Кислородный цикл

Кислородный круговорот относится к движению кислорода через атмосферу (воздух), биосферу (растения и животные) и литосферу (земную кору). Кислородный цикл демонстрирует, как свободный кислород становится доступным в каждом из этих регионов, а также как он используется. Кислородный цикл — это биогеохимический цикл атомов кислорода , между различными степенями окисления в ионах окислительно - оксидах и молекулах посредством восстановительных реакций внутри и между сферами/резервуарами планеты Земля. ^[1] Слово «кислород» в литературе обычно относится к наиболее распространенному аллотропу кислорода , элементарному/двуатомному кислороду (O ₂ ), поскольку он является обычным продуктом или реагентом многих биогеохимических окислительно-восстановительных реакций в цикле. ^[2] Процессы в кислородном цикле считаются биологическими или геологическими и оцениваются либо как источник (производство O ₂ ), либо как сток (потребление O ₂ ). ^[1]^[2]

Кислород является одним из наиболее распространенных элементов на Земле и составляет большую часть каждого основного резервуара. Безусловно, самый большой резервуар земного кислорода находится в мантии ( 99,5 % по весу силикатных и оксидных минералах коры и ) . ^[6] и биосфера Земли Атмосфера, гидросфера вместе содержат менее 0,05% общей массы кислорода Земли. Помимо O ₂ , дополнительные атомы кислорода присутствуют в различных формах и распространены по поверхностным резервуарам в молекулах биомассы , H ₂ O , CO ₂ , HNO ₃ , NO , NO ₂ , CO , H ₂ O ₂ , O ₃ , SO _{2 .} , H ₂ SO ₄ , MgO , CaO , Al2O3 , SiO ₂ и PO ₄ . ^[7]

Атмосфера

Атмосфера состоит из 21% кислорода по объему, что в общей сложности соответствует примерно 34 × 10 ¹⁸ моль кислорода. ^[2] Другие кислородсодержащие молекулы в атмосфере включают озон (O ₃ ), углекислый газ (CO ₂ ), водяной пар (H ₂ O), а также оксиды серы и азота ( SO ₂ , NO , N ₂ O и др.).

Биосфера

Биосфера состоит из 22% кислорода по объему, присутствующего в основном в виде компонента органических молекул (C _x H _x N _x O _x ) и воды.

Гидросфера

Гидросфера . состоит из 33% кислорода по объему ^[8] присутствуют главным образом в составе молекул воды, а растворенные молекулы включают свободный кислород и карболовые кислоты (H _x CO ₃ ).

Литосфера

Литосфера кремнеземных содержит 46,6% кислорода по объему, представленного главным образом в виде минералов (SiO ₂ ) и других оксидных минералов.

Источники и поглотители

Хотя существует множество абиотических источников и поглотителей O ₂ , наличие обильной концентрации свободного кислорода в современной Земли атмосфере и океане объясняется производством O ₂ в результате биологического процесса оксигенного фотосинтеза в сочетании с биологическим поглотителем, известным как биологический . насос и геологический процесс захоронения углерода , включающий тектонику плит . ^[9]^[10]^[11]^[7] Биология является основной движущей силой _{O 2} потока на современной Земле, а эволюция кислородного фотосинтеза бактериями , которая обсуждается как часть Великого оксигенационного события , считается прямой ответственной за условия, позволяющие развитие и существование всех сложных эукариот метаболизм . ^[12]^[13]^[14]

Биологическое производство

Основным источником свободного кислорода атмосферы является фотосинтез, при котором из углекислого газа и воды образуются сахара и свободный кислород:

\mathrm {6\ CO_{2}+6H_{2}O+energy\longrightarrow C_{6}H_{12}O_{6}+6\ O_{2}}

К фотосинтезирующим организмам относятся растительный мир суши, а также фитопланктон океанов. Крошечная морская цианобактерия Prochromococcus была открыта в 1986 году и обеспечивает до половины фотосинтеза открытого океана. ^[15]^[16]

Абиотическое производство

Дополнительным источником свободного кислорода в атмосфере является фотолиз , при котором высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение расщепляет атмосферную воду и закись азота на составляющие атомы. Свободные атомы водорода и азота улетают в космос, оставляя _{О 2} в атмосфере :

\mathrm {2\ H_{2}O+energy\longrightarrow 4\ H+O_{2}}

\mathrm {2\ N_{2}O+energy\longrightarrow 4\ N+O_{2}}

Биологическое потребление

Основной способ потери свободного кислорода из атмосферы — это дыхание и распад — механизмы, при которых животные и бактерии потребляют кислород и выделяют углекислый газ.

Емкости и потоки

В следующих таблицах представлены оценки емкости и потоков резервуаров кислородного цикла. Эти цифры основаны главным образом на оценках (Уокер, JCG): ^[10] Более поздние исследования показывают, что жизнь океана ( первичное производство морского кислорода ) на самом деле отвечает за более половины общего производства кислорода на Земле. ^[17]^[18]

водохранилище	Емкость (кг _О2 )	Входной/выходной поток (кг O ₂ в год)	Время проживания (годы)
Атмосфера	1.4 × 10 ¹⁸	3 × 10 ¹⁴	4500
Биосфера	1.6 × 10 ¹⁶	3 × 10 ¹⁴	50
Литосфера	2.9 × 10 ²⁰	6 × 10 ¹¹	500 000 000

Таблица 2 : Годовой прирост и потеря атмосферного кислорода (единицы 10 ¹⁰ кг O ₂ в год) ^[1]

Фотосинтез (земля)	16,500
Фотосинтез (океан)	13,500
Фотолиз N ₂ O	1.3
Фотолиз H ₂ O	0.03
Общий выигрыш	~30,000
Потери - дыхание и гниение
Аэробное дыхание	23,000
Микробное окисление	5,100
Сжигание ископаемого топлива (антропогенное)	1,200
Фотохимическое окисление	600
Фиксация N ₂ молнией	12
Фиксация N ₂ промышленностью (антропогенная)	10
Окисление вулканических газов	5
Потери - выветривание
Химическое выветривание	50
Поверхностная реакция О ₃	12
Общие потери	~30,000

Озон

Присутствие атмосферного кислорода привело к образованию озона (О ₃ ) и озонового слоя внутри стратосферы :

\mathrm {O_{2}+uv~light\longrightarrow 2~O} \qquad (\lambda \lesssim 200~{\text{nm}})

\mathrm {O+O_{2}\longrightarrow O_{3}}

О + О ₂ :- О ₃

Озоновый слой чрезвычайно важен для современной жизни, поскольку он поглощает вредное ультрафиолетовое излучение:

\mathrm {O_{3}+uv~light\longrightarrow O_{2}+O} \qquad (\lambda \lesssim 300~{\text{nm}})

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Нолл А.Х., Кэнфилд Д.Э., Конхаузер К. (2012). «7». Основы геобиологии . Чичестер, Западный Суссекс: John Wiley & Sons. стр. 93–104. ISBN 978-1-118-28087-4 . OCLC 793103985 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Петч СТ (2014). «Глобальный кислородный цикл». Трактат по геохимии . Эльзевир. стр. 437–473. дои : 10.1016/b978-0-08-095975-7.00811-1 . ISBN 978-0-08-098300-4 .
^ Килинг Р.Ф., Шерц С.Р. (август 1992 г.). «Сезонные и межгодовые изменения содержания кислорода в атмосфере и последствия для глобального углеродного цикла». Природа . 358 (6389): 723–727. Бибкод : 1992Natur.358..723K . дои : 10.1038/358723a0 . S2CID 4311084 .
^ Голландия HD (2002). «Вулканические газы, черные курильщики и великое событие окисления». Geochimica et Cosmochimica Acta . 66 (21): 3811–3826. Бибкод : 2002GeCoA..66.3811H . дои : 10.1016/S0016-7037(02)00950-X .
^ Ласага AC, Омото Х (2002). «Кислородный геохимический цикл: динамика и стабильность». Geochimica et Cosmochimica Acta . 66 (3): 361–381. Бибкод : 2002GeCoA..66..361L . дои : 10.1016/S0016-7037(01)00685-8 .
^ Фальковский П.Г., Годфри Л.В. (август 2008 г.). «Электроны, жизнь и эволюция кислородного цикла Земли» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 363 (1504): 2705–16. дои : 10.1098/rstb.2008.0054 . ПМК 2606772 . ПМИД 18487127 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Фальковский П.Г. (январь 2011 г.). «Биологические и геологические причины появления кислорода на Земле» . Исследования фотосинтеза . 107 (1): 7–10. Бибкод : 2011PhoRe.107....7F . дои : 10.1007/s11120-010-9602-4 . ПМИД 21190137 .
^ «Гидросфера - Происхождение и эволюция гидросферы | Британника» . www.britanica.com . Проверено 03 июля 2022 г.
^ Голландия HD (июнь 2006 г.). «Окисление атмосферы и океанов» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 361 (1470): 903–15. дои : 10.1098/rstb.2006.1838 . ПМЦ 1578726 . ПМИД 16754606 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Уокер Дж. К. (1980). «Кислородный цикл». Природная среда и биогеохимические циклы . Справочник по химии окружающей среды. Шпрингер Берлин Гейдельберг. стр. 87–104. дои : 10.1007/978-3-662-24940-6_5 . ISBN 9783662229880 .
^ Сигман Д.М., Хауг Г.Х. (декабрь 2003 г.). «Биологический насос в прошлом». Трактат по геохимии . Том. 6 (2-е изд.). п. 625. дои : 10.1016/b978-0-08-095975-7.00618-5 . ISBN 978-0-08-098300-4 .
^ Фишер В.В., Хэмп Дж., Джонсон Дж.Э. (июнь 2016 г.). «Эволюция оксигенного фотосинтеза» . Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 44 (1): 647–83. Бибкод : 2016AREPS..44..647F . doi : 10.1146/annurev-earth-060313-054810 .
^ Лайонс Т.В., Рейнхард К.Т., Планавски, Нью-Джерси (февраль 2014 г.). «Повышение содержания кислорода в раннем океане и атмосфере Земли». Природа . 506 (7488): 307–15. Бибкод : 2014Natur.506..307L . дои : 10.1038/nature13068 . ПМИД 24553238 . S2CID 4443958 .
^ Рейнхард Коннектикут, Планавски, Нью-Джерси, Олсон С.Л., Лайонс Т.В., Эрвин Д.Х. (август 2016 г.). «Кислородный цикл Земли и эволюция животного мира» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (32): 8933–8. Бибкод : 2016PNAS..113.8933R . дои : 10.1073/pnas.1521544113 . ПМЦ 4987840 . ПМИД 27457943 .
^ Надис С. (ноябрь 2003 г.). «Клетки, управляющие морями». Научный американец . 289 (6): 52–53. Бибкод : 2003SciAm.289f..52N . doi : 10.1038/scientificamerican1203-52 . ПМИД 14631732 .
^ Моррис Дж.Дж., Джонсон З.И., Сул М.Дж., Келлер М., Зинсер Э.Р. (2011). «Зависимость цианобактерии прохлорококка от микробов, поглощающих перекись водорода, для роста на поверхности океана» . ПЛОС ОДИН . 6 (2): e16805. Бибкод : 2011PLoSO...616805M . дои : 10.1371/journal.pone.0016805 . ПМК 3033426 . ПМИД 21304826 .
^ Роуч, Джон (7 июня 2004 г.). «Источник кислорода на половине Земли получает мало внимания» . Национальные географические новости . Архивировано из оригинала 8 июня 2004 года . Проверено 4 апреля 2016 г.
^ Лин, И.; Лю, В. Тимоти; Ву, Чун-Чье; Вонг, Джордж Т.Ф.; Ху, Чуанмин; Чен, Чжицян; Вэнь-Дер, Лян; Ян, Йи; Лю, Кон-Ки (2003). «Новые доказательства увеличения первичной продукции океана, вызванной тропическим циклоном» . Письма о геофизических исследованиях . 30 (13): 1718. Бибкод : 2003GeoRL..30.1718L . дои : 10.1029/2003GL017141 . S2CID 10267488 .

Дальнейшее чтение

Клауд П., Гибор А. (сентябрь 1970 г.). «Кислородный цикл». Научный американец . 223 (3): 110–123. Бибкод : 1970SciAm.223c.110C . doi : 10.1038/scientificamerican0970-110 . ПМИД 5459721 .
Фасулло Дж. «Лекции-заменители ATOC 3600» . Принципы климата, Лекции о глобальном кислородном цикле .
Моррис Р.М. «ОКСИСФЕРА - Руководство для начинающих по биогеохимическому круговороту атмосферного кислорода» . Архивировано из оригинала 3 ноября 2004 г.

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Нолл А.Х., Кэнфилд Д.Э., Конхаузер К. (2012). «7». Основы геобиологии . Чичестер, Западный Суссекс: John Wiley & Sons. стр. 93–104. ISBN 978-1-118-28087-4 . OCLC 793103985 .

[:1-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Петч СТ (2014). «Глобальный кислородный цикл». Трактат по геохимии . Эльзевир. стр. 437–473. дои : 10.1016/b978-0-08-095975-7.00811-1 . ISBN 978-0-08-098300-4 .

[:4-3] Килинг Р.Ф., Шерц С.Р. (август 1992 г.). «Сезонные и межгодовые изменения содержания кислорода в атмосфере и последствия для глобального углеродного цикла». Природа . 358 (6389): 723–727. Бибкод : 1992Natur.358..723K . дои : 10.1038/358723a0 . S2CID 4311084 .

[4] Голландия HD (2002). «Вулканические газы, черные курильщики и великое событие окисления». Geochimica et Cosmochimica Acta . 66 (21): 3811–3826. Бибкод : 2002GeCoA..66.3811H . дои : 10.1016/S0016-7037(02)00950-X .

[5] Ласага AC, Омото Х (2002). «Кислородный геохимический цикл: динамика и стабильность». Geochimica et Cosmochimica Acta . 66 (3): 361–381. Бибкод : 2002GeCoA..66..361L . дои : 10.1016/S0016-7037(01)00685-8 .

[6] Фальковский П.Г., Годфри Л.В. (август 2008 г.). «Электроны, жизнь и эволюция кислородного цикла Земли» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 363 (1504): 2705–16. дои : 10.1098/rstb.2008.0054 . ПМК 2606772 . ПМИД 18487127 .

[:2-7] Перейти обратно: ^а ^б Фальковский П.Г. (январь 2011 г.). «Биологические и геологические причины появления кислорода на Земле» . Исследования фотосинтеза . 107 (1): 7–10. Бибкод : 2011PhoRe.107....7F . дои : 10.1007/s11120-010-9602-4 . ПМИД 21190137 .

[8] «Гидросфера - Происхождение и эволюция гидросферы | Британника» . www.britanica.com . Проверено 03 июля 2022 г.

[9] Голландия HD (июнь 2006 г.). «Окисление атмосферы и океанов» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 361 (1470): 903–15. дои : 10.1098/rstb.2006.1838 . ПМЦ 1578726 . ПМИД 16754606 .

[:3-10] Перейти обратно: ^а ^б Уокер Дж. К. (1980). «Кислородный цикл». Природная среда и биогеохимические циклы . Справочник по химии окружающей среды. Шпрингер Берлин Гейдельберг. стр. 87–104. дои : 10.1007/978-3-662-24940-6_5 . ISBN 9783662229880 .

[11] Сигман Д.М., Хауг Г.Х. (декабрь 2003 г.). «Биологический насос в прошлом». Трактат по геохимии . Том. 6 (2-е изд.). п. 625. дои : 10.1016/b978-0-08-095975-7.00618-5 . ISBN 978-0-08-098300-4 .

[12] Фишер В.В., Хэмп Дж., Джонсон Дж.Э. (июнь 2016 г.). «Эволюция оксигенного фотосинтеза» . Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 44 (1): 647–83. Бибкод : 2016AREPS..44..647F . doi : 10.1146/annurev-earth-060313-054810 .

[13] Лайонс Т.В., Рейнхард К.Т., Планавски, Нью-Джерси (февраль 2014 г.). «Повышение содержания кислорода в раннем океане и атмосфере Земли». Природа . 506 (7488): 307–15. Бибкод : 2014Natur.506..307L . дои : 10.1038/nature13068 . ПМИД 24553238 . S2CID 4443958 .

[14] Рейнхард Коннектикут, Планавски, Нью-Джерси, Олсон С.Л., Лайонс Т.В., Эрвин Д.Х. (август 2016 г.). «Кислородный цикл Земли и эволюция животного мира» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (32): 8933–8. Бибкод : 2016PNAS..113.8933R . дои : 10.1073/pnas.1521544113 . ПМЦ 4987840 . ПМИД 27457943 .

[15] Надис С. (ноябрь 2003 г.). «Клетки, управляющие морями». Научный американец . 289 (6): 52–53. Бибкод : 2003SciAm.289f..52N . doi : 10.1038/scientificamerican1203-52 . ПМИД 14631732 .

[16] Моррис Дж.Дж., Джонсон З.И., Сул М.Дж., Келлер М., Зинсер Э.Р. (2011). «Зависимость цианобактерии прохлорококка от микробов, поглощающих перекись водорода, для роста на поверхности океана» . ПЛОС ОДИН . 6 (2): e16805. Бибкод : 2011PLoSO...616805M . дои : 10.1371/journal.pone.0016805 . ПМК 3033426 . ПМИД 21304826 .

[NalGeo-17] Роуч, Джон (7 июня 2004 г.). «Источник кислорода на половине Земли получает мало внимания» . Национальные географические новости . Архивировано из оригинала 8 июня 2004 года . Проверено 4 апреля 2016 г.

[18] Лин, И.; Лю, В. Тимоти; Ву, Чун-Чье; Вонг, Джордж Т.Ф.; Ху, Чуанмин; Чен, Чжицян; Вэнь-Дер, Лян; Ян, Йи; Лю, Кон-Ки (2003). «Новые доказательства увеличения первичной продукции океана, вызванной тропическим циклоном» . Письма о геофизических исследованиях . 30 (13): 1718. Бибкод : 2003GeoRL..30.1718L . дои : 10.1029/2003GL017141 . S2CID 10267488 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

v т и Биогеохимические циклы
Циклы	Углеродный цикл карбонатно-силикатный цикл глубокий углеродный цикл океанический углеродный цикл Хлорный цикл Водородный цикл Железный цикл Цикл Меркурия Минеральный цикл Азотный цикл Питательный цикл Кислородный цикл озон Фосфорный цикл Рок-цикл Селеновый цикл Кремнеземный цикл Цикл серы Водный цикл глубоководный цикл Морские биогеохимические циклы
Исследовательские группы	DAAC ГЕОТРЕСЫ ДОЖДЬ НОБМ СВЕТ
Связанные темы	Биогеохимия геохимический цикл химический цикл химия окружающей среды Биосеквестрация секвестрация углерода поглотитель углерода почвенный углерод биологический насос вирусный шунт микоризные грибы Закисление океана кислотный дождь Клатрат метана Гипотеза клатратной пушки Выбросы метана в Арктике Влияние человека на круговорот азота Лишайники и круговорот азота Нитрификация Фиксация азота Ассимиляция азота Ассимиляция фосфора Ассимиляция серы Планетарные границы
Категория