Круговорот кислорода в природе: важнейший процесс для всех живых организмов
Кислород - это газ, без которого невозможна жизнь на Земле. Круговорот кислорода поддерживает баланс этого элемента в атмосфере и обеспечивает дыхание живых организмов. Давайте разберемся, как устроен этот важнейший процесс.
1. Что такое круговорот кислорода и зачем он нужен
Круговорот кислорода - это биогеохимический цикл, в ходе которого происходит постоянный обмен кислородом между атмосферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами. Этот процесс поддерживает содержание свободного кислорода в воздухе на уровне 20-21%, что крайне важно для существования жизни на Земле.
Основная функция круговорота кислорода - обеспечивать постоянное пополнение запасов этого газа в атмосфере, который расходуется на дыхание растений, животных и микроорганизмов, а также на разложение органики. Без круговорота весь атмосферный кислород быстро закончился бы.
Круговорот кислорода происходит между тремя основными резервуарами: атмосферой, гидросферой и литосферой. Общая масса кислорода в этих резервуарах составляет около 1,4 млн гигатонн.
Основные процессы, участвующие в круговороте кислорода:
- Фотосинтез растений и фитопланктона
- Дыхание живых организмов
- Разложение органических остатков
- Горение органического топлива
- Образование оксидов в земной коре
Таким образом, круговорот кислорода - это фундаментальный механизм, поддерживающий условия для существования жизни на нашей планете на протяжении миллиардов лет.
2. История открытия кислорода
Хотя кислород составляет около 20% атмосферы Земли, его химическую природу удалось установить лишь в конце XVIII века. Первыми исследователями, работавшими над открытием кислорода, были английский химик Джозеф Пристли и шведский ученый Карл Шееле.
В 1774 году Пристли проводил опыты по нагреванию оксида ртути и обнаружил выделение неизвестного газа. Шееле открыл этот же газ в 1771 году, назвав его "огненным воздухом".
Однако первым, кто доказал, что Пристли и Шееле выделили новый химический элемент, был француз Антуан Лавуазье. В 1777 году он назвал его кислородом (от греческих слов "кислый" и "порождающий"), так как выяснил, что этот газ образует кислоты при соединении с другими элементами.
Открытие кислорода позволило объяснить процессы горения, дыхания и многие другие химические реакции. Это стало одним из важнейших достижений науки XVIII века.
3. Как образуется кислород в природе
Основная масса свободного кислорода в атмосфере Земли имеет биологическое происхождение и образуется в процессе фотосинтеза растений и водорослей.
Зеленые растения и фитопланктон, используя энергию солнечного света, выделяют кислород в атмосферу из углекислого газа и воды. Ежегодно в результате фотосинтеза образуется около 200 млрд тонн О2.
Дополнительным источником свободного кислорода в атмосфере являются абиотические процессы, такие как фотолиз водяного пара в верхних слоях атмосферы и фотохимическое окисление окислов азота.
Скорость обновления кислорода в атмосфере довольно высока - за 2000 лет весь запас кислорода полностью обновляется. Это обеспечивает постоянное присутствие О2 в воздухе, несмотря на его активное потребление.
4. Роль озонового экрана в защите от ультрафиолета
Образующийся в атмосфере кислород вступает в реакцию с ультрафиолетовым излучением и превращается в озон. Озоновый слой на высоте 20-50 км экранирует поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения.
Без озонового экрана ультрафиолетовые лучи УФ-Б и УФ-С наносили бы серьезный вред всем живым организмам, вызывая мутации и рак кожи. Поэтому круговорот кислорода через озон критически важен для сохранения жизни.
5. Потребление кислорода в процессе дыхания
Основная масса атмосферного кислорода расходуется в процессе дыхания живых организмов - растений, животных, грибов, бактерий. При дыхании кислород вдыхается и участвует в выработке энергии в клетках, а затем выделяется в виде СО2.
Ежегодно в процессе дыхания все живые организмы планеты потребляют около 140 млрд тонн кислорода. Это составляет примерно 70% от всего вырабатываемого в процессе фотосинтеза.
6. Разложение органики и горение
Помимо дыхания, значительное количество кислорода расходуется на разложение органических остатков живых организмов после их смерти. Этот процесс также называют деструкцией органики.
Кроме того, на горение органического топлива, лесные пожары и другие окислительные процессы ежегодно расходуется около 10 млрд тонн кислорода.
7. Нарушение баланса кислорода
Интенсивная хозяйственная деятельность человека приводит к нарушению естественного баланса круговорота кислорода. Вырубка лесов, загрязнение атмосферы и Мирового океана снижают выработку О2.
В то же время сжигание органического топлива резко увеличивает потребление кислорода на горение. Это ведет к истощению запасов О2 и может иметь катастрофические последствия для экологии планеты.
8. Способы сохранения круговорота кислорода
Чтобы не нарушать естественный баланс кислорода, человечеству необходимо:
- Сократить выбросы парниковых газов в атмосферу
- Сохранять леса и биоразнообразие на Земле
- Не допускать чрезмерного загрязнения океана
- Развивать "зеленую" энергетику взамен сжигания топлива
Только так можно обеспечить устойчивое функционирование круговорота кислорода и сохранить жизнь на планете.