Круговорот кислорода в биосфере

Своей уникальной атмосферой с высоким содержанием свободного кислорода Земля обязана процессу фотосинтеза. С круговоротом кислорода тесно связано образование озона в высоких слоях атмосферы. Кислород освобождается из молекул воды и является по сути побочным продуктом фотосинтетической активности растений. Абиотическим путем кислород возникает в верхних слоях атмосферы за счет фотодиссоциации паров воды, но этот источник составляет лишь тысячные доли процента от поставляемых фотосинтезом. Между содержанием кислорода в атмосфере и гидросфере существует подвижное равновесие. В воде его примерно в 21 раз меньше.

Рис. 6. Схема круговорота кислорода: полужирные стрелки — основные потоки поступления и расхода кислорода

Выделившийся кислород интенсивно расходуется на процессы дыхания всех аэробных организмов и на окисление разнообразных минеральных соединений. Эти процессы происходят в атмосфере, почве, воде, илах и горных породах. Показано, что значительная часть кислорода, связанного в осадочных породах, имеет фотосинтетическое происхождение. Обменный фонд О, в атмосфере составляет не более 5% общей продукции фотосинтеза. Многие анаэробные бактерии также окисляют органические вещества в процессе анаэробного дыхания, используя для этого сульфаты или нитраты.

На полное разложение органического вещества, создаваемого растениями, требуется точно такое же количество кислорода, которое выделилось при фотосинтезе. Захоронение органики в осадочных породах, углях, торфах послужило основой поддержания обменного фонда кислорода в атмосфере. Весь имеющийся в ней кислород проходит полный цикл через живые организмы примерно за 2000 лет.

В настоящее время значительная часть кислорода атмосферы связывается в результате работы транспорта, промышленности и других форм антропогенной деятельности. Известно, что человечество тратит уже более 10 млрд т свободного кислорода из общего его количества в 430-470 млрд т, поставляемого процессами фотосинтеза. Если учесть, что в обменный фонд поступает лишь небольшая часть фотосинтетического кислорода, деятельность людей в этом отношении начинает приобретать угрожающие масштабы.

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. Главная движущая сила кислородного цикла — это фотосинтез, который отвечает за современной атмосферы Земли и жизни на земле

Суммарное уравнение фотосинтеза может быть представлено следующим образом:

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, который производит сахар и свободный кислород из углекислого газа и воды. 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 служит реакция 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.

Две важнейших реакции фотодиссоциации в тропосфере
Первая:
O3 + hν → O2 + O(1D) λ < 320 nm
в ходе которой генерируется возбужденный атомарный кислород, который при дальнейшей реакции с водой даёт радикал гидроксила:
O(1D) + H2O → 2OH
Гидроксил-радикал является ключевым в химии атмосферы, как инициатор окисления углеводородов в атмосфере, а также действующий как моющее средство.
Вторая:
NO2 + hν → NO + O
-ключевая реакция при образовании тропосферного озона.

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):

 4FeO +O₂→ 2Fe₂O₃

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 минеральных веществ из пород и превращают кислород в воду, из которой он может высвобождаться в результате фотосинтеза.

Круговорот кислорода теснейшим образом сопряжен с углеродным циклом.