מחזור חמצן: מאפיינים, מאגרים ושלבים - סביבה - 2025

מחזור החמצן מתייחס לתנועת הדם של חמצן על פני כדור הארץ. זהו מחזור ביוגיוכימי גזי. חמצן הוא היסוד השני בשפע באטמוספירה לאחר חנקן, והשני בשפע בהידרוספרה לאחר מימן. במובן זה מחזור החמצן מחובר למחזור המים.

התנועה במחזור הדם של חמצן כוללת ייצור של דיוקסיגן או חמצן מולקולרי של שני אטומים (O ₂ ). זה מתרחש עקב הידרוליזה במהלך פוטוסינתזה שבוצעה על ידי האורגניזמים הפוטוסינתטיים השונים.

מאגר חמצן: יער עננים, הפארק הלאומי Waraira Repano, ונצואלה. ארנאלדו נוגוארה סיפונטס, מתוך ויקימדיה

O ₂ משמש לאורגניזמים חיים בנשימה סלולרית, ומייצר ייצור של פחמן דו חמצני (CO ₂ ), כאשר האחרון הוא אחד מחומרי הגלם לתהליך הפוטוסינתזה.

לעומת זאת, באטמוספירה העליונה מתרחשת פוטוליזה (הידרוליזה המופעלת על ידי אנרגיה סולארית) של אדי מים, הנגרמת כתוצאה מקרינה אולטרה סגולה מהשמש. מים מתפרקים ומשחררים מימן שאבד בסטרטוספרה והחמצן משולב באטמוספירה.

כאשר מולקולת O ₂ אינטראקציה עם אטום חמצן, נוצר אוזון (O ₃ ). האוזון מהווה את מה שמכונה שכבת האוזון.

מאפיינים

חמצן הוא יסוד כימי לא מתכתי. המספר האטומי שלו הוא 8, כלומר יש לו 8 פרוטונים ו -8 אלקטרונים במצבו הטבעי. בתנאים רגילים של טמפרטורה ולחץ, הוא קיים בצורה של גז דו-חמצן, חסר צבע ונטול ריח. הנוסחה המולקולרית שלו היא O ₂ .

O ₂ כולל שלושה איזוטופים יציבים: ¹⁶ O, ¹⁷ O ו- ¹⁸ O. הצורה השולטת ביקום היא ¹⁶ O. על כדור הארץ הוא מייצג 99.76% מסך החמצן. ¹⁸ O מייצגת 0.2%. צורת ה- ¹⁷ O נדירה ביותר (~ 0.04%).

מָקוֹר

חמצן הוא היסוד השלישי בשפע ביקום. ייצור האיזוטופ ¹⁶ O החל בדור הראשון של שריפת הליום סולארית שהתרחשה לאחר המפץ הגדול.

הקמת מעגל גרעין הפחמן-חנקן-חמצן בדורות מאוחרים של כוכבים סיפק את המקור השולט ביותר בכוכבי הלכת.

טמפרטורות ולחצים גבוהים מייצרים מים (H ₂ O) ביקום על ידי יצירת התגובה של מימן עם חמצן. מים הם חלק מאיפור ליבת כדור הארץ.

התפרצויות מאגמה מפטרות מים בצורת אדים וזה נכנס למחזור המים. מים מתפרקים על ידי פוטוליזה לחמצן ומימן באמצעות פוטוסינתזה, ועל ידי קרינה אולטרה סגולה ברמות העליונות של האטמוספירה.

אווירה פרימיטיבית

האווירה הפרימיטיבית לפני התפתחות הפוטוסינתזה על ידי ציאנובקטריה הייתה אנאירובית. עבור אורגניזמים חיים המותאמים לאטמוספרה זו, החמצן היה גז רעיל. גם כיום אווירה של חמצן טהור גורמת נזק בלתי הפיך לתאים.

הפוטוסינתזה מקורו בשושלת האבולוציונית של ציאנובקטריה של ימינו. זה החל לשנות את הרכב האטמוספירה של כדור הארץ לפני כ 2.3-2.7 מיליארד שנה.

ריבוי האורגניזמים פוטוסינתזים שינה את הרכב האווירה. החיים התפתחו לקראת הסתגלות לאווירה אירובית.

אנרגיות המניעות את המחזור

הכוחות והאנרגיות הפועלים להנעת מחזור החמצן יכולים להיות גיאותרמיות, כאשר מאגמה מגרשת אדי מים, או שהיא יכולה להגיע מאנרגיה סולארית.

האחרון מספק את האנרגיה הבסיסית לתהליך הפוטוסינתזה. האנרגיה הכימית בצורת פחמימות הנובעת מפוטוסינתזה, מביאה בתורה את כל תהליכי החיים דרך שרשרת המזון. באותו אופן, השמש מייצרת התחממות פלנטרית דיפרנציאלית וגורמת לזרמים אטמוספריים וימיים.

מערכת יחסים עם מחזורים ביוגוכימיים אחרים

בגלל השפע והתגובה הגבוהה שלו, מחזור החמצן מחובר למחזורים אחרים כמו CO ₂ , חנקן (N ₂ ) ומחזור המים (H ₂ O). זה נותן לו אופי רב-מחזורי.

מאגרי ה- O ₂ וה- CO ₂ קשורים זה לזה על ידי תהליכים הכרוכים ביצירה (פוטוסינתזה) והרס (נשימה ובעירה) של חומר אורגני. בטווח הקצר, תגובות אלה להפחתת חמצון הן המקור העיקרי לשונות בריכוז O ₂ באטמוספירה.

חיידקים המפלים את השמש מקבלים חמצן לצורך הנשמתם מחנקות בקרקע ומשחררים חנקן.

מאגרים

גאוספירה

חמצן הוא אחד המרכיבים העיקריים של סיליקט. לפיכך, הוא מהווה חלק ניכר ממעטפתו וקרום כדור הארץ.

• גרעין כדור הארץ : במעטפת החיצונית הנוזלית של ליבת כדור הארץ ישנם, בנוסף לברזל, יסודות אחרים, כולל חמצן.
• האדמה : בחללים שבין חלקיקים או נקבוביות האדמה, האוויר מפוזר. חמצן זה משמש על ידי מיקרוביוטה האדמה.

אַטמוֹספֵרָה

21% מהאטמוספרה מורכבת מחמצן בצורה של דיוקסין (O ₂ ). שאר הצורות של נוכחות חמצן אטמוספרי הן אדי מים (H ₂ O), פחמן דו חמצני (CO ₂ ) ואוזון (O ₃ ).

• אדי מים : ריכוז אדי המים משתנה, תלוי בטמפרטורה, בלחץ האטמוספרי ובזרמי הזרימה האטמוספירה (מחזור המים).
• פחמן דו חמצני : CO ₂ מייצג כ- 0,03% מנפח האוויר. מאז תחילת המהפכה התעשייתית, ריכוזו של CO ₂ באטמוספרה עלה בכ -145%.
• אוזון : זוהי מולקולה שנמצאת בסטרטוספרה בכמות נמוכה (0,03 - 0,02 חלקים למיליון נפח).

הידרוספרה

71% משטח כדור הארץ מכוסים במים. יותר מ 96% מהמים שנמצאים על פני כדור הארץ מרוכזים באוקיינוסים. 89% ממסת האוקיינוסים מורכבת מחמצן. CO ₂ מומס גם במים וכפוף לתהליך חילופי דברים עם האטמוספרה.

קריוספירה

הקריוספרה מתייחסת למסת המים הקפואים המכסים אזורים מסוימים בכדור הארץ. מסות קרח אלה מכילות כ- 1.74% מהמים בקרום כדור הארץ. מצד שני, קרח מכיל כמויות משתנות של חמצן מולקולרי לכוד.

אוֹ

מרבית המולקולות המרכיבות את מבנה היצורים החיים מכילות חמצן. לעומת זאת, חלק גדול מהדברים החיים הם מים. לכן הביומסה היבשתית היא גם שמורת חמצן.

שלבים

באופן כללי, המחזור שאחריו החמצן הוא סוכן כימי מכיל שני אזורים גדולים המרכיבים את אופיו כמחזור ביוגיוכימי. אזורים אלה מיוצגים בארבעה שלבים.

האזור הסביבה הגיאולוגית מקיפה את העקירות וההכלה באווירה, בהידרוספרה, בקריוספרה ובגיאוספרה של חמצן. זה כולל את שלב הסביבה של המאגר והמקור ואת שלב החזרה לסביבה.

מחזור חמצן. אימה צ'יקנו, מתוך ויקימדיה

שני שלבים כלולים גם באזור הביולוגי. הם קשורים לפוטוסינתזה והנשמה.

-שלב סביבתי של המאגר והמקור: אטמוספרה-הידרוספרה-קריוספרה-גאוספירה

אַטמוֹספֵרָה

המקור העיקרי לחמצן האטמוספרי הוא פוטוסינתזה. אך ישנם מקורות אחרים שמהם חמצן יכול להיכנס לאטמוספירה.

אחד מאלה הוא המעטפת החיצונית הנוזלית של ליבת כדור הארץ. חמצן מגיע לאטמוספרה כאדי מים דרך התפרצויות געש. אדי מים עולים לסטרטוספרה שם היא עוברת פוטוליזה כתוצאה מקרינה אנרגטית גבוהה מהשמש ונוצר חמצן חופשי.

מצד שני, הנשימה פולטת חמצן בצורה של CO ₂ . תהליכי בעירה, בעיקר תהליכים תעשייתיים, צורכים גם חמצן מולקולרי ותורמים CO ₂ לאטמוספרה.

בתמורה שבין האטמוספרה להידרוספרה, החמצן המומס במסת המים עובר לאטמוספרה. מצדו, CO ₂ אטמוספרי מומס במים כחומצה פחמית. מומס חמצן במים נובע בעיקר מפוטוסינתזה של אצות וציאנו-בקטריות.

סטרטוספירה

ברמות העליונות של האטמוספירה, קרינה אנרגטית גבוהה מווטרת אדי מים. קרינת גל קצר מפעילה מולקולות O ₂ . אלה מפוצלים לאטומי חמצן חופשיים (O).

אטומי O חופשיים אלה מגיבים עם מולקולות O ₂ ומייצרים אוזון (O ₃ ). תגובה זו הפיכה. בשל השפעת הקרינה האולטרה-סגולה, O ₃ מתפרק לאטומי חמצן חופשיים.

חמצן כמרכיב באוויר האטמוספרי הוא חלק מתגובות חמצון שונות ומשלבים תרכובות יבשתיות שונות. כיור עיקרי לחמצן הוא חמצון גזים מהתפרצויות געש.

הידרוספרה

הריכוז הגדול ביותר של מים על כדור הארץ הוא האוקיאנוסים, שם יש ריכוז אחיד של איזוטופי חמצן. זה נובע מהחלפה מתמדת של אלמנט זה עם קרום כדור הארץ בתהליכי זרימת הידרותרמיות.

בגבולות הלוחות הטקטוניים ורכסי האוקיאנוס נוצר תהליך קבוע של חילופי גז.

קריוספירה

מסות קרח יבשתיות, לרבות מסות קרח קוטביות, קרחונים וחלחול, מהווים כיור עיקרי לחמצן בצורה של מים במצב מוצק.

גאוספירה

באופן דומה חמצן משתתף בחילופי הגזים עם האדמה. שם הוא מהווה את היסוד החיוני לתהליכי הנשימה של מיקרואורגניזמים בקרקע.

כיור חשוב באדמה הוא תהליכי חמצון מינרלים ושריפת דלק מאובנים.

החמצן המהווה חלק ממולקולת המים (H ₂ O) עוקב אחר מחזור המים בתהליכים של אידוי-שקע ועיבוי-משקעים.

- שלב פוטוסינתטי

הפוטוסינתזה מתרחשת בכלורופלסטים. בשלב האור של הפוטוסינתזה, יש צורך בסוכן צמצום, כלומר מקור לאלקטרונים. הסוכן אמר במקרה זה מים (H ₂ O).

על ידי הוצאת מימן (H) מהמים, חמצן (O ₂ ) משתחרר כמוצר פסולת. מים נכנסים לצמח מהאדמה דרך השורשים. במקרה של אצות וציאנו-בקטריות זה מגיע מהסביבה הימית.

כל החמצן המולקולרי (O ₂ ) המיוצר במהלך פוטוסינתזה מגיע מהמים המשמשים בתהליך. בפוטוסינתזה צורכים CO ₂ , אנרגיה סולארית ומים (H ₂ O), ומשתחררים חמצן (O ₂ ).

-במה חזרה אטמוספרי

ה- O ₂ שנוצר בפוטוסינתזה גורש לאטמוספירה דרך העגבניות במקרה של צמחים. אצות וציאנו-בקטריה מחזירות אותה לסביבה על ידי דיפוזיה ממברנה. באופן דומה, תהליכי נשימה מחזירים חמצן לסביבה בצורה של פחמן דו חמצני (CO ₂ ).

-שלב הנשמה

כדי לבצע את תפקידיהם החיוניים, אורגניזמים חיים צריכים לייעל את האנרגיה הכימית הנוצרת מפוטוסינתזה. אנרגיה זו מאוחסנת בצורה של מולקולות מורכבות של פחמימות (סוכרים) במקרה של צמחים. שאר האורגניזמים משיגים אותו מהתזונה

התהליך שבאמצעותו יצורים חיים פורשים תרכובות כימיות כדי לשחרר את האנרגיה הנדרשת נקרא נשימה. תהליך זה מתרחש בתאים ויש לו שני שלבים; אחד אירובי ואחד אנאירובי.

נשימה אירובית מתרחשת במיטוכונדריה בצמחים ובעלי חיים. בחיידקים זה מתבצע בציטופלזמה, מכיוון שהם חסרים מיטוכונדריה.

היסוד הבסיסי לנשימה הוא החמצן כחומר מחמצן. בהנשמה נצרך חמצן (O ₂ ) ונפלטים CO ₂ ומים (H ₂ O) המייצרים אנרגיה מועילה.

CO ₂ ומים (אדי מים) משתחררים דרך עגבניות בצמחים. אצל בעלי חיים, CO ₂ משתחרר דרך הנחיריים ו / או דרך הפה, ומים דרך הזיעה. באצות ובחיידקים, CO ₂ משתחרר על ידי דיפוזיה קרומית.

הנשמה לצילום

בצמחים, בנוכחות אור, מתפתח תהליך הצורך חמצן ואנרגיה הנקראת פוטריספיר. ההנשמה הצולמת עולה עם עליית הטמפרטורה, בגלל העלייה בריכוז ה- CO ₂ ביחס לריכוז ה- O ₂ .

הנשמה פוטורית מייצרת איזון אנרגטי שלילי לצמח. היא צורכת O ₂ ואנרגיה כימית (המיוצרת על ידי פוטוסינתזה) ומשחררת CO ₂ . מסיבה זו, הם פיתחו מנגנונים אבולוציוניים כדי לנטרל אותה (מטבוליזם C4 ו- CAN).

חֲשִׁיבוּת

כיום הרוב המכריע של החיים הוא אירובי. ללא זרימת O ₂ במערכת הפלנטרית, החיים כפי שאנו מכירים אותם היום היו בלתי אפשריים.

בנוסף, החמצן מהווה חלק משמעותי ממסות האוויר של כדור הארץ. לכן הוא תורם לתופעות האטמוספריות הקשורות אליו ולתוצאותיו: השפעות ארוזיות, ויסות אקלים, בין היתר.

ישירות, הוא מייצר תהליכי חמצון באדמה, של גזים וולקניים ועל מבני מתכת מלאכותית.

חמצן הוא יסוד בעל יכולת חמצון גבוהה. למרות שמולקולות חמצן יציבות מאוד בגלל היותן קשר כפול, מכיוון שלחמצן יש אלקטרונגטיביות גבוהה (יכולת למשוך אלקטרונים), יש לה יכולת תגובתי גבוהה. בשל האלקטרוניטיביות הגבוהה הזו חמצן לוקח חלק בתגובות חמצון.

שינויים

הרוב המכריע של תהליכי הבעירה המתרחשים בטבע דורשים השתתפות חמצן. כך גם באלה שנוצרים על ידי בני אדם. תהליכים אלה ממלאים פונקציות חיוביות ושליליות הן במונחים אנתרופיים.

בעירה של דלקים מאובנים (פחם, נפט, גז) תורמת להתפתחות כלכלית, אך יחד עם זאת מייצגת בעיה קשה בגלל תרומתה להתחממות כדור הארץ.

שריפות יער גדולות משפיעות על המגוון הביולוגי, אם כי במקרים מסוימים הן מהוות חלק מתהליכים טבעיים במערכות אקולוגיות מסוימות.

אפקט החממה

שכבת האוזון (O ₃ ) בסטרטוספרה היא המגן המגן על האטמוספרה מפני כניסה של עודף קרינה אולטרה סגולה. קרינה אנרגטית מאוד זו מגבירה את התחממות כדור הארץ.

מצד שני, הוא מאד מוטאני ומזיק לרקמות חיות. אצל בני אדם ובעלי חיים אחרים הוא מסרטן.

פליטה של ​​גזים שונים גורמת להרס שכבת האוזון ולכן מאפשרת כניסה של קרינה אולטרה סגולה. חלק מהגזים הללו הם כלור-פלואורוכמינים, פחמימנים הידרוכלור-פלואורור, אתיל ברומיד, תחמוצות חנקן מדשנים והלונים.

הפניות

1. אנבר AD, Y Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin and R Buick (2007) A Whiff of חמצן לפני אירוע החמצון הגדול? מדע 317: 1903-1906.
2. Bekker A, HD Holland, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee ו- NJ Beukes. (2004) מתארכת את עליית החמצן האטמוספרי. טבע 427: 117-120.
3. פרקאר ג'יי וד.ט ג'ונסטון. (2008) מחזור החמצן של כוכבי הלכת היבשתיים: תובנות לגבי עיבוד והיסטוריה של חמצן בסביבות שטח. ביקורות במינרלוגיה וגיאוכימיה 68: 463–492.
4. Keeling RF (1995) מחזור החמצן האטמוספרי: איזוטופי החמצן של CO ₂ ו- O ₂ האטמוספריים ו- O ₂ / N ₂ Reviws of Geophysics, supplement. ארה"ב: דוח לאומי לאיחוד הבינלאומי לגאודזיה וגיאופיסיקה 1991-1994. עמ. 1253-1262.
5. Purves WK, D Sadava, GH Orians ו- HC Heller (2003) החיים. מדע הביולוגיה. Edt 6. חברת סיניאר איגוד, בע"מ ו- WH פרימן וחברה. 1044 עמ '.