Кислородный цикл - Oxygen cycle

Основные резервуары и потоки (в блоке 1012 моль / год) современного глобального O2 цикл 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 (не резервуару). , но также вносит вклад в атмосферный O2).[1] Значение фотосинтеза или чистая первичная продуктивность (NPP) можно оценить по изменению содержания и изотопного состава атмосферного O2.[2][3] Скорость захоронения органического углерода была получена из расчетных потоков вулканического и гидротермального углерода.[4][5]

В кислородный цикл это биогеохимические переходы из кислород атомы между разными состояния окисления в ионы, оксиды, и молекулы через окислительно-восстановительные реакции внутри и между сферы / резервуары планеты Земля.[1] Слово кислород в литературе обычно относится к наиболее распространенным кислородный аллотроп, элементарный / двухатомный кислород (O2), поскольку это обычная товар или реагент многих биогеохимических окислительно-восстановительных реакций в цикле.[2] Процессы в кислородном цикле считаются биологический или геологический и оцениваются как источник (O2 производство) или раковина (O2 потребление).[1][2]

Водохранилища

Кислород является одним из самых распространенных элементов на Земле и составляет большую часть каждого основного резервуара. Безусловно, самый большой резервуар кислорода Земли находится в пределах силикат и окись минералы из корка и мантия (99,5% по весу).[6] Атмосфера, гидросфера и биосфера Земли вместе содержат менее 0,05% общей массы кислорода Земли. Кроме O2дополнительные атомы кислорода присутствуют в различных формах, разбросанных по поверхностным резервуарам в молекулах биомасса, ЧАС2О, CO2, HNO3, Нет, Нет2, CO, ЧАС2О2, О3, ТАК2, ЧАС2ТАК4, MgO, CaO, AlO, SiO2, и PO4.[7]

Атмосфера

В атмосфера составляет 20,9% кислорода по объему, что в сумме составляет примерно 34 × 1018 моль кислорода.[2] Другие кислородсодержащие молекулы в атмосфере включают озон (O3), диоксид углерода (CO2), водяной пар (H2O), оксидов серы и азота (SO2, НЕТ, N2О и т. Д.).

Биосфера

В биосфера 22% кислорода по объему, присутствующий в основном в составе органических молекул (CИксЧАСИксNИксОИкс) и молекулы воды.

Гидросфера

В гидросфера составляет 33% кислорода по объему[нужна цитата ] присутствует в основном как компонент молекул воды с растворенными молекулами, включая свободный кислород и угольные кислоты (HИксCO3).

Литосфера

В литосфера 46,6% кислорода по объему присутствует в основном в виде минералов кремнезема (SiO2) и другие оксидные минералы.

Источники и стоки

Хотя есть много абиотический источники и стоки для O2, наличие обильной концентрации свободного кислорода в современных Атмосфера Земли и океан приписывается O2 производство из биологический процесс из кислородный фотосинтез в сочетании с биологической раковиной, известной как биологический насос и геологический процесс угольное захоронение с участием тектоника плит.[8][9][10][7] Биология - главный двигатель O2 поток на современной Земле, и эволюция оксигенного фотосинтеза бактерии, который обсуждается в рамках Великое событие оксигенации, считается непосредственно ответственным за условия, позволяющие развитие и существование всех сложный эукариотический метаболизм.[11][12][13]

Биологическое производство

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

Фотосинтезирующие организмы включают растительную жизнь на суше, а также фитопланктон океанов. Крошечный морпех цианобактерии Прохлорококк был открыт в 1986 году и составляет до половины фотосинтеза открытого океана.[14][15]

Абиотическое производство

Дополнительным источником атмосферного свободного кислорода является фотолиз, благодаря чему высокоэнергетический ультрафиолетовый Радиация расщепляет атмосферную воду и закись азота на составляющие атомы. Бесплатные H и N атомов[прояснить ] сбежать в космос, оставив O2 в атмосфере:

Биологическое потребление

Основной путь потери свободного кислорода из атмосферы - через дыхание и разлагаться, механизмы, в которых животное жизнь и бактерии потребляют кислород и выделяют углекислый газ.

Емкости и потоки

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

РезервуарВместимость
(кг O2)		Поток на входе / выходе
(кг O2 в год)		Время жительства
(годы)
Атмосфера1.4×10183×10144500
Биосфера1.6×10163×101450
Литосфера2.9×10206×1011500000000


Таблица 2: Годовой прирост и потеря атмосферного кислорода (единицы 1010 кг O2 в год)[1]

Фотосинтез (земля)
Фотосинтез (океан)
Фотолиз N2О
Фотолиз H2О		16,500
13,500
1.3
0.03
Общая прибыль~ 30,000
Потери - дыхание и распад
Аэробного дыхания
Микробное окисление
Сжигание ископаемого топлива (антропогенное)
Фотохимическое окисление
Фиксация N2 молнией
Фиксация N2 по отраслям (антропогенный)
Окисление вулканических газов		23,000
5,100
1,200
600
12
10
5
Потери - выветривание
Химическое выветривание
Поверхностная реакция O3		50
12
Общие потери~ 30,000

Озон

Основная статья: Озоново-кислородный цикл

Присутствие атмосферного кислорода привело к образованию озон (O3) и озоновый слой в пределах стратосфера:

О + О2 : - O3

Озоновый слой чрезвычайно важен для современной жизни, поскольку он поглощает вредные вещества. ультрафиолетовый излучение:

Рекомендации

  1. ^ а б 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 c d Петч СТ (2014). «Глобальный кислородный цикл». Трактат по геохимии. Эльзевир. С. 437–473. Дои:10.1016 / b978-0-08-095975-7.00811-1. ISBN  978-0-08-098300-4.
  3. ^ Килинг РФ, Шерц С.Р. (август 1992 г.). «Сезонные и межгодовые колебания атмосферного кислорода и последствия для глобального углеродного цикла». Природа. 358 (6389): 723–727. Bibcode:1992Натура.358..723K. Дои:10.1038 / 358723a0.
  4. ^ Голландия HD (2002). «Вулканические газы, черные курильщики и великое событие окисления». Geochimica et Cosmochimica Acta. 66 (21): 3811–3826. Bibcode:2002GeCoA..66.3811H. Дои: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. Дои:10.1016 / S0016-7037 (01) 00685-8.
  6. ^ Фальковски П.Г., Годфри Л.В. (август 2008 г.). «Электроны, жизнь и эволюция кислородного цикла Земли». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки. 363 (1504): 2705–16. Дои:10.1098 / rstb.2008.0054. ЧВК  2606772. PMID  18487127.
  7. ^ а б Фальковский П.Г. (январь 2011 г.). «Биологические и геологические непредвиденные обстоятельства для повышения уровня кислорода на Земле». Фотосинтез Исследования. 107 (1): 7–10. Дои: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. Дои:10.1098 / rstb.2006.1838. ЧВК  1578726. PMID  16754606.
  9. ^ а б Уокер JC (1980). «Кислородный цикл». Природная среда и биогеохимические циклы. Справочник по химии окружающей среды. Springer Berlin Heidelberg. С. 87–104. Дои:10.1007/978-3-662-24940-6_5. ISBN  9783662229880.
  10. ^ Сигман Д.М., Хауг Г.Х. (декабрь 2003 г.). «Биологический насос в прошлом». Трактат по геохимии. 6 (2-е изд.). п. 625. Дои:10.1016 / b978-0-08-095975-7.00618-5. ISBN  978-0-08-098300-4.
  11. ^ Фишер В.В., Конопля Дж., Джонсон Дж. Э. (июнь 2016 г.). «Эволюция кислородного фотосинтеза». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах. 44 (1): 647–83. Bibcode:2016AREPS..44..647F. Дои:10.1146 / annurev-earth-060313-054810.
  12. ^ Lyons TW, Reinhard CT, Planavsky NJ (февраль 2014 г.). «Подъем кислорода в раннем океане и атмосфере Земли». Природа. 506 (7488): 307–15. Bibcode:2014Натура.506..307L. Дои:10.1038 / природа13068. PMID  24553238.
  13. ^ Рейнхард СТ, Планавский Н.Дж., Олсон С.Л., Лион 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. Bibcode:2016PNAS..113.8933R. Дои:10.1073 / pnas.1521544113. ЧВК  4987840. PMID  27457943.
  14. ^ Надис С (ноябрь 2003 г.). «Клетки, управляющие морями». Scientific American. 289 (6): 52–53. Bibcode:2003SciAm.289f..52N. Дои:10.1038 / scientificamerican1203-52. PMID  14631732.
  15. ^ Моррис Дж. Дж., Джонсон З. И., Сзул М. Дж., Келлер М., Зинсер Э. Р. (2011). "Зависимость цианобактерий Прохлорококк о микробах, поглощающих перекись водорода, для роста на поверхности океана ». PLoS One. 6 (2): e16805. Дои:10.1371 / journal.pone.0016805. ЧВК  3033426. PMID  21304826.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)

дальнейшее чтение