajuće se zemaljske atmosfere: mogu li vatra i zrak stvoriti vodenu zemlju?

Smatra se da je većina zvijezda sličnih Suncu dom vrućem stjenovitom egzoplanetu & # 8211 što bi moglo značiti da u našoj galaksiji postoji više od 300 milijuna potencijalno naseljivih planeta! Međutim, ostaje li nepoznato na bilo kojem od ovih planeta. Za razliku od Plavog mramora koji nazivamo domom, način na koji mnogi od ovih planeta stvaraju ostavlja ih kao mrtve stijene.

Smatra se da se većina zemaljskih planeta većih od Zemlje (poznatih kao super-Zemlje) formira kao sub-Neptun, koja se sastoji od silikatne kuglice magme okružene gustom atmosferom koja se akumulirala s planetarnog diska tijekom formiranja. Budući da ovom atmosferom dominiraju lagane molekule vodika, ona ima malu srednju molekulsku težinu (, prosječnu težinu svake molekule u atmosferi), a kasnije se atmosferskim bijegom gubi u svemiru, ostavljajući za sobom golu super-Zemlju. Iako je moguće da planeti vrate atmosferu vulkanskom aktivnošću ili udarcima kometa, što ako postoji način da super-Zemlje razviju atmosferu dok evoluiraju iz sub-Neptuna?

Današnji članak istražuje potencijalni put koji ne samo da može stvoriti atmosferu super-Zemlje, već bi mogao omogućiti njihovo zadržavanje milijardama godina.

Kad Magma sretne zrak

Autori razmatraju što se događa s proizvodima koji nastaju kada sub-Neptunova magma reagira svojom atmosferom. Željezni oksidi u magmi reagiraju s atmosferskim vodikom, proizvodeći vodu i željezo, koje tone u jezgru planeta. Dok dio te pare izlazi u atmosferu i miješa se s vodikom, većina se otapa i ostaje zarobljena u magmi, stvarajući planet sastavljen od blago vodenaste kuglice magme okružen nešto višom srednjom atmosferom molekularne težine. Ali kako atmosfera počinje bježati, što se događa s vodom?

Slika 1: Grafički prikaz potencijalnih putova koje sub-Neptun može poduzeti da postane super-Zemlja s atmosferom velike srednje molekulske težine (). Plave atmosfere dominiraju vodikom, dok zelene atmosfere dominiraju vodom. Na lijevoj strani se vidi kako Sub-Neptun gubi atmosferu u svemiru, postaje gola stijena, a kasnije ponovno uspostavlja visoku atmosferu. Desna strana prikazuje put opisan u današnjem radu, s sub Neptunom koji se razvija u super-Zemlju s atmosferom kojom dominira voda interakcijama atmosfera-magma. U svakom se putu sub-Neptun kreće po radijusu, smanjujući se u radijusu. Prilagođeno sa slike 4 u radu.

Koristeći modele planeta, atmosfere svakog planeta uklanjaju se malim koracima, svaki put ponovno procjenjujući ravnotežu između magme i atmosfere. Sa svakim korakom tlak na površini magme opada, što omogućava nekim plinovima zarobljenim tamo da izađu. Kako se atmosferski gubici nastavljaju, model atmosfera postaje sve tanji i tanji, dok veliki rezervoar H2Otopljeni u magmi i dalje se oslobađa. Kao što je prikazano na slici 1, s vremenom će se vodik potpuno izgubiti, ostavljajući za sobom atmosferu debelu 150-500 km i svijet kojim dominira voda! Ovakvu vodenu atmosferu možemo nazvati bivanjem endogeni jer potječe s planeta, za razliku od egzogeni atmosfere stvorene vanjskim procesima, poput udara ledene komete.

Voda, voda, svugdje?

Duljina vremena tijekom kojeg planet ima atmosferu kojom dominira voda ovisi o tome koliko su atmosferski gubici agresivni. Iako su manji planeti vrlo blizu svojih zvijezda u većem riziku od atmosferskih gubitaka, planeti na većoj udaljenosti od svojih zvijezda sigurniji su i možda nikada neće izdržati taj proces. Planeti između ovih krajnosti sposobni su zadržati svoj novostečeni H2O atmosferama u kojima dominira bilo je različito vrijeme, ali bi ih potencijalno mogle zadržati milijardama godina. Pa na koje planete možemo očekivati ​​da imaju vodene ovojnice?

Kada se nanese na grafikon planetarnog radijusa v.s. orbitalnog razdoblja, veći polumjera sub-Neptuni i manji-polumjera super-Zemlje odvojeni su nedostatkom planeta često poznatih kao Dolina polumjera. Kako sub-Neptun gubi atmosferu, njegov se radijus smanjuje, pomičući ga dolje kroz radijusnu dolinu. Autori predviđaju da pod uvjetom da planet ima dovoljno dugo razdoblje, a interakcije između magme i atmosfere su dovoljno učinkovite, planeti koji se razvijaju sposobni su zadržati H2Treba naći o-dominirane atmosfere koje oblažu dolinu radijusa u "vodeni pojas", kao što se vidi na slici 2.

Slika 2: "Vodeni pojas" super-Zemlje, prikazan u prostoru radijusa razdoblja za planete koje kruže oko zvijezda manje od 3 Gyra. Plava regija prikazuje područje koje zauzimaju sub Neptun, dok crveno područje prikazuje područje koje zauzimaju super Zemlje. Žuta regija između njih poznata je kao dolina polumjera. Vodeni pojas, gdje mogu postojati super Zemlje s atmosferama u kojima dominira voda, prikazan je zelenom bojom. Gornja i donja isprekidane crte daju predviđanja vodenog pojasa za magme s manjom i većom količinom prisutnih željeznih oksida. Slika 3 u radu.

Testiranje postoje li takvi planeti moglo bi biti relativno jednostavno. Izravno otkrivanje atmosfere ove vrste planeta može biti moguće pomoću fazne krivulje & # 8211 mjerenjem svjetlosti koja se reflektira i blokira od plime zaključanog planeta dok prolazi iza i ispred zvijezde domaćina. Ako je planet zadržao vodenastu atmosferu, tada se toplina može učinkovitije raspodijeliti sa trajno osvijetljene dnevne na hladnu, tamnu noćnu noć, što dovodi do manje temperaturne razlike između dva lica nego što bi to bio slučaj za golu atmosferu bez atmosfere stijena. Kako će endogene atmosfere vjerojatno imati manji omjer ugljika i kisika od onih na drugim super-Zemljama, promatranje spektroskopskih značajki tih atmosfera s nadolazećim svemirskim teleskopom James Webb moglo bi također pomoći u razlikovanju njih dvoje!


Može li planet s atmosferom vodika imati vodeni ocean s otopljenim kisikom? - Astronomija

Kisik u oceanu

> Znanstvenici već više od stotinu godina rutinski mjere koncentracije kisika u oceanu. Međutim, s rastućom zabrinutošću zbog klimatskih promjena, ovaj je parametar odjednom postao vruća tema. Otopljeni kisik u oceanu pruža osjetljiv sustav ranog upozoravanja na trendove koje uzrokuju klimatske promjene. Za naredne godine predviđa se masovno postavljanje senzora za kisik, što će predstavljati renesansu ovog parametra.

Kisik - proizvod i eliksir života

Ugljični dioksid, koji se u atmosferi javlja u relativno malim količinama, presudna je tvar za biljke i plin koji prijeti klimi. Kisik, s druge strane, nije samo glavna komponenta atmosfere, on je i najzastupljeniji kemijski element na Zemlji. Pojava kisika u atmosferi rezultat je biološkog modela uspjeha, fotosinteze, koja pomaže biljkama i bakterijama da pretvore anorganske materijale poput ugljičnog dioksida i vode u biomasu. Kisik je nastao i nastavlja se proizvoditi ovim postupkom. Proizvedena biomasa je sa svoje strane prehrambeni temelj za potrošače, bilo bakterije, životinje ili ljude. Ti potrošači ne mogu izvući potrebnu energiju iz sunčeve svjetlosti kao biljke, već je moraju dobiti spaljivanjem biomase, procesa koji troši kisik. Atmosferski kisik na našem planetu je tako proizvod, kao i eliksir života. 2.13> Morske životinje na različit način reagiraju na nedostatak kisika. Mnoge vrste puževa, na primjer, mogu tolerirati niži O2 razine od ribe ili rakova. Dijagram prikazuje koncentraciju pri kojoj polovica životinja umire u eksperimentalnim uvjetima. Prosječna vrijednost prikazana je crvenom linijom za svaku skupinu životinja. Šipke pokazuju cijeli spektar: neki rakovi mogu podnijeti puno niži O2 koncentracije od ostalih. / dt>

Proračun kisika za svjetski ocean

Baš kao i na kopnu, u oceanu također postoje fotosintetički aktivne biljke i bakterije, primarni proizvođači. Godišnje generiraju približno istu količinu kisika i fiksiraju toliko ugljika kao sve kopnene biljke zajedno. Ovo je prilično nevjerojatno. Napokon, ukupna živa biomasa u oceanu samo je oko dvije stotine od one u kopnenim biljkama. To znači da su primarni proizvođači u oceanu oko dvije stotine puta produktivniji od kopnenih biljaka s obzirom na svoju masu. To odražava visoku produktivnost jednostaničnih algi, koje sadrže vrlo malo neaktivne biomase, kao što je, na primjer, drvo srca u stablima drveća. 2.14> Kisik iz atmosfere ulazi u površinske vode oceana. Ovaj gornji sloj je dobro izmiješan, te je stoga u kemijskoj ravnoteži s atmosferom i bogat O2. Naglo završava na pinknoklini, koja djeluje poput barijere. Voda bogata kisikom u površinskoj zoni ne miješa se lako s dubljim slojevima vode. Kisik u osnovi ulazi u dublji ocean kretanjem vodenih struja, posebno stvaranjem dubokih i srednjih voda u polarnim regijama. U unutarnjem oceanu morski organizmi troše kisik. To stvara vrlo osjetljivu ravnotežu. Fotosintetska proizvodnja kisika ograničena je, međutim, na najgornji, suncem obasjan sloj oceana. To se proteže samo do dubine od oko 100 metara i zbog stabilne gustoće slojeva oceana uglavnom je odvojeno od ogromnog temeljnog volumena dubljeg oceana. Štoviše, većina kisika koji generiraju primarni proizvođači istječe u atmosferu u kratkom vremenu, a time ne pridonosi obogaćivanju kisika u dubokom vodenom stupcu. To je zato što je površinska voda, koja se proteže do oko 100 metara, obično zasićena kisikom opskrbom iz atmosfere i zbog toga ne može pohraniti dodatni kisik iz biološke proizvodnje. S druge strane, u unutarnjem oceanu nema izvora kisika. Kisik ulazi u ocean u površinsku vodu kontaktom s atmosferom. Odatle se kisik uvodi u veće dubine propadanjem i cirkulacijom vodenih masa. To su pak dinamični procesi na koje snažno utječu klimatski uvjeti. (Poglavlje 1).

  1. Početna koncentracija kisika koju je ta voda posjedovala u posljednjem kontaktu s atmosferom.
  2. Količina vremena koja je prošla od zadnjeg kontakta s atmosferom. To zapravo mogu biti desetljeća ili stoljeća.
  3. Biološka potrošnja kisika koja nastaje u to vrijeme uslijed disanja svih potrošača. Oni se kreću od malih bakterija do zooplanktona, pa sve do viših organizama poput ribe.

Kisik - renesansa hidrografskog parametra

Atlantska ekspedicija Po prvi puta, tijekom njemačke atlantske ekspedicije (1925. do 1927.) s istraživačkim brodom "Meteor", sustavno je uzorkovan čitav ocean, kako u atmosferi, tako i u vodenom stupcu. Koristeći sustav ehosondera koji je bio vrlo moderan za svoje vrijeme, snimljeni su dubinski profili na 13 tranzita cijelog oceanskog bazena.


Planeti s vodikovim nebom mogli bi gajiti život

Život može postojati na egzoplanetima, slično onome prikazanom na ovoj ilustraciji. Taj bi život emitirao plinove koji bi se mogli nakupiti u atmosferi. Znanstvenici na Zemlji uskoro će moći otkriti te plinove. Novo djelo pokazuje da bi atmosferu u potpunosti sazdanu od vodika vrijedilo provjeriti ima li znakova života.

Podijeli ovo:

Mikrobi mogu živjeti i rasti u bocama s čistim vodikom, izvještavaju sada znanstvenici. Njihovo novo otkriće moglo bi proširiti raspon svjetova u kojima bi astronomi mogli tražiti dokaze o vanzemaljskom životu.

"Pokušavamo proširiti pogled ljudi na ono što bi trebalo smatrati nastanjivim planetom", kaže Sara Seager. "Čini se da nam povećavaju šanse da život možemo pronaći negdje drugdje."

Seager je astronom na Massachusetts Institute of Technology, u Cambridgeu. Proučava egzoplanete. Oni kruže oko zvijezda koje nisu naše sunce. Seager je bio znatiželjan mogu li ovi daleki planeti ugostiti život. Neki koje su astronomi primijetili su kameniti, poput Zemlje. Ali nebo im je bilo ispunjeno različitim plinovima. Zemlju čine uglavnom dušični plin s nešto kisika. Međutim, zrak na nekim stjenovitim egzoplanetima mogao bi biti uglavnom vodik. Tako su Seager i njezini kolege postavili eksperiment u laboratoriju kako bi provjerili mogu li mikrobi živjeti u takvom okruženju.

Koristili su kvasac i E coli, vrsta bakterija. Oboje se smatraju dodacima za drugi jednostanični život. Istraživači su smjestili ove mikrobe u male bočice s malo hranjive juhe. Zatim je tim izvukao sav zrak iz šest boca i zamijenio ga čistim plinovitim vodikom, čistim plinom helija ili smjesom od 80 posto dušika i 20 posto ugljičnog dioksida. Posljednji set boca ostao je sa Zemljinim zrakom.

Svakih nekoliko sati istraživači su uklanjali neke mikrobe. Tada bi računali koliko je stanica živih. Očekivano, uspijevali su u zemaljskom zraku. No, broj ćelija rastao je i u svim ostalim atmosferama - samo ne tako dobro.

Tim je svoja saznanja podijelio 4. svibnja u Astronomija prirode.

Nusprodukti života

Mikrobi nisu samo preživjeli. Također su ispuštali karakteristične plinove poznate kao bioznaci. Ona koju emitira E coli, na primjer, bio je amonijak.

Ako se vide u atmosferi drugih planeta, ti plinovi mogu signalizirati život ispod.

E coli je tako jednostavan organizam, a stvara nevjerojatan niz plinova, kaže Giada Arney. Radi u NASA-inom centru za svemirske letove Goddard u Greenbeltu, Md. Nije bila uključena u ove nove eksperimente. Ali kao astrobiolog proučava mogućnost života na drugim svjetovima. "Znanje koji plinovi mogu nastati životom", kaže ona, "neophodan je prvi korak ka [potvrđivanju] njih kao mogućih otkrivenih bioloških potpisa na egzoplaneti."

Ali samo traženje atmosfere bogate vodikom nije dovoljno, kaže John Baross. Astrobiolog je na Sveučilištu Washington u Seattlu. Planetu bi za život trebali drugi sastojci. Morao bi imati ekvivalent hranjive juhe kojom je Seagerov tim hranio svoje mikrobe. Međutim, objašnjava, ta bi juha mogla biti tekući vodeni ocean - onaj koji razmjenjuje kemikalije s nekom stjenovitom površinom.

Astrobiolozi planiraju uskoro potražiti znakove vanzemaljskog života. To će učiniti promatrajući zvjezdanu svjetlost koja filtrira atmosferu egzoplaneta. Buduće zvjezdarnice, poput svemirskog teleskopa James Webb, mogle bi potražiti te biološke potpise.

No, postoji upozorenje (KAV-ee-ott) u nedavnim laboratorijskim eksperimentima. Seagerova skupina koristila je čisti vodik. Nije jasno postoje li uopće kameni planeti s atmosferom čistog vodika. Na temelju onoga što je poznato o tome kako nastaju planeti, čiste atmosfere vodika trebale bi biti rijetke, kaže Daniel Koll. On je planetarni znanstvenik na MIT-u, ali nije niti jedan uključen u novi rad.

Iako bi atmosfera vodika mogla biti rijetka, nju bi moglo biti relativno lako uočiti teleskopima. Vodik je vrlo lagan. Atmosfera cijelog ili uglavnom vodika trebala bi biti napuhnuta. Proširio bi se do 14 puta dalje od površine planeta nego što to čini Zemljina atmosfera kojom dominira dušik. To znači da bi se više svjetlosti zvijezda filtriralo kroz atmosferu na putu do Zemljinih teleskopa. A ovo bi moglo olakšati ispitivanje tih atmosfera u potrazi za znakovima života.

Međutim, planeti s vodikovim nebom možda nisu jedino mjesto za traženje života. Eksperimenti Seagera i njezinog tima pokazali su da mikrobi mogu živjeti i tamo gdje je bilo zraka uglavnom helija ili dušika. Međutim, te bi atmosfere bile rjeđe. A to bi ih otežalo otkriti oko malih, udaljenih planeta.

Odgajatelji i roditelji, prijavite se za varalicu

Tjedna ažuriranja koja će vam pomoći u korištenju Vijesti o znanosti za studente u okruženju za učenje

Životne neobičnosti

Seager kaže da jednostavni eksperimenti njezinog tima možda neće iznenaditi mnoge biologe. Napokon, postoje mikrobi koji žive u ekosustavima bogatim vodikom na Zemlji. Ti mikrobi žive na mjestima poput rudnika. Tako duboko, raspadanje kalcija može stvoriti zračne džepove s 33 do 88 vol.% Vodika. To je više nego što je tipično na otvorenom na površini. Vodik našeg planeta uglavnom je zatvoren u vodi. Sve u svemu, Zemljina atmosfera sadrži mnogo manje od 1 posto plinovitog vodika.

Zemljina atmosfera također sadrži kisik. To je plin koji nam treba da bismo ostali živi. Ali E coli mogu živjeti bez kisika u crijevima mnogih životinja. A kvasac ide i bez toga. Na primjer, kada se koristi za kuhanje piva, ono uspijeva bez kisika. Taj kvasac razgrađuje glukozu, jednostavni šećer, kako bi nastao pivski alkohol i ugljični dioksid. Ali niti jedan mikrob nije prilagođen za ugodan život u čistom vodiku. Stoga je Seager smatrao da ga vrijedi testirati kako bi vidjeli mogu li ga preživjeti.

"Ovo je vrlo direktna demonstracija da, ako život na Zemlji može postojati u uvjetima vodikove atmosfere, onda bi izvanzemaljski život sigurno mogao", kaže Koll. Razmišljajući o drugim planetima, upozorava: "Ne bismo trebali ograničavati ili biti previše usredotočeni na Zemlju u onome što smatramo zanimljivim."

There’s a fun fact, too, if life exists on a planet with hydrogen skies. Organisms complex enough to have lungs and voice boxes would have squeaky, high-pitched voices.

“You know the effect where you inhale a helium balloon and your voice sounds like Mickey Mouse?” Kroll asks. Hydrogen does the same thing. “You could definitely travel to an alien planet, take one breath of air, say something with a squeaky voice, and put your helmet back on.”

Power Words

alien: A non-native organism. (in astronomy) Life on or from a distant world.

ammonia: A colorless gas with a nasty smell. Ammonia is a compound made from the elements nitrogen and hydrogen. It is used to make food and applied to farm fields as a fertilizer. Secreted by the kidneys, ammonia gives urine its characteristic odor. The chemical also occurs in the atmosphere and throughout the universe.

astrobiologist: Someone who studies life everywhere in the universe, including on Earth and in space.

astronomija: The area of science that deals with celestial objects, space and the physical universe. People who work in this field are called astronomers.

atmosphere: The envelope of gases surrounding Earth or another planet.

bacteria: (singular: bacterium) Single-celled organisms. These dwell nearly everywhere on Earth, from the bottom of the sea to inside other living organisms (such as plants and animals). Bacteria are one of the three domains of life on Earth.

biologist: A scientist involved in the study of living things.

calcium: A chemical element which is common in minerals of the Earth’s crust and in sea salt. It is also found in bone mineral and teeth, and can play a role in the movement of certain substances into and out of cells.

carbon: The chemical element having the atomic number 6. It is the physical basis of all life on Earth. Carbon exists freely as graphite and diamond. It is an important part of coal, limestone and petroleum, and is capable of self-bonding, chemically, to form an enormous number of chemically, biologically and commercially important molecules.

carbon dioxide: (or CO2) A colorless, odorless gas produced by all animals when the oxygen they inhale reacts with the carbon-rich foods that they’ve eaten.

caveat: A potential exception to the general rule or to some general expectation.

cell: The smallest structural and functional unit of an organism. Typically too small to see with the unaided eye, it consists of a watery fluid surrounded by a membrane or wall. Depending on their size, animals are made of anywhere from thousands to trillions of cells. Most organisms, such as yeasts, molds, bacteria and some algae, are composed of only one cell.

chemical: A substance formed from two or more atoms that unite (bond) in a fixed proportion and structure. For example, water is a chemical made when two hydrogen atoms bond to one oxygen atom. Its chemical formula is H2O.

colleague: Someone who works with another a co-worker or team member.

decay: The process (also called “rotting”) by which a dead plant or animal gradually breaks down as it is consumed by bacteria and other microbes.

E. coli: (short for Escherichia coli) A common bacterium that researchers often harness to study genetics. Some naturally occurring strains of this microbe cause disease, but many others do not.

ecosystem: A group of interacting living organisms — including microorganisms, plants and animals — and their physical environment within a particular climate.

environment: The sum of all of the things that exist around some organism or the process and the condition those things create. Environment may refer to the weather and ecosystem in which some animal lives, or, perhaps, the temperature and humidity (or even the placement of things in the vicinity of an item of interest).

egzoplaneta: Short for extrasolar planet, it’s a planet that orbits a star outside our solar system.

filter: (in chemistry and environmental science) A device or system that allows some materials to pass through but not others, based on their size or some other feature.

glucose: A simple sugar that is an important energy source in living organisms. As an energy source moving through the bloodstream, it is known as “blood sugar.” It is half of the molecule that makes up table sugar (also known as sucrose).

gut: An informal term for the gastrointestinal tract, especially the intestines.

habitable: A place suitable for humans or other living things to comfortably dwell.

helij: An inert gas that is the lightest member of the noble gas series. Helium can become a solid at -272 degrees Celsius (-458 degrees Fahrenheit).

host: (in biology and medicine) The organism (or environment) in which some other thing resides. Humans may be a temporary host for food-poisoning germs or other infective agents. (v.) The act of providing a home or environment for something.

vodik: The lightest element in the universe. As a gas, it is colorless, odorless and highly flammable. It’s an integral part of many fuels, fats and chemicals that make up living tissues. It’s made of a single proton (which serves as its nucleus) orbited by a single electron.

microbe: Short for microorganism. A living thing that is too small to see with the unaided eye, including bacteria, some fungi and many other organisms such as amoebas. Most consist of a single cell.

nitrogen: A colorless, odorless and nonreactive gaseous element that forms about 78 percent of Earth's atmosphere. Its scientific symbol is N. Nitrogen is released in the form of nitrogen oxides as fossil fuels burn. It comes in two stable forms. Both have 14 protons in the nucleus.

nutrient: A vitamin, mineral, fat, carbohydrate or protein that a plant, animal or other organism requires as part of its food in order to survive.

orbit: The curved path of a celestial object or spacecraft around a star, planet or moon. One complete circuit around a celestial body.

organism: Any living thing, from elephants and plants to bacteria and other types of single-celled life.

oxygen: A gas that makes up about 21 percent of Earth's atmosphere. All animals and many microorganisms need oxygen to fuel their growth (and metabolism).

planeta: A celestial object that orbits a star, is big enough for gravity to have squashed it into a roundish ball and has cleared other objects out of the way in its orbital neighborhood.

range: The full extent or distribution of something. For instance, a plant or animal’s range is the area over which it naturally exists.

zvijezda: The basic building block from which galaxies are made. Stars develop when gravity compacts clouds of gas. When they become hot enough, stars will emit light and sometimes other forms of electromagnetic radiation. The sun is our closest star.

sun: The star at the center of Earth’s solar system. It is about 27,000 light-years from the center of the Milky Way galaxy. Also a term for any sunlike star.

technology: The application of scientific knowledge for practical purposes, especially in industry — or the devices, processes and systems that result from those efforts.

voice box: The hollow, muscular organ forming an air passage to the lungs and holding the vocal cords in people and other mammals. It’s also known as the larynx.

yeast: One-celled fungi that can ferment carbohydrates (like sugars), producing carbon dioxide and alcohol. They also play a pivotal role in making many baked products rise.

Citations

Journal:​​​S. Seager et al. Laboratory studies on the viability of life in H2-dominated exoplanet atmospheres. Nature Astronomy. Published online May 4, 2020. Doi:10.1038/s41550-020-1069-4

About Lisa Grossman

Lisa Grossman is the astronomy writer. She has a degree in astronomy from Cornell University and a graduate certificate in science writing from University of California, Santa Cruz. She lives near Boston.

Classroom Resources for This Article Learn more

Free educator resources are available for this article. Register to access:


How much oxygen comes from the ocean?

The surface layer of the ocean is teeming with photosynthetic plankton. Though they're invisible to the naked eye, they produce more oxygen than the largest redwoods.

Scientists estimate that 50-80% of the oxygen production on Earth comes from the ocean. The majority of this production is from oceanic plankton — drifting plants, algae, and some bacteria that can photosynthesize. One particular species, Prochlorococcus, is the smallest photosynthetic organism on Earth. But this little bacteria produces up to 20% of the oxygen in our entire biosphere. That’s a higher percentage than all of the tropical rainforests on land combined.

Calculating the exact percentage of oxygen produced in the ocean is difficult because the amounts are constantly changing. Scientists can use satellite imagery to track photosynthesizing plankton and estimate the amount of photosynthesis occurring in the ocean, but satellite imagery cannot tell the whole story. The amount of plankton changes seasonally and in response to changes in the water’s nutrient load, temperature, and other factors. Studies have shown that the amount of oxygen in specific locations varies with time of day and with the tides.

It’s important to remember that although the ocean produces at least 50% of the oxygen on Earth, roughly the same amount is consumed by marine life. Like animals on land, marine animals use oxygen to breathe, and both plants and animals use oxygen for cellular respiration. Oxygen is also consumed when dead plants and animals decay in the ocean.

This is particularly problematic when algal blooms die and the decomposition process uses oxygen faster than it can be replenished. This can create areas of extremely low oxygen concentrations, or hypoxia. These areas are often called dead zones, because the oxygen levels are too low to support most marine life. NOAA’s National Centers for Coastal Ocean Science conducts extensive research and forecasting on algal blooms and hypoxia to lessen the harm done to the ocean ecosystem and human environment.


Follow-Up #1: oxygen in the early earth

Although there's oxygen in water, in equilibrium almost none of it is present as O2. That's very familiar from the behavior of water nowadays. Even when heated to boiling, water doesn't decompose and give off O2.

I don't know how much O2 is produced when lightning hits water. Evidently, it's not much. You can directly read the oxygen status of the early atmosphere off rocks by looking at how much the iron deposits were oxydized. O2 concentrations were very low before photosynthetic bacteria started producing it.

Lightning does do interesting things to atmospheric chemistry, however. It's said to make NO2. It also makes ozone (O3). My new ozone meter, purchased to test whether the filter on an possible air-conditioner purchase would be safe, just went nuts a couple of days ago, right before a storm.


Atmospheric balance [ edit | edit source ]

What would happen immediately after we add an atmosphere? Some gasses will be absorbed in the rocks or will make chemical reactions with them. This process will occur soon after we create an atmosphere and will slow down soon too. We have to consider this when we calculate how much gas we need.

If we brought the air with an impactor, we also create a massive increase in temperature, melting all ices. At this point we have to start working on terraforming the atmosphere. We will add greenhouse gasses as the temperature is still high.

We also have to consider that once we produce oxygen, it will react with many rocks on the surface and might ignite gasses in the atmosphere, like methane. This will affect atmospheric composition and mass.

A third thing that will happen is, when we create oceans, that gasses can be dissolved into water. This works for oxygen and nitrogen, but in much larger concentrations for carbon dioxide. Gasses can exist in the first ocean we create and can escape into the atmosphere. Also, gasses from the atmosphere can get into the ocean.

It is possible to add gasses later, to replenish the atmosphere, but, if possible, it is better to estimate how much air will be absorbed in the rocks, in the oceans and how much will be lost in space in the first moments, when the atmosphere can be very hot.


Humanity’s Unexpected Impact

The wind measurements that Le Quéré had entered into her model held the key. Since 1981, winds in the Southern Ocean increased, and Le Quéré believes that the ozone hole and global warming are to blame.

“Ozone naturally warms the upper atmosphere because it captures the radiation from the Sun and re-emits it there,” says Le Quéré. “If you deplete ozone, you get a very large cooling in the upper atmosphere.” The huge temperature difference between the ozone hole and the rest of the stratosphere causes strong winds around Antarctica. Uneven warming in different parts of the southern hemisphere from recent global warming also created a temperature difference that strengthened the winds. The stronger winds enhance deep water upwelling, which allows carbon to vent into the atmosphere from carbon-rich deep water. In essence, while the ocean may be taking up more anthropogenic carbon to keep pace with levels in the atmosphere, it’s also venting more carbon than it did in the past, and that changes the size of the overall sink.

Like Feely saw in the equatorial Pacific, stronger winds made the Southern Ocean vent more carbon dioxide in areas where deep water upwelled to the surface. This idea, that upwelling water releases carbon dioxide, ran counter to what oceanographers had believed about stratification for decades. “When I started, everybody said if the ocean stratifies, then it will absorb less anthropogenic CO2. But really now, it’s not so clear,” says Le Quéré. If global warming causes upwelling areas like the high latitudes or the equatorial Pacific to stratify, then the natural carbon dioxide that is normally released during venting may just stay in the deep ocean. Stratification might wind up having competing effects on the overall carbon cycle, with saturation slowing carbon dioxide uptake in surface waters, but also suppressing venting.

The other assumption that Le Quéré’s work rattled was the idea that the only way people would change the ocean carbon sink is through increased concentrations of atmospheric carbon dioxide. “At the beginning, we thought the important aspect was the increase in atmospheric CO2,” says Le Quéré. “And now, I think the changes in ocean physics [mixing] are very important as well. I wouldn’t be surprised if the changes in marine ecosystems become equally important, but we just haven’t seen this yet.”

“The link between the destruction of the ozone layer, the changing wind patterns, and the impact on the carbon cycle is the thing that makes Le Quéré’s paper unique,” says Feely. “It links back to man-made impacts on the climate.” The idea that the man-made ozone hole and global warming have changed the Southern Ocean carbon sink is “disturbing on the one hand, but extremely interesting also,” says Jorge Sarmiento, an ocean modeler and Le Quéré’s former mentor at Princeton University.

Not surprisingly, Le Quéré’s ground-breaking work has been controversial. Two other groups have challenged her study in letters to Science, where her work was published, but Le Quéré is standing by her results. The problem is, the method of deriving the size of the ocean sink from atmospheric carbon, not ocean carbon, is uncertain. And like all models, Le Quéré’s model has uncertainties of its own.

“I think it’s possible that the Southern Ocean sink is slowing down,” says Sarmiento, “[Le Quéré] did a super job of bringing in all kinds of constraints on the model, but all of them have huge uncertainties. I’m still holding off.” Feely agrees. “In this case, modelers are leaping ahead of the observationalists. What we as oceanographers want to do is make sure that there is a sufficient amount of oceanographic data to substantiate that. You need 30 years of data before you can say anything, and that’s an incredible feat in itself.”

The key to understanding the stability of the Southern Ocean carbon sink turned out to be winds. Since the early 1980s, winds circling Antarctica steadily increased, driven by both global warming and changes in the upper atmosphere caused by the ozone hole. (Graph by Robert Simmon, based on National Centers for Environmental Prediction (NCEP) data.)

And so the question remains: How is the ocean carbon sink changing? As scientists try to answer the question today, they have more tools available to them, including NASA satellites that measure the productivity of ocean plant life, winds that stir the water’s surface, and global temperature patterns that reveal ocean circulation. And in late 2008, NASA will launch the Orbiting Carbon Observatory, which will track the abundance and distribution of carbon in the atmosphere.

The technology has evolved over the past decade as scientists realized that to understand the ocean carbon cycle, they are going to have to look for the human fingerprint in ocean circulation and biology, not just in ocean chemistry. “When I started about 15 years ago, it was assumed that the circulation of the ocean did not change. The only thing we ever thought about was carbon dioxide increasing in the atmosphere,” says Le Quéré. “Now we have a much broader view of what is happening. I think very few people accept the steady state hypothesis anymore. That’s finished.”

Like much research, Feely and Le Quéré’s work creates almost as many questions as answers: What other climate cycles affect the oceanic carbon sink? Will the Southern Ocean return to normal as Antarctic ozone recovers? Will the increasing severity of global warming finally cause much of the ocean surface to stratify? In time—with continuing study—these questions will be answered, to be replaced with new ones. (Photograph ©2008 Brett Longworth.)


Gledaj video: Hiroshima, Tchernobyl, Fukushima.. Les morts du nucléaire. (Rujan 2021).