HAPPISYKLI: OMINAISUUDET, SÄILIÖT JA VAIHEET - YMPÄRISTÖ - 2025

Happi sykli viittaa kiertoliikkeen hapen maapallolla. Se on kaasumainen biogeokemiallinen sykli. Happi on ilmakehän typen jälkeen toiseksi yleisin alkuaine ja hydrosfäärin toiseksi runsas vedyn jälkeen. Tässä mielessä happisykli on kytketty vesisykliin.

Verenkiertoelimistön liike hapen sisältää tuotannon dihappi tai molekulaarisen hapen kahden atomien (O ₂). Tämä johtuu hydrolyysistä fotosynteesin aikana, jonka eri fotosynteettiset organismit suorittavat.

Happisäiliö: Pilvimetsä, Waraira Repanon kansallispuisto, Venezuela. Arnaldo Noguera Sifontes, Wikimedia Commonsista

Elävät organismit käyttävät O _2: ta soluhengityksessä tuottaen hiilidioksidia (CO ₂), joka on yksi fotosynteesiprosessin raaka-aineista.

Toisaalta ylemmässä ilmakehässä vesihöyryn fotolyysi (aurinkoenergian aktivoima hydrolyysi) tapahtuu auringon ultraviolettisäteilyn takia. Vesi hajoaa vapauttaen vetyä, joka menetetään stratosfäärissä ja happi integroituu ilmakehään.

Kun O- ₂ -molekyyli on vuorovaikutuksessa happiatomin kanssa, otsonia (₃) on valmistettu. Otsoni muodostaa ns otsonikerroksen.

ominaisuudet

Happi on ei-metalli kemiallinen alkuaine. Sen atominumero on 8, ts. Siinä on 8 protonia ja 8 elektronia luonnollisessa tilassaan. Normaalissa lämpötila- ja paineolosuhteissa sitä on läsnä dioksidikaasun muodossa, väritön ja hajuton. Sen molekyylikaava on O ₂.

O ₂ sisältää kolme stabiilia isotooppia: ¹⁶ O, ¹⁷ O ja ¹⁸ O. Universumin hallitseva muoto on ¹⁶ O. Maapallossa se edustaa 99,76% kokonaishapesta. ¹⁸ O edustaa 0,2%. ¹⁷ O muoto on hyvin harvinaista (~ 0,04%).

alkuperä

Happi on maailmankaikkeuden kolmanneksi runsain alkuaine. ¹⁶ O- isotoopin tuotanto alkoi ensimmäisen sukupolven aurinkoheliumin palamisessa, joka tapahtui Ison räjähdyksen jälkeen.

Hiili-typpi-happi-nukleosynteesisyklin aikaansaaminen myöhemmissä tähti sukupolvissa on tarjonnut hallitsevan happea lähteen planeetoilla.

Korkeat lämpötilat ja paineet tuottavat vettä (H ₂ O) maailmankaikkeudessa tuottamalla vedyn reaktion hapen kanssa. Vesi on osa maan ytimen meikkiä.

Magman paljastumat vapauttavat vettä höyryn muodossa ja siirtyvät veden kiertoon. Vesi hajoaa fotolyysillä happea ja vetyä fotosynteesin kautta ja ultravioletti säteilyllä ilmakehän ylemmillä tasoilla.

Alkeellinen ilmapiiri

Alkeellinen ilmapiiri ennen syanobakteerien aiheuttaman fotosynteesin kehitystä oli anaerobinen. Sille ilmakehään sopeutuneille eläville organismeille happi oli myrkyllinen kaasu. Jo nykyään puhtaan hapen ilmapiiri aiheuttaa soluille korjaamatonta vahinkoa.

Fotosynteesi sai alkunsa tämän päivän syanobakteerien evoluutiolinjasta. Tämä alkoi muuttaa maapallon ilmakehän koostumusta noin 2,3-2,7 miljardia vuotta sitten.

Fotosyntetisoivien organismien leviäminen muutti ilmakehän koostumusta. Elämä kehittyi kohti sopeutumista aerobiseen ilmakehään.

Energiaa, joka ohjaa sykliä

Hapen kiertoa ajavat voimat ja energiat voivat olla geotermisiä, kun magma karkaa vesihöyryä tai se voi tulla aurinkoenergiasta.

Jälkimmäinen tarjoaa perusenergian fotosynteesiprosessille. Fotosynteesin seurauksena oleva kemiallinen energia hiilihydraattien muodossa johtaa puolestaan ​​kaikki elävät prosessit ravintoketjun läpi. Samalla tavoin aurinko tuottaa planeettojen differentiaalilämmityksen ja aiheuttaa meren ja ilmakehän virtaukset.

Suhde muihin biogeokemiallisiin sykleihin

Runsaudeltaan ja korkealta reaktiivisuudeltaan johtuen happisykli on kytketty muihin sykleihin, kuten CO ₂, typpi (N ₂) ja vesisykli (H ₂ O). Tämä antaa sille monisyklisen hahmon.

O _{2: n} ja CO _{2: n} säiliöt yhdistetään prosesseilla, joihin sisältyy orgaanisen aineen luominen (fotosynteesi) ja tuhoaminen (hengitys ja palaminen). Lyhyellä aikavälillä nämä hapetus-pelkistysreaktiot ovat pääasiallinen lähde variaatiolle ilmakehän O ₂ -pitoisuuksissa.

Denitrifioivat bakteerit saavat hengitykseen happea maaperän nitraateista vapauttaen typpeä.

säiliöt

geosfääri

Happi on yksi silikaattien pääkomponentteista. Siksi se muodostaa merkittävän osan maapallon vaipasta ja kuoresta.

• Maapallon ydin: Maapallon ytimen nestemäisessä vaipassa on raudan lisäksi muita alkuaineita, mukaan lukien happi.
• Maaperä: maaperän hiukkasten tai huokosten välisissä tiloissa ilma leviää. Tätä happea käyttää maaperän mikrobiota.

ilmapiiri

21% ilmakehästä koostuu happea dioksigeeninä (O ₂). Muita ilmakehän happea esiintymisen muotoja ovat vesihöyry (H ₂ O), hiilidioksidi (CO ₂) ja otsoni (O ₃).

• Vesihöyry: vesihöyryn konsentraatio vaihtelee lämpötilasta, ilmakehän paineesta ja ilmakehän kiertovirroista (vesisykli) riippuen.
• Hiilidioksidi: CO ₂ edustaa noin 0,03% ilman tilavuudesta. Alusta Teollisen vallankumouksen, CO: n konsentraatio ₂ ilmakehässä on kasvanut 145%.
• Otsoni: se on molekyyli, jota on läsnä stratosfäärissä pienenä määränä (0,03 - 0,02 miljoonasosaa tilavuudesta).

hydrosfäärin

Vesi peittää 71% maan pinnasta. Yli 96% maan pinnalla olevasta vedestä on keskittynyt valtameriin. 89% valtamerten massasta on happea. CO _{2 on} myös liuotetaan veteen ja edellyttää vaihtoa prosessin ilmakehän kanssa.

kryosfääristä

Kryosfääri viittaa jäätyneen veden massaan, joka kattaa tietyt maapallon alueet. Nämä jäämassat sisältävät noin 1,74% maankuoren vedestä. Toisaalta, jää sisältää vaihtelevia määriä loukkuun jäänyttä molekyylin happea.

TAI

Suurin osa molekyyleistä, jotka muodostavat elävien asioiden rakenteen, sisältävät happea. Toisaalta suuri osa elävistä esineistä on vettä. Siksi maanpäällinen biomassa on myös happivaranto.

Tasot

Yleisesti sykli, jota happi seuraa kemiallisena aineena, käsittää kaksi suurta aluetta, jotka muodostavat sen luonteen biogeokemiallisena kiertona. Nämä alueet on esitetty neljässä vaiheessa.

Geoympäristöalue kattaa siirtymät ja suojarakennukset ilmakehässä, hydrosfäärissä, kryosfäärissä ja hapen geosfäärissä. Tämä sisältää säiliön ja lähteen ympäristövaiheen ja ympäristöön palaamisen vaiheen.

Happisykli. Eme Chicano, Wikimedia Commonsista

Kaksi vaihetta sisältyy myös biologiseen alueeseen. Ne liittyvät fotosynteesiin ja hengitykseen.

-Säiliön ja lähteen ympäristövaihe: ilmakehän hydrosfääri-kryosfääri-geosfääri

ilmapiiri

Tärkein ilmakehän hapen lähde on fotosynteesi. Mutta on myös muita lähteitä, joista happea voi päästä ilmakehään.

Yksi näistä on maapallon ytimen nestemäinen vaippa. Happi pääsee ilmakehään vesihöyrynä tulivuorenpurkauksien kautta. Vesihöyry nousee stratosfääriin, jossa se läpikäy fotolyysiä auringon korkean energian säteilyn seurauksena ja vapaata happea muodostuu.

Toisaalta, hengityksen emittoi happea muodossa CO ₂. Palamisprosessit, erityisesti teollisissa prosesseissa, kuluttavat myös molekulaarista happea ja edistää CO ₂ ilmakehään.

Ilmakehän ja hydrosfäärin välisessä vaihdossa vesimassojen liuennut happi kulkee ilmakehään. Puolestaan ilmakehän CO ₂ liuotetaan veteen hiilihapon. Veteen liuennut happi tulee pääasiassa levien ja syanobakteerien fotosynteesistä.

Stratosfääri

Ilmakehän ylemmillä tasoilla korkean energian säteily hydrolysoi vesihöyryä. Lyhytaaltoinen säteily aktivoi O _2- molekyylejä. Ne jaetaan vapaiksi happiatomeiksi (O).

Nämä vapaat O-atomeja reagoimaan O ₂ -molekyylejä ja tuottaa otsonia (₃). Tämä reaktio on palautuva. Ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta johtuen O ₃ hajoaa jälleen vapaiksi happiatomiksi.

Happi ilmakehän komponentina on osa erilaisia ​​hapetusreaktioita, integroimalla erilaisia ​​maanpäällisiä yhdisteitä. Tärkein hapen uppoaja on tulivuorenpurkauksista johtuvien kaasujen hapettuminen.

hydrosfäärin

Suurin veden pitoisuus maapallolla on valtameret, joissa hapen isotooppien pitoisuus on tasainen. Tämä johtuu tämän alkuaineen jatkuvasta vaihtamisesta maakuoreen hydrotermisen kiertoprosessin kautta.

Tektonisten levyjen ja valtameren harjujen rajoissa syntyy vakio kaasunvaihtoprosessi.

kryosfääristä

Maajäämassat, mukaan lukien polaariset jäämassat, jäätiköt ja ikirouta, muodostavat merkittävän hapen upottajan kiinteässä tilassa olevan veden muodossa.

geosfääri

Samoin happi osallistuu kaasunvaihtoon maaperän kanssa. Siellä se on tärkeä elementti maaperän mikro-organismien hengitysprosesseissa.

Tärkeä maaperän pesuallas on mineraalien hapettumisprosessit ja fossiilisten polttoaineiden palaminen.

Happi, joka on osa vesimolekyylin (H ₂ O) seuraa veden kiertokulkuun haihtuminen-hikoiluun ja kondensaatio-saostus.

- Fotosynteettinen vaihe

Fotosynteesi tapahtuu kloroplasteissa. Fotosynteesin kevyen vaiheen aikana tarvitaan pelkistin, ts. Elektronien lähde. Mainittu aine on tässä tapauksessa vettä (H ₂ O).

Ottamalla vettä (H) vedestä happi (O ₂) vapautuu jätetuotteena. Vesi pääsee kasveen maaperästä juurten kautta. Levien ja syanobakteerien tapauksessa ne tulevat vesiympäristöstä.

Kaikki fotosynteesin aikana tuotettu molekyylihappi (O ₂) tulee prosessissa käytetystä vedestä. Fotosynteesin, CO ₂, aurinkoenergian ja veden (H ₂ O) kulutetaan, ja happi (O ₂) vapautetaan.

- Ilmakehän paluuvaihe

Fotosynteesissä syntyvä O ₂ karkotetaan ilmakehään stomaatan kautta kasvien tapauksessa. Levät ja sinilevät palauttavat sen ympäristöön membraanidiffuusion avulla. Samoin hengitysprosessit palauttavat happea ympäristöön hiilidioksidin (CO ₂) muodossa.

-Hengitysvaihe

Elävien organismien on elintärkeiden toimintojensa suorittamiseksi tehtävä tehokkaaksi fotosynteesin tuottama kemiallinen energia. Tämä energia varastoidaan kasvien tapauksessa monimutkaisten hiilihydraattimolekyylien (sokereiden) muodossa. Muut organismit saavat sen ruokavaliosta

Prosessia, jolla elävät olennot levittävät kemiallisia yhdisteitä vapauttaakseen tarvittavan energian, kutsutaan hengitykseksi. Tämä prosessi tapahtuu soluissa ja sillä on kaksi vaihetta; yksi aerobinen ja yksi anaerobinen.

Aerobinen hengitys tapahtuu kasvien ja eläinten mitokondrioissa. Bakteereissa se tapahtuu sytoplasmassa, koska heistä puuttuu mitokondrioita.

Hengityksen peruselementti on happi hapettavana aineena. Hengityksessä happi (O ₂) kuluu ja CO ₂ ja vesi (H ₂ O) vapautuvat tuottaen hyödyllistä energiaa.

CO ₂ ja vesi (vesihöyry) vapautuvat kasvien stomaattien kautta. Eläimillä, CO ₂ vapautuu sierainten kautta ja / tai suun, ja veden hikoilun. Levissä ja bakteerit, CO ₂ vapautetaan kalvo diffuusion.

Photorespiration

Kasveissa, valon läsnä ollessa, kehittyy prosessi, joka kuluttaa happea ja energiaa, nimeltään valoherkkyys. Photorespiration kasvaa lämpötilan kasvaessa, johtuen pitoisuuden kasvu CO ₂ suhteen konsentraatioon O ₂.

Fotorespiraatio vahvistaa kasvin negatiivisen energiatasapainon. Se kuluttaa O ₂ ja kemiallisen energian (fotosynteesissä tuotettuja) ja vapauttaa CO ₂. Tästä syystä he ovat kehittäneet evoluutiomekanismeja sen torjumiseksi (C4- ja CAN-aineenvaihdunnat).

Merkitys

Nykyään valtaosa elämästä on aerobista. Ilman O ₂: n kiertoa planeettajärjestelmässä elämä sellaisena kuin sen tiedämme tänään olisi mahdotonta.

Lisäksi happi muodostaa merkittävän osan maan ilmamassoista. Siksi se myötävaikuttaa siihen liittyviin ilmakehän ilmiöihin ja sen seurauksiin: eroosiovaikutuksiin, muun muassa ilmastonsäätelyyn.

Suoraan se aiheuttaa hapettumisprosesseja maaperässä, vulkaanisissa kaasuissa ja keinotekoisissa metallirakenteissa.

Happi on alkuaine, jolla on korkea hapetuskapasiteetti. Vaikka happimolekyylit ovat erittäin vakaita johtuen siitä, että ne muodostavat kaksoissidoksen, koska hapella on korkea elektronegatiivisuus (kyky houkutella elektroneja), sillä on korkea reaktiivinen kapasiteetti. Tämän korkean elektronegatiivisuuden vuoksi happi osallistuu moniin hapettumisreaktioihin.

muutokset

Suurin osa luonnossa tapahtuvista palamisprosesseista vaatii hapen osallistumista. Samoin ihmisten tuottamissa. Nämä prosessit täyttävät sekä positiiviset että negatiiviset toiminnot antropisesti.

Fossiilisten polttoaineiden (kivihiili, öljy, kaasu) polttaminen myötävaikuttaa taloudelliseen kehitykseen, mutta on samalla vakava ongelma johtuen sen vaikutuksesta ilmaston lämpenemiseen.

Suuret metsäpalot vaikuttavat biologiseen monimuotoisuuteen, vaikka joissakin tapauksissa ne ovat osa luonnollisia prosesseja tietyissä ekosysteemeissä.

Kasvihuoneilmiö

Stratosfäärin otsonikerros (O ₃) on ilmakehän suojakilpi ylimääräisen ultraviolettisäteilyn pääsyltä vastaan. Tämä erittäin energinen säteily lisää maan lämpenemistä.

Toisaalta se on erittäin mutageeninen ja haitallinen eläville kudoksille. Ihmisissä ja muissa eläimissä se on syöpää aiheuttava.

Eri kaasujen päästöt aiheuttavat otsonikerroksen tuhoutumisen ja helpottavat siten ultraviolettisäteilyn pääsyä. Jotkut näistä kaasuista ovat kloorifluorihiilivetyjä, osittain kloorifluorihiilivetyjä, etyylibromidia, lannoitteiden typen oksideja ja haloneja.

Viitteet

1. Anbar AD, Y Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin ja R Buick (2007) Hapen tuoksu ennen suurta hapettumista? Science 317: 1903 - 1906.
2. Bekker A, HD Holland, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee ja NJ Beukes. (2004) Tutki ilmakehän hapen nousua. Nature 427: 117 - 120.
3. Farquhar J ja DT Johnston. (2008) Maapallon planeettojen happisykli: Näkemyksiä hapen prosessoinnista ja historiasta pintaympäristöissä. Arvostelut julkaisussa Mineralogy and Geochemistry 68: 463–492.
4. Keeling RF (1995) Ilmakehän happi sykli: hapen isotoopit ilmakehän CO ₂ ja O ₂ ja O ₂ / N ₂ Reviws geofysiikan täydentää. USA: Kansallinen raportti geodesian ja geofysiikan kansainväliselle liitolle 1991-1994. ss. 1253-1262.
5. Parantaa WK, D Sadava, GH Orians ja HC Heller (2003) Life. Biologian tiede. Kuudes edt. Sinauer Associates, Inc. ja WH Freeman and Company. 1044 s.