Круговорот кислорода

Геохимический цикл кислорода

Круговорот кислорода — биогеохимический цикл, в ходе которого происходит перенос кислорода между тремя основными резервуарами: атмосферой (воздух), органическим веществом биосферы (глобальная сумма всех экосистем), и земной корой. Сбой в круговороте кислорода в гидросфере может привести к развитию гипоксических зон, т.е. зон пониженного содержания кислорода. Главная движущая сила кислородного цикла — это фотосинтез, который отвечает за состав современной атмосферы Земли и жизни на земле (см. Кислородная катастрофа).

Резервуары

Крупнейший резервуар кислорода на Земле — это силикаты и оксиды в коре и мантии (99.5 %). Лишь небольшая часть кислорода находится в виде свободного кислорода в атмосфере (0.36 %) и связанного в виде органики в биосфере (0.01 %). Основным источником атмосферного кислорода является фотосинтез, в процессе которого организмы производят сахара и свободный кислород из углекислого газа и воды:

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

К фотосинтезирующим организмам относятся наземные растения, а также фитопланктон океанов. Более половины фотосинтезирующих организмов открытого океана составляют крошечные морские цианобактерии из рода Prochlorococcus, обнаруженные в 1986.

Дополнительным источником свободного кислорода служат реакции фотолиза. В верхних слоях атмосферы под действием высокоэнергетического ультрафиолетового излучения атмосферная вода и оксид азота I распадаются на составляющие атомы. Свободные атомы N и Н утекают в космос, оставляя более тяжёлый О₂ в атмосфере:

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

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

Кислород атмосферы расходуется главным образом в результате дыхания и разложения, процессов, в ходе которых животные и бактерии потребляют кислород и выделяют углекислый газ.

Литосфера также может потреблять свободный кислород в результате химической эрозии и поверхностных реакций. Примером такого процесса является формирование оксидов железа (ржавчины):

$\mathrm {4\ FeO+3\ O_{2}\longrightarrow 2\ Fe_{2}O_{3}}$

Кислород также циркулирует между биосферой и литосферой. Морские организмы биосферы создают карбонат кальция (СаСО₃), материал их внешней оболочки, богатой кислородом. Когда организм умирает, его оболочка оседает на морском дне и, захораниваясь там, со временем превращается в известняк — осадочную породу литосферы. Процессы выветривания и эрозии, инициированные организмами могут высвобождать кислород из литосферы.

Растения и бактерии извлекают минеральные вещества из пород и превращают кислород в воду, из которой он может высвобождаться в результате фотосинтеза.

Ёмкость резервуаров и потоки вещества

В нижележащих таблицах содержатся оценки ёмкости резервуаров кислородного цикла и потоков вещества в нём. Эти цифры основаны в первую очередь на оценке (Уолкер, Дж. К. Г.):

Таблица 1: Основные резервуары кислородного цикла

Резервуар	Ёмкость (кг O2)	Поток в/из (кг O2 в год)	Время пребывания (годы)
Атмосфера	1,4⋅1018	3⋅1014	4500
Биосфера	1,6⋅1016	3⋅1014	50
Литосфера	2,9⋅1020	6⋅1011	500 000 000

Таблица 2: Годовой прирост и потери атмосферного кислорода (Единицы: 10¹⁰ кг О₂ в год)

Фотосинтез (земля) Фотосинтез (океан) Фотолиз N2О Фотолиз Н2О	16,500 13,500 1.3 0.03
Общий прирост	~ 30,000
Потери — дыхание и гниение
Аэробное дыхание Микробное окисление Сжигание ископаемого топлива (антропогенное) Фотохимическое окисление Фиксация N2 молниями Фиксация с N2 при производстве удобрений Окисление вулканических газов	23,000 5,100 1,200 600 12 10 5
Потери — выветривание
Химическое выветривание Поверхностная реакция О3	50 12
Общие потери	~ 30,000

Озон

Появление атмосферного кислорода привело к образованию озона (О₃) и озонового слоя в стратосфере:

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

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

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

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

Литература

• Cloud, P. and Gibor, A. 1970, The oxygen cycle, Scientific American, September, S. 110—123
• Fasullo, J., Substitute Lectures for ATOC 3600: Principles of Climate, Lectures on the global oxygen cycle, http://paos.colorado.edu/~fasullo/pjw_class/oxygencycle.html
• Morris, R.M., OXYSPHERE — A Beginners' Guide to the Biogeochemical Cycling of Atmospheric Oxygen, https://web.archive.org/web/20041103093231/http://seis.natsci.csulb.edu/rmorris/oxy/Oxy.htm