Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Основные резервуары и потоки (в единицах 10 12 моль / год) современного глобального цикла O 2 на Земле. Есть четыре основных резервуара: земная биосфера (зеленый), морская биосфера (синий), литосфера (коричневый) и атмосфера (серый). Основные потоки между этими резервуарами показаны цветными стрелками, где зеленые стрелки относятся к земной биосфере, синие стрелки относятся к морской биосфере, черные стрелки относятся к литосфере, фиолетовая стрелка относится к космосу (а не к резервуару). , но также способствует атмосферному O 2 ). [1] Ценность фотосинтеза или чистой первичной продуктивности.(NPP) можно оценить по изменению содержания и изотопного состава атмосферного O 2 . [2] [3] Скорость захоронения органического углерода была получена на основе расчетных потоков вулканического и гидротермального углерода. [4] [5]

Цикл кислорода является биогеохимическими переходами из кислородных атомов между различными состояниями окисления в ионах , оксидах и молекулах через окислительно - восстановительные реакции внутри и между сферами / водохранилищами планеты Землей. [1] Слово кислород в литературе обычно относится к наиболее распространенному аллотропу кислорода , элементарному / двухатомному кислороду (O 2 ), поскольку он является обычным продуктом или реагентом многих биогеохимических окислительно-восстановительных реакций в пределах цикла. [2]Процессы в кислородном цикле считаются биологическими или геологическими и оцениваются либо как источник ( производство O 2 ), либо как поглотитель ( потребление O 2 ). [1] [2]

Водохранилища [ править ]

Кислород - один из самых распространенных элементов на Земле, который составляет значительную часть каждого основного резервуара. До сих пор самый большой резервуар кислорода Земли находится в силикатных и оксидных минералов в коре и мантии (99,5% по массе). [6] Атмосфера, гидросфера и биосфера Земли вместе содержат менее 0,05% общей массы кислорода Земли. Помимо O 2 , дополнительные атомы кислорода присутствуют в различных формах, разбросанных 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 , AlO , SiO 2 и PO 4 . [7]

Атмосфера [ править ]

Атмосфера 20,9% кислорода по объему, что соответствует в общей сложности примерно 34 × 10 18 моль кислорода. [2] Другие кислородсодержащие молекулы в атмосфере включают озон (O 3 ), диоксид углерода (CO 2 ), водяной пар (H 2 O), а также оксиды серы и азота (SO 2 , NO, N 2 O и т. Д.). ).

Биосфера [ править ]

Биосферы составляет 22% кислорода по объему , главным образом , настоящее в качестве компонента органических молекул (С х Н х Н х О х ) и молекул воды.

Гидросфера [ править ]

Гидросферы составляют 33% кислород по объему [ править ] присутствуют в основном как компонент молекул воды с растворенными молекулами , включая свободный кислород и карбоновые кислоты (Н х СО 3 ).

Литосфера [ править ]

Литосфера 46,6% кислорода по объему , главным образом , настоящее как диоксид кремния минералов (SiO 2 ) и других оксидов минералов.

Источники и стоки [ править ]

Хотя существует много абиотических источников и поглотителей для O 2 , наличие концентрации обильной свободного кислорода в современной атмосфере Земли и океане приписываются O 2 производства из биологического процесса в кислородном фотосинтезе в сочетании с биологической раковиной , известной как биологические насос и геологический процесс захоронения углерода с участием тектоники плит . [8] [9] [10] [7] Биология - главный двигатель потока O 2 на современной Земле, и эволюциякислородного фотосинтеза бактериями , который обсуждается как часть Великого события оксигенации , считается, непосредственно ответственным за условия, позволяющие развитие и существование всего сложного метаболизма эукариот . [11] [12] [13]

Биологическое производство [ править ]

Основным источником атмосферного свободного кислорода является фотосинтез, который производит сахар и свободный кислород из углекислого газа и воды:

К фотосинтезирующим организмам относятся растения суши, а также фитопланктон океанов. Крошечная морская цианобактерия Prochlorococcus была обнаружена в 1986 году и составляет до половины фотосинтеза в открытом океане. [14] [15]

Производство абиотиков [ править ]

Дополнительным источником свободного кислорода в атмосфере является фотолиз , при котором высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение расщепляет атмосферную воду и закись азота на составляющие атомы. Свободные атомы H и N [ уточняют ] убегают в космос, оставляя O 2 в атмосфере:

Биологическое потребление [ править ]

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

Емкости и потоки [ править ]

В следующих таблицах представлены оценки емкости резервуаров кислородного цикла и потоков. Эти числа основаны в основном на оценках (Walker, JCG): [9]

РезервуарВместимость
(кг O 2 )		Поток на входе / выходе
(кг O 2 в год)		Время проживания
(лет)
Атмосфера1,4 × 10 183 × 10 144500
Биосфера1,6 × 10 163 × 10 1450
Литосфера2,9 × 10 206 × 10 11500 000 000


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

Фотосинтез (суша)
Фотосинтез (океан)
Фотолиз N 2 O
Фотолиз H 2 O		16
500 13 500
1,3
0,03
Общая прибыль~ 30 000
Потери - дыхание и распад
Аэробное дыхание
Микробное окисление
Сжигание ископаемого топлива (антропогенное)
Фотохимическое окисление
Фиксация N 2 молнией
Фиксация N 2 промышленностью (антропогенная)
Окисление вулканических газов		23 000
5 100
1 200
600
12
10
5
Потери - выветривание
Химическое выветривание
Поверхностная реакция O 3		50
12
Общие потери~ 30 000

Озон [ править ]

Основная статья: Озоново-кислородный цикл

Присутствие атмосферного кислорода привело к образованию озона (O 3 ) и озонового слоя в стратосфере :

О + О 2  : - О 3

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

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Knoll AH, Canfield DE, Konhauser K (2012). «7». Основы геобиологии . Чичестер, Западный Сассекс: John Wiley & Sons. С. 93–104. ISBN 978-1-118-28087-4. OCLC  793103985 .
  2. ^ а б в г Petsch ST (2014). «Глобальный кислородный цикл». Трактат по геохимии . Эльзевир. С. 437–473. DOI : 10.1016 / b978-0-08-095975-7.00811-1 . ISBN 978-0-08-098300-4.
  3. ^ Килинг РФ, Shertz SR (август 1992). «Сезонные и межгодовые колебания атмосферного кислорода и последствия для глобального углеродного цикла». Природа . 358 (6389): 723–727. Bibcode : 1992Natur.358..723K . DOI : 10.1038 / 358723a0 .
  4. Перейти ↑ Holland HD (2002). «Вулканические газы, черные курильщики и великое событие окисления». Geochimica et Cosmochimica Acta . 66 (21): 3811–3826. Bibcode : 2002GeCoA..66.3811H . DOI : 10.1016 / S0016-7037 (02) 00950-X .
  5. ^ Lasaga AC, Ohmoto H (2002). «Кислородный геохимический цикл: динамика и стабильность». Geochimica et Cosmochimica Acta . 66 (3): 361–381. Bibcode : 2002GeCoA..66..361L . DOI : 10.1016 / S0016-7037 (01) 00685-8 .
  6. ^ Falkowski PG, Годфри LV (август 2008). «Электроны, жизнь и эволюция кислородного цикла Земли» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки . 363 (1504): 2705–16. DOI : 10.1098 / rstb.2008.0054 . PMC 2606772 . PMID 18487127 .  
  7. ^ a b Фальковский П.Г. (январь 2011 г.). «Биологические и геологические непредвиденные обстоятельства для подъема кислорода на Земле» . Фотосинтез Исследования . 107 (1): 7–10. DOI : 10.1007 / s11120-010-9602-4 . PMID 21190137 . 
  8. ^ Голландия HD (июнь 2006 г.). «Оксигенация атмосферы и океанов» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки . 361 (1470): 903–15. DOI : 10.1098 / rstb.2006.1838 . PMC 1578726 . PMID 16754606 .  
  9. ^ a b Уокер JC (1980). «Кислородный цикл». Природная среда и биогеохимические циклы . Справочник по химии окружающей среды. Springer Berlin Heidelberg. С. 87–104. DOI : 10.1007 / 978-3-662-24940-6_5 . ISBN 9783662229880.
  10. ^ Sigman DM, Хауг GH (декабрь 2003). «Биологический насос в прошлом». Трактат по геохимии . 6 (2-е изд.). п. 625. DOI : 10.1016 / b978-0-08-095975-7.00618-5 . ISBN 978-0-08-098300-4.
  11. ^ Фишер WW, пенька J, Джонсон JE (июнь 2016). «Эволюция кислородного фотосинтеза». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 44 (1): 647–83. Bibcode : 2016AREPS..44..647F . DOI : 10.1146 / annurev-earth-060313-054810 .
  12. ^ Lyons TW, Reinhard CT, Planavsky NJ (февраль 2014). «Подъем кислорода в раннем океане и атмосфере Земли». Природа . 506 (7488): 307–15. Bibcode : 2014Natur.506..307L . DOI : 10,1038 / природа13068 . PMID 24553238 . 
  13. ^ Reinhard CT, Planavsky NJ, Olson SL, Lyons TW, Эрвин DH (август 2016). «Кислородный цикл Земли и эволюция животного мира» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (32): 8933–8. Bibcode : 2016PNAS..113.8933R . DOI : 10.1073 / pnas.1521544113 . PMC 4987840 . PMID 27457943 .  
  14. ^ Nadis S (ноябрь 2003). «Клетки, правящие морями». Scientific American . 289 (6): 52–53. Bibcode : 2003SciAm.289f..52N . DOI : 10.1038 / Scientificamerican1203-52 . PMID 14631732 . 
  15. ^ Моррис Дж, Джонсон З. И., Szul МДж, Келлер М, Синсер ЭР. (2011). «Зависимость Cyanobacterium Prochlorococcus от микробов, поглощающих перекись водорода, для роста на поверхности океана» . PLoS One . 6 (2): e16805. DOI : 10.1371 / journal.pone.0016805 . PMC 3033426 . PMID 21304826 .  CS1 maint: uses authors parameter (link)

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Клауд П., Гибор А. (сентябрь 1970 г.). «Кислородный цикл». Scientific American . 223 (3): 110–123. Bibcode : 1970SciAm.223c.110C . DOI : 10.1038 / Scientificamerican0970-110 .
  • Фасулло Дж. "Замещающие лекции для ATOC 3600" . Принципы климата, Лекции о глобальном кислородном цикле .
  • Моррис Р.М. «ОКСИФЕРА - Руководство для новичков по биогеохимическому циклу атмосферного кислорода» . Архивировано из оригинала на 2004-11-03.