氧气循环：特征，储层和阶段 - 环境 - 2025

该氧循环是指氧气的地球上循环运动。这是一个气态生物地球化学循环。氧是大气中仅次于氮的第二大富集元素，也是氢中仅次于氢的第二大富集元素。从这个意义上讲，氧气循环与水循环相连。

氧气的循环运动包括产生双氧或两个原子（O ₂）的分子氧。这是由于不同的光合生物在光合作用过程中发生水解而引起的。

氧气库：委内瑞拉Waraira Repano国家公园的云雾森林。Arnaldo Noguera Sifontes，来自Wikimedia Commons

O ₂被活生物体用于细胞呼吸，产生二氧化碳（CO ₂），后者是光合作用过程的原料之一。

另一方面，在高层大气中，由于来自太阳的紫外线辐射而引起水蒸气的光解（由太阳能激活的水解）。水分解后释放出在平流层中损失的氢，并且氧被整合到大气中。

当O ₂分子与氧原子相互作用时，会产生臭氧（O ₃）。臭氧构成所谓的臭氧层。

特点

氧是一种非金属化学元素。它的原子序数为8，也就是说，它的8个质子和8个电子处于自然状态。在正常的温度和压力条件下，它以双氧形式存在，无色无味。其分子式为O ₂。

ø ₂包括三个稳定同位素：¹⁶ O，¹⁷ O和¹⁸ O.在宇宙中的主要形式是¹⁶ O.在地球上它代表总氧的99.76％。的¹⁸ O代表0.2％。¹⁷ O 形式非常罕见（〜0.04％）。

起源

氧气是宇宙中第三大最丰富的元素。¹⁶ O 同位素的生产始于大爆炸之后发生的第一代太阳氦燃烧。

在后代恒星中建立碳-氮-氧核合成循环提供了行星上氧气的主要来源。

高温和高压通过产生氢与氧的反应在宇宙中产生水（H ₂ O）。水是地球核心构成的一部分。

岩浆露头以蒸汽的形式放出水，这进入了水循环。水通过光合作用被光解为氧气和氢气，并被大气中的紫外线辐射分解。

原始气氛

蓝细菌进行光合作用之前的原始大气是厌氧的。对于适应这种气氛的生物来说，氧气是一种有毒气体。即使在今天，纯氧气氛也会对细胞造成不可挽回的损害。

光合作用起源于当今蓝细菌的进化谱系。大约在23-27亿年前，这开始改变地球大气的组成。

光合作用生物的扩散改变了大气的组成。生活朝着适应有氧环境的方向进化。

推动循环的能量

当岩浆排出水蒸气时，用来驱动氧气循环的力和能量可以是地热，也可以来自太阳能。

后者为光合作用过程提供了基本能量。光合作用产生的碳水化合物形式的化学能反过来驱动食物链中的所有生命过程。以同样的方式，太阳产生行星差热并引起海流和大气流。

与其他生物地球化学循环的关系

由于其丰富和高反应性，氧循环与其他循环（例如CO ₂，氮（N ₂）和水循环（H ₂ O））相连。这使它具有多循环字符。

O ₂和CO ₂储层通过涉及有机物产生（光合作用）和破坏（呼吸和燃烧）的过程联系在一起。短期来看，这些氧化还原反应是大气中O ₂浓度变化的主要来源。

反硝化细菌从土壤中的硝酸盐中呼吸获得氧气，释放出氮气。

水库

地球圈

氧是硅酸盐的主要成分之一。因此，它构成了地球地幔和地壳的很大一部分。

• 地球核心：在地球核心的液态外层地幔中，除了铁以外，还存在其他元素，包括氧气。
• 土壤：在土壤颗粒或孔隙之间的空间中，空气扩散。这种氧气被土壤微生物利用。

大气层

21％的气氛由双氧形式的氧气（O ₂）组成。大气中氧气的其他存在形式是水蒸气（H ₂ O），二氧化碳（CO ₂）和臭氧（O ₃）。

• 水蒸气：水蒸气的浓度是可变的，取决于温度，大气压和大气循环电流（水循环）。
• 二氧化碳：CO ₂约占空气体积的0.03％。自工业革命开始以来，大气中的CO ₂浓度增加了145％。
• 臭氧：这是一种在平流层中以低含量（百万分之0.03-0.02体积）存在的分子。

水圈

地球表面的71％被水覆盖。地球表面超过96％的水集中在海洋中。海洋的89％由氧气组成。CO ₂也溶解在水中，并与大气交换。

冰冻圈

冰冻圈是指覆盖地球某些区域的大量冷冻水。这些冰块包含地壳中约1.74％的水。另一方面，冰包含各种数量的截留分子氧。

要么

构成生物结构的大多数分子都含有氧。另一方面，很大一部分生物是水。因此，陆地生物质也是氧气储备。

阶段

一般而言，氧气作为化学试剂的循环包括两个大区域，这些区域构成了其作为生物地球化学循环的特征。这些领域分为四个阶段。

地球环境区域涵盖了大气，水圈，冰冻圈和地层中氧气的置换和围堵。这包括储层和源头的环境阶段，以及返回环境的阶段。

氧气循环。Eme Chicano，来自Wikimedia Commons

生物领域也包括两个阶段。它们与光合作用和呼吸有关。

-水库和水源的环境阶段：大气-水圈-冰河圈-地圈

大气层

大气中氧气的主要来源是光合作用。但是氧气还有其他来源可以进入大气。

其中之一是地球核心的液态外幔。氧气通过火山喷发以水蒸气形式进入大气。水蒸气上升到平流层，由于来自太阳的高能辐射而使水蒸气进行光解，并产生游离氧。

另一方面，呼吸以CO ₂的形式释放氧气。燃烧过程，特别是工业过程，也会消耗分子氧并向大气中贡献CO ₂。

在大气与水圈之间的交换中，水团中的溶解氧进入大气。就其本身而言，大气中的CO ₂以碳酸的形式溶于水中。水中的溶解氧主要来自藻类和蓝细菌的光合作用。

平流层

在大气的高层，高能辐射会水解水蒸气。短波辐射激活O ₂分子。这些被分解成游离氧原子（O）。

这些自由的O原子与O ₂分子反应并产生臭氧（O ₃）。该反应是可逆的。由于紫外线的作用，O ₃再次分解为自由氧原子。

氧是大气中的一种成分，是各种氧化反应的一部分，它整合了各种陆地化合物。氧气的主要汇聚点是来自火山喷发的气体的氧化。

水圈

地球上水的最大浓度是海洋，那里的氧同位素浓度均匀。这是由于该元素通过水热循环过程不断与地壳交换。

在构造板块和洋脊的极限处，不断产生气体交换过程。

冰冻圈

陆地冰块，包括极地冰块，冰川和永久冻土，以固态水的形式构成了主要的氧气汇。

地球圈

同样，氧气参与与土壤的气体交换。在那里，它构成了土壤微生物呼吸过程的重要元素。

土壤中的一个重要汇是矿物氧化和化石燃料燃烧的过程。

在蒸发-蒸腾和冷凝-沉淀过程中，作为水分子（H ₂ O）一部分的氧遵循水循环。

-光合阶段

光合作用发生在叶绿体中。在光合作用的光阶段，需要还原剂，即电子源。在这种情况下，所述试剂是水（H ₂ O）。

通过从水中获取氢（H），释放出氧气（O ₂）作为废品。水从土壤通过根部进入植物。就藻类和蓝细菌而言，它来自水生环境。

光合作用过程中产生的所有分子氧（O ₂）均来自该过程中使用的水。在光合作用中，消耗了CO ₂，太阳能和水（H ₂ O），并释放了氧气（O ₂）。

-大气返回阶段

在植物中，通过光合作用产生的O ₂通过气孔排放到大气中。藻类和蓝细菌通过膜扩散将其返回到环境中。同样，呼吸过程会将氧气以二氧化碳（CO ₂）的形式返回到环境中。

-呼吸阶段

为了执行其重要功能，生物需要有效利用光合作用产生的化学能。对于植物，这种能量以碳水化合物（糖）的复杂分子形式存储。其余生物从饮食中获取

生物展开化合物释放所需能量的过程称为呼吸。这个过程发生在细胞中，分为两个阶段。一种有氧和一种厌氧。

有氧呼吸发生在动植物的线粒体中。在细菌中，由于它们缺乏线粒体，因此在细胞质中进行。

呼吸的基本元素是氧气作为氧化剂。在呼吸中消耗氧气（O ₂）并释放出CO ₂和水（H ₂ O），产生有用的能量。

CO ₂和水（水蒸气）通过植物的气孔释放。在动物中，CO ₂通过鼻孔和/或口腔释放，水通过排汗释放。在藻类和细菌中，CO ₂通过膜扩散释放。

光呼吸

在植物中，在有光的情况下，会产生一种消耗氧气和能量的过程，称为光呼吸。由于CO ₂的浓度相对于O ₂的浓度增加，光呼吸随着温度的升高而增加。

光呼吸为植物建立了负能量平衡。它消耗O ₂和化学能（通过光合作用产生）并释放CO ₂。因此，他们开发了抵抗它的进化机制（C4和CAN代谢）。

重要性

今天，绝大多数生活都是有氧运动。没有O ₂在行星系统中的循环，今天我们所知道的生活将是不可能的。

另外，氧气占地球空气质量的很大一部分。因此，它促进了与其相关的大气现象及其后果：侵蚀作用，气候调节等。

它直接在土壤，火山气体和人造金属结构上产生氧化过程。

氧是具有高氧化能力的元素。尽管氧分子由于形成双键而非常稳定，但是由于氧具有高电负性（吸引电子的能力），因此具有高反应活性。由于这种高电负性，氧参与了许多氧化反应。

改建

自然界发生的绝大多数燃烧过程都需要氧气的参与。在人类产生的那些中也是如此。这些过程在人类方面既发挥积极作用，也发挥消极作用。

化石燃料（煤炭，石油，天然气）的燃烧有助于经济发展，但同时由于其对全球变暖的贡献，也构成了严重的问题。

大型森林火灾会影响生物多样性，尽管在某些情况下，它们是某些生态系统自然过程的一部分。

温室效应

平流层中的臭氧层（O ₃）是防止过量紫外线进入大气层的保护层。这种高能辐射会加剧地球的变暖。

另一方面，它是高度致突变的，并且对活组织有害。在人类和其他动物中，它是致癌的。

各种气体的排放导致臭氧层的破坏，因此有利于紫外线辐射的进入。这些气体中的一些是氯氟烃，氢氯氟烃，溴甲烷，化肥中的氮氧化物和哈龙。

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