Verbruik van vrije zuurstof

Nu de rol van koolzuurgas (CO2) in ons milieu veel aandacht krijgt, is het tijd om ook enkele vragen te stellen over de rol van zuurstofgas (O2). Het eerste gas wordt bij de verbranding van koolwaterstoffen gemaakt, het tweede wordt daarbij verbruikt.

Lang gold CO2 als onschadelijk voor het milieu, maar nu denkt men dat meer van dit gas in de atmosfeer tot een temperatuurstijging van die atmosfeer kan leiden. Daarom wordt terughoudendheid bepleit bij het verbranden van koolwaterstoffen en steenkool. Nog steeds geldt O2 als praktisch onbeperkt voorradig, en maar een enkeling denkt na over de gevolgen van een vermindering. Kan het op raken?

Mogen we de geologen vertrouwen, dan heeft de aardatmosfeer aanvankelijk nauwelijks zuurstofgas bevat. Ongeveer twee miljard jaar geleden is het O2 in grote hoeveelheden tevoorschijn gekomen. Het kwam niet uit gesteenten voort, door één of andere reductieve ontgassing, maar uit oceanen, door ontleding van water (H2O). Die ontleding gaat niet zomaar. Nodig zijn zonlicht, dat er toen natuurlijk al was, en vrij grote moleculaire complexen in het water, die op dat moment in de evolutie ontstonden: algen.

Voor enig begrip van de oorsprong van onze vrije zuurstof ontkomt men niet aan een bespreking van de fotosynthese van koolhydraten. In de samenstelling (synthese) van koolhydraten door inwerking van licht op water en koolzuurgas, waarbij zuurstofgas ontstaat, komen alle vijf hoofdrolspelers voor, die ook nu het toneelstuk van een vitaal milieu opvoeren.

De synthese-reactie is, in haar eenvoudigste vorm geschreven:

CO2 + 2H2O + 8f --> (CH2O) + H2O + O2

Hier staat f voor de energie van een zonnefoton en (CH2O) voor de eenheid koolhydraat die wordt opgebouwd; zo is (CH2O)6 het eenvoudige glucose. De verhouding van één atoom koolstof op twee waterstofatomen op één atoom zuurstof komt vrij nauwkeurig overeen met die van alle biosystemen.

Dat H2O zowel links als rechts van de pijl staat, heeft een fysische reden: de zuurstof uit het H2O links levert de vrije zuurstof rechts, waar dit artikel over gaat, en de zuurstof in het H2O rechts komt voort uit zuurstof in het CO2 links. Nog eens: deze reactie lukt alleen maar in moleculaire complexen (zoals in algen, of in chlorofyl) die voldoende groot zijn, dus voldoende langzaam de energie van een geabsorbeerd foton uitstralen zodat een volgend geabsorbeerd foton de energie-inhoud kan vergroten. Voor de reactie zijn niet minder dan acht fotonen nodig.

Tegenover deze synthese staat het metabolisme, waarbij de in koolhydraten opgeslagen zonne-energie in warmte of chemische energie voor bioprocessen wordt omgezet:

(CH2O) + O2 --> CO2 + H2O + bio-energie

Men kan dus zeggen dat O2 zowel gevolg als voorwaarde van leven is, want de biomassa maakt het (zie de eerste reactie) en gebruikt het (zie de tweede reactie).

Het uitgestrekte Amazone-oerwoud neemt door fotosynthese ongeveer even veel O2 op als het door ademhaling en verrotting weer aan de atmosfeer afgeeft. Als dit woud een voorbeeld is van de biomassa in het verre verleden, is het moeilijk te begrijpen hoe de eerste reactie, die van de fotosynthese, erg veel vrije zuurstof op heeft kunnen leveren. Men moet constateren dat die reactie zodanig effectief is geweest dat het CO2 in de aardatmosfeer praktisch op is geraakt: CO2 is op de aarde een sporegas geworden, terwijl verwante planeten als Venus en Mars er veel van in hun atmosfeer hebben.

Een gissing van de reden waarom er toch veel O2 is, is dat het metabolisme op bepaalde plaatsen en in bepaalde perioden onvolledig is geweest. Zou men er in slagen een nauwkeurige balans te maken van de opname en de afgifte van O2 van het Amazone-oerwoud, dan zat die waarschijnlijk niet precies in evenwicht blijken te zijn. De biornassa kan voortijdig van de vrije zuurstof worden afgesneden, bijvoorbeeld door verdrinking, veenvorming enzovoort. Dit voert tot de veronderstelling dat alle vrije zuurstof verwijst naar alle gesynthetiseerde koolhydraten die niet in het metabolisme zijn gebruikt. Met andere woorden: de voorraad fossiele brandstof in de vorm van steenkool, olie, aardgas en alle andere vormen die men kent, zou dan in een directe verhouding staan tot de hoeveelheid vrije zuurstof.

Klopt dit? De massa M van alle vrije zuurstof is 1,2 x 1018 kg. Deze waarde kunnen we afleiden uit de gewichtsfractie van zuurstof in lucht (c = 0,23), de luchtdruk op het aardoppervlak (p = 1 x 105 pascal), de grootte van het aardoppervlak (A = 5,1 x 1014 m2) en de versnelling van de zwaartekracht (g = 9,8 ms-2). Het gewicht van lucht op het aardoppervlak is immers pA, zodat de luchtmassa pA/g is en

M = cpA/g

moet zijn. Omdat de massa van een zuurstofmolecuul m = 5,3 x 10-26 kg is, zijn er M/m = 2,3 x 1043 vrije zuurstofmoleculen. (Laten we de zuurstof die in het water van de oceanen is opgelost verwaarlozen: men schat die op 1/7 van de totale voorraad.) Metingen leren ons dat per gevormd zuurstofmolecuul een fotonenergie e van 4,9 eV of 7,8 x 10-19 joule in een eenheid koolhydraat wordt opgeslagen. Hieruit volgt dat de vrije zuurstof zou verwijzen naar een fossicle energievoorraad van

eM/m = 1 ,8 x 1025 joule.

Wat weet men van de energie-inhoud van de voorraad fossiele brandstoffen? Volgens tegenwoordige inzichten is die van steenkool verreweg het grootste, misschien tien keer zo groot als die van olie en als die van aardgas. Het is dus in eerste benadering voldoende om alleen de steenkool te beschouwen. De voorraad schat men op ongeveer 1 x 1016 kg; zij zit in lagen die meer dan 0,3 m dik zijn en niet dieper liggen dan 2 x 103 m. De zogenaamde steenkoolreserve, die in werkelijk gevonden lagen zit en die men aan het delven is, is minder dan 1/10 daarvan. De verbrandingswaarde van steenkool is gemiddeld 3 x 107 joule kg-1, zodat de voorraad overeenkomt met 3 x 1023 joule. We zien dat dit nog niet eens 2% is van de boven berekende waarde.

In de aardkorst zit echter veel meer kool dan de voorraad die in mijnbouw te winnen zou zijn. Alle sedimenten bevatten een klein beetje gebonden koolstof, maar omdat er zoveel sediment is wordt de totale massa op niet minder dan 1019 kg geschat. Dit is een orde van grootte meer dan overeen zou komen met de boven berekende energievoorraad. Daarom komt de vraag op of de zuurstof, die met deze diffuus verspreide koolstof samen zou moeten hangen, ten dele ook in sedimenten gebonden is. Zo bevatten de sedimenten ruim 1019 kg aan sulfaten, die voor de helft van hun massa uit zuurstof bestaan. Het zou dus wel kunnen. (Voor de duidelijkheid: de 1023 kg aardkorst van silicaten bestaat ook voor de helft van zijn massa uit zuurstof, maar deze zuurstof is primordiaal en niet afkomstig van de fotosynthese). Gegeven de onzekerheden kan men niet zeggen dat de fossiele energievoorraad duidelijk overeenkomt met de hoeveelheid vrije zuurstof, maar er is tenminste een suggestie in die richting.

We komen nu terug op de vraag of de vrije zuurstof op kan raken als alle fossiele brandstof wordt verbrand. Het antwoord is nee. Nog geen 2% raakt op. Tenminste, als we ons zullen beperken tot de goed toegankelijke steenkoollagen. Voorlopig is er geen reden om verder te gaan. De vijf miljard mensen van nu verbruiken samen zo'n 1013 watt. Wordt de energievoorraad van 3 x 1023 joule door dit verbruik gedeeld, dan volgt een tijd van 3 x 1010 seconden: de vaak genoemde schatting van duizend jaar. Na duizend jaar zijn we door de voorraad heen, of na 250 jaar als er twee keer zoveel mensen zijn die twee keer zoveel energie gebruiken.

Wat betekent het om 2% minder zuurstof in de lucht te hebben? Er zal ruim voldoende over zijn om adem te halen, maar wat verdwenen is komt anders terug. Er zal ook 2% koolzuurgas in de lucht zitten, tegen 0,04% nu. Reageert de biomassa op deze grote toename van de hoeveelheid CO2 met een versterkte fotosynthese? Reageert ze ook zo op een verschuiving in de stralingsbalans van de aarde door die extra CO2? Waar men nu al onzeker is over effecten van een verdubbeling van de hoeveelheid koolzuurgas, kan misschien beter gezwegen worden over effecten van een vertienvoudiging of meer. Maar ik denk dat de biosfeer, die de aarde uitzonderlijk maakt, een zo grote verstoring tegen zal gaan.


Free web hostingWeb hosting