酸素循環

酸素循環とは、大気（空気）、生物圏（植物と動物）、岩石圏（地球の地殻）を通る酸素の移動を指します。酸素循環は、これらの各領域で自由酸素がどのように利用可能になり、どのように使用されるかを示しています。酸素循環は、地球の球体/貯蔵庫内およびそれらの間での酸化還元反応を通じて、イオン、酸化物、分子内のさまざまな酸化状態間で酸素原子が循環する生物地球化学的循環です。^[1]文献で酸素という言葉は通常、最も一般的な酸素同素体である元素/二原子酸素（O ₂）を指します。これは、酸素が循環内の多くの生物地球化学的酸化還元反応の一般的な生成物または反応物であるためです。 ^[2]酸素循環内のプロセスは、生物学的または地質学的であると考えられており、ソース（O ₂生成）またはシンク（O ₂消費）として評価されます。^{[1] [2]}

酸素は地球上で最も一般的な元素の 1 つであり、各主要リザーバーの大部分を占めています。地球の酸素の最大のリザーバーは、地殻とマントルのケイ酸塩鉱物と酸化物 鉱物内にあります(重量の 99.5%)。^[6]地球の大気圏、水圏、生物圏を合わせても、地球上の酸素の総質量の 0.05% 未満しか含まれていません。O ₂以外にも、追加の酸素原子がさまざまな形で存在し、バイオマス、H ₂ O、CO ₂、HNO ₃、NO、NO ₂、CO、H ₂ O ₂、O ₃、SO ₂、H ₂ SO ₄、MgO、CaO、Al2O3、SiO ₂、PO ₄の分子の中に表層リザーバー全体に広がっています。^[7]

大気中の酸素含有量は体積比で21%で、酸素の総量はおよそ34× ¹⁰¹⁸ モルに相当します。 ^[2]大気中のその他の酸素含有分子には、オゾン（ O3 _）、二酸化炭素（CO2 _）、_水蒸気（ H2O _）、硫黄酸化物および窒素酸化物（SO2 _、 NO、N2Oなど）があります。

生物圏は体積比で 22% の酸素で構成されており、主に有機分子(C _x H _x N _x O _x ) と水の成分として存在します。

水圏は体積比33%の酸素^[8]で構成され、主に水分子の成分として存在し、溶解した分子には遊離酸素と石炭酸（H _x CO ₃）が含まれます。

リソスフェアは体積比で46.6%の酸素で構成され、主にシリカ鉱物（SiO ₂）やその他の酸化物鉱物 として存在します。

O _{2には多くの}非生物的発生源と吸収源があるが、現代の地球の大気と海洋に遊離酸素が大量に存在しているのは、生物学的プロセスである酸素発生型光合成による O ₂生成と、生物学的ポンプと呼ばれる生物学的吸収源、およびプレートテクトニクスを伴う炭素埋没の地質学的プロセスによるものとされている。^{[9] [10] [11] [7]}生物学は現代の地球上のO ₂フラックスの主な推進力であり、大酸化イベントの一部として議論されている細菌による酸素発生型光合成の進化は、すべての複雑な真核生物の代謝の発達と存在を可能にする条件に直接関係していると考えられている。^{[12] [13] [14]}

大気中の自由酸素の主な供給源は光合成であり、二酸化炭素と水から 糖と自由酸素を生成します。

${\displaystyle \mathrm {6\ CO_{2}+6H_{2}O+エネルギー\longrightarrow C_{6}H_{12}O_{6}+6\ O_{2}} }$

光合成生物には、陸上の植物だけでなく、海洋の植物プランクトンも含まれます。小さな海洋シアノバクテリアである プロクロロコッカスは1986年に発見され、外洋の光合成の半分近くを占めています。^{[15] [16]}

大気中の自由酸素のもうひとつの供給源は光分解です。高エネルギー紫外線が大気中の水と亜酸化窒素を構成原子に分解します。自由水素原子と自由窒素原子は宇宙空間に逃げていき、大気中に O _{2が残ります。}

${\displaystyle \mathrm {2\ H_{2}O+エネルギー\longrightarrow 4\ H+O_{2}} }$

${\displaystyle \mathrm {2\ N_{2}O+エネルギー\longrightarrow 4\ N+O_{2}} }$

大気から自由酸素が失われる主な方法は、呼吸と腐敗、つまり動物やバクテリアが酸素を消費して二酸化炭素を放出するメカニズムです。

以下の表は、酸素循環貯蔵庫の容量とフラックスの推定値を示しています。これらの数値は主に（Walker、JCG）の推定に基づいています。^[10]最近の研究では、海洋生物（海洋一次生産）が地球上の酸素生産量の半分以上を担っていることが示されています。^{[17] [18]}

表2：大気中の酸素の年間増加と減少（単位：10・^10kg O ₂ /年）^[1]

大気中の酸素の存在により、成層圏内にオゾン（O ₃）とオゾン層が形成されます。

${\displaystyle \mathrm {O_{2}+uv~light\longrightarrow 2~O} \qquad (\lambda \lesssim 200~{\text{nm}})}$

${\displaystyle \mathrm {O+O_{2}\longrightarrow O_{3}} }$

O + O ₂  :- O ₃

オゾン層は有害な紫外線を吸収するため、現代の生活にとって極めて重要です。

${\displaystyle \mathrm {O_{3}+uv~light\longrightarrow O_{2}+O} \qquad (\lambda \lesssim 300~{\text{nm}})}$

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