دورة الأكسجين هي دورة بيوجيوكيميائية تصف حركة الأوكسجين داخل الاحتياطيات الرئيسة الثلاثة: الغلاف الجوي (الهواء)، والمحتوى الكلي من المواد البيولوجية داخل المحيط الحيوي (مجموع العالمية من جميع النظم الإيكولوجية)، والغلاف الصخري (القشرة الأرضية) . الفشل في دورة الأكسجين داخل الغلاف المائي (كتلة مجتمعة من الماء وجدت في، تحت، وعلى سطح كوكب الأرض) يمكن أن يؤدي إلى تطوير مناطق ميتة. عامل الدافعة الرئيسية لدورة الأكسجين هو التمثيل الضوئي، وهي المسؤولة عن الغلاف الجوي للأرض الحديثة والحياة على الأرض .
الخزانات
إلى حد بعيد أكبر خزان الأكسجين الأرض ضمن سيليكات وأكسيد المعادن من القشرة والوشاح (99.5 ٪) . لقد تم الافراج عن جزء صغير فقط كما الأكسجين الحر في الغلاف الحيوي (0.01 ٪) والغلاف الجوي (0.36 ٪) . المصدر الرئيسي لل الأكسجين الحر في الغلاف الجوي هو التمثيل الضوئي ، التي تنتج السكريات والأكسجين خالية من ثاني أكسيد الكربون والماء :
{\displaystyle \mathrm {6\ CO_{2}+6H_{2}O+energy\longrightarrow C_{6}H_{12}O_{6}+6\ O_{2}} }{\displaystyle \mathrm {6\ CO_{2}+6H_{2}O+energy\longrightarrow C_{6}H_{12}O_{6}+6\ O_{2}} }
وتشمل الكائنات Photosynthesizing الحياة النباتية في المناطق البرية وكذلك العوالق النباتية في المحيطات. والبكتريا الزرقاء البحرية الصغيرة اكتشفت Prochlorococcus في عام 1986 ويمثل أكثر من نصف الضوئي من المحيطات المفتوحة . [ 1 ]
مصدر إضافي من الأكسجين الحر في الغلاف الجوي يأتي من التحلل الضوئي ، حيث يكسر الأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة لأسفل الماء في الغلاف الجوي وأكسيد النيتروز إلى ذرات عنصر . الحر H وN ذرات الهروب إلى الفضاء تاركة O2 في الغلاف الجوي :
{\displaystyle \mathrm {2\ H_{2}O+energy\longrightarrow 4\ H+O_{2}} }{\displaystyle \mathrm {2\ H_{2}O+energy\longrightarrow 4\ H+O_{2}} }
{\displaystyle \mathrm {2\ N_{2}O+energy\longrightarrow 4\ N+O_{2}} }{\displaystyle \mathrm {2\ N_{2}O+energy\longrightarrow 4\ N+O_{2}} }
الطريق الرئيسي هو فقدان الأكسجين الحر من الجو عن طريق التنفس والاضمحلال، والآليات التي يمكن بها الحياة الحيوانية والبكتيريا تستهلك الأكسجين وإطلاق ثاني أكسيد الكربون.
الغلاف الصخري أيضا تستهلك الأكسجين الحر عبر التجوية الكيميائية وردود الفعل السطحية . مثال على السطح التجوية الكيميائية هو تشكيل أكاسيد الحديد (الصدأ) :
{\displaystyle \mathrm {4\ FeO+O_{2}\longrightarrow 2\ Fe_{2}O_{3}} }{\displaystyle \mathrm {4\ FeO+O_{2}\longrightarrow 2\ Fe_{2}O_{3}} }
المقال الرئيسي : المعدنية العازلة الأكسدة
يتم تدوير الأكسجين أيضا بين المحيط الحيوي والغلاف الصخري . الكائنات البحرية في المحيط الحيوي خلق كربونات الكالسيوم المواد قذيفة (كربونات الكالسيوم CaCO3) التي هي غنية في الأكسجين . عندما يموت الكائن الحي وتودع قذيفة على قاع البحر الضحلة ودفن مع مرور الوقت لإنشاء الحجر الجيري الصخور الرسوبية من الغلاف الصخري . العمليات التي بدأتها كائنات يمكن أيضا الأكسجين الحر من الغلاف الصخري التجوية . النباتات والحيوانات استخراج المعادن من الصخور والمواد الغذائية إطلاق الأكسجين في هذه العملية.
دورة الكربون يوجد الكربون بأشكال ومواقع متعددة في الأرض، والغلاف الجوي، والكائنات الحية، وتحتوي الجزيئات الرئيسية التي تشكل أجسادنا؛ مثل البروتينات، والكربوهيدرات، والحمض النووي، على الكربون كعنصر رئيسي فيها، ويوجد الكربون بوفرة في الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكربون، وهو محاصر أيضاً داخل الأرض على شكل وقود أحفوري،[١] ويوجد الكربون في الجزء غير الحي من الغلاف المائي، والغلاف الجوي، والغلاف الأرضي بالأشكال التالية:[٢] كربونات الكالسيوم (CaCO3)، في الحجر الجيري والمرجان. المواد العضوية الميتة. الوقود الأحفوري من المواد العضوية الميتة (الفحم، والنفط، والغاز الطبيعي). ثاني أكسيد الكربون (CO2) في الهواء. ثاني أكسيد الكربون الذائب في الماء لتشكيل -HCO3. تعريف دورة الكربون يمكن تعريف دورة الكربون بأنّها العملية التي ينتقل بها الكربون من الغلاف الجوي إلى الكائنات الحية، ثمّ إلى الأرض، ثمّ إلى الغلاف الجوي مرة أخرى؛ حيث تعدّ كمية الكربون ثابتة على الأرض وفي الغلاف الجوي،[١] ويعود الكربون إلى الغلاف الجوي والغلاف المائي من خلال العمليات التالية:[٢] عملية الاحتراق، على شكل عنصر الكربون، والعديد من مركبات الكربون الأخرى. تنفس النباتات والحيوانات على شكل ثاني أكسيد الكربون. التحلل والتعفن على شكل ثاني أكسيد الكربون في حالة وجود الأكسجين، أو على شكل الميثان، عند غياب الأكسجين. التمثيل الضوئي تستطيع النباتات صنع مركبات السكر باستخدام عدد قليل من المكوّنات البسيطة مثل: CO2، والماء (H2O)، وطاقة الشمس، من خلال عملية التمثيل الضوئي لإنتاج الجلوكوز،C6H12O6،[١] وتلعب الطحالب والنباتات الخضراء الأرضية دوراً رئيسياً في تثبيت ثاني أكسيد الكربون من خلال عملية التمثيل الضوئي، والتي يتم من خلالها تحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى كربوهيدرات بسيطة،[٣] وتعمل البكتيريا من خلال عملية التشيموتووتروفس على تحويل الكربون من ثاني أكسيد الكربون إلى شكل عضوي، وهي تحصل على الطاقة اللازمة لهذا التفاعل من خلال أكسدة الجزيئات بدلاً من أشعة الشمس.[٢] الاحتراق يتراكم جزء من الكربون العضوي في بقايا الكائنات الحية التي تراكمت في قشرة الأرض كوقود أحفوري، ويتم إطلاق هذا الكربون الذي تمت إزالته من الدورة في وقت سابق بكميات كبيرة من خلال العمليات الصناعية والزراعية، ويمر جزء كبير من هذا الكربون إلى المحيطات لشكيل الكربونات
واوجه التشابه بين الماء والكربون
دورة الماء
– يتم تشغيل دورة المياه بواسطة طاقة الشمس، تسخن الشمس سطح المحيط والمياه السطحية الأخرى، مما يتسبب في تبخر الماء السائل وتسخين الجليد، يتحول مباشرة من مادة صلبة إلى غاز، هذه العمليات التي تحركها الشمس تنقل الماء إلى الجو في شكل بخار الماء.
بمرور الوقت، يتكثف بخار الماء في الغلاف الجوي إلى غيوم وينخفض في النهاية مع هطول الأمطار أو الثلج، عندما تصل الأمطار إلى سطح الأرض، ولديها عدد قليل من الخيارات: قد تتبخر مرة أخرى، وتدفق على السطح، أو ترشح -sink أسفل إلى الأرض.
– في النظم الإيكولوجية الأرضية في حالتها الطبيعية، عادة ما يضرب المطر الأوراق الأخرى للأسطح قبل وصولها إلى التربة، يتبخر بعض الماء بسرعة من أسطح النباتات، يصل الماء المتبقي إلى التربة، وفي معظم الحالات، سيبدأ في الانتقال إلى الأسفل.
– بشكل عام، يتحرك الماء على طول السطح كجريان ماء فقط عندما تكون التربة مشبعة بالمياه، أو عندما يكون المطر شديد الصعوبة، أو عندما لا يستطيع السطح امتصاص الكثير من الماء، يمكن أن يكون السطح غير الماص صخرا في نظام بيئي طبيعي أو إسفلت أو أسمنت في نظام بيئي حضري أو ضواحي.
– يمكن امتصاص الماء في المستويات العليا من التربة عن طريق جذور النباتات، تستخدم النباتات بعض الماء لعملية الأيض الخاصة بها، والماء الموجود في أنسجة النبات يمكن أن يجد طريقه إلى أجسام الحيوانات عندما تؤكل النباتات، ومع ذلك، فإن معظم المياه التي تدخل جسم النبات ستضيع مرة أخرى إلى الغلاف الجوي في عملية تسمى النتح.
– في النتح، يدخل الماء عبر الجذور، وينتقل لأعلى عبر أنابيب الأوعية الدموية المصنوعة من الخلايا الميتة، ويتبخر من خلال المسام التي تسمى الثغور الموجودة في الأوراق.
– إذا لم يتم امتصاص الماء عن طريق جذور النباتات، فقد تتسرب إلى باطن الأرض والأساس، مما يشكل المياه الجوفية، المياه الجوفية هي الماء الموجود في المسام بين الجزيئات في الرمال والحصى أو في الشقوق في الصخور، وهو خزان مهم للمياه العذبة، تتدفق المياه الجوفية الضحلة ببطء عبر المسام والشقوق وقد تجد طريقها في النهاية إلى مجرى أو بحيرة، حيث يمكن أن تصبح جزءًا من المياه السطحية مرة أخرى.
– تقع بعض المياه الجوفية في عمق القاعدة ويمكن أن تبقى هناك لآلاف السنين، عادة ما تكون خزانات المياه الجوفية أو طبقات المياه الجوفية هي مصدر مياه الشرب أو مياه الري التي يتم جمعها عبر الآبار، اليوم يتم استخدام العديد من طبقات المياه الجوفية بشكل أسرع من المياه المتجددة التي تتحرك لأسفل من أعلى.
دورة الكربون
تتم دراسة دورة الكربون بسهولة على أنها دراجتان فرعيتان مترابطتان و هما ، واحدة تتعامل مع التبادل السريع للكربون بين الكائنات الحية ، و الأخرى تتعامل مع ركوب الكربون على المدى الطويل من خلال العمليات الجيولوجية.
– على الرغم من أننا سننظر إليها بشكل منفصل، من المهم إدراك أن هذه الدورات مرتبطة، يعمل التمثيل الضوئي بواسطة النباتات البرية والبكتيريا والطحالب على تحويل ثاني أكسيد الكربون أو البيكربونات إلى جزيئات عضوية.
– يتم تمرير الجزيئات العضوية التي تصنعها أجهزة التمثيل الضوئي من خلال سلاسل الغذاء، ويقوم التنفس الخلوي بتحويل الكربون العضوي إلى غاز ثاني أكسيد الكربون.
– يحدث التخزين الطويل الأجل للكربون العضوي عندما يتم دفن المادة من الكائنات الحية في أعماق الأرض أو غرقها في قاع المحيط وتشكيل صخور رسوبية، النشاط البركاني، وفي الآونة الأخيرة، حرق الإنسان للوقود الأحفوري يعيد هذا الكربون المخزن إلى دورة الكربون.
خصائص مشتركة بين دورة الماء ودورة الكربون
– كل من دورة المياه ودورة الكربون عبارة عن دورات بيوجيوكيميائية، أي أن المادة تنتقل بين الكائنات الحية والأجزاء غير الحيوية (الغلاف الصخري والغلاف الجوي والغلاف المائي) لكوكب الأرض.
– كل من هاتين الدورتين عبارة عن دورات مغذية، حيث تنتقل العناصر الغذائية (الماء والكربون) عبر الأجزاء المختلفة من الأرض.
– تستخدم كلتا الدورتين النباتات كمكون لا يتجزأ، تستخدم دورة المياه النباتات لاستيعاب الماء والشفط من السطح، بحيث يمكن إرسال الماء إلى الغلاف الجوي، تستخدم دورة الكربون النباتات لامتصاص ثاني أكسيد الكربون، والذي تتم إزالته من الغلاف الجوي (وإعادة إرساله إلى الغلاف الجوي عندما يكون النبات ميتًا)، يتم الاحتفاظ بالمياه في جسم النباتات ويستخدم لأغراض مختلفة، بما في ذلك نقل المواد الغذائية والتمثيل الغذائي، وبالمثل، يستخدم الكربون في عملية التمثيل الضوئي ويشكل أيضًا جسم النبات (من خلال جزيئات عضوية مختلفة).
– تستخدم كل من دورة المياه ودورة الكربون تحت السطح للتخزين على المدى الطويل، عندما يدخل الماء إلى سطح الأرض، فإنه يشكل مياه جوفية ويمكن تخزينه لمدة طويلة، وبالمثل، يتم تخزين الكربون في الصخور (ويفضل أن يكون كربونات) على المدى الطويل (وهذا في الواقع يُعتقد أنه بديل قابل للتطبيق لعزل الكربون لمنع تغير المناخ)
ثقب طبقة الأوزون تعرف طبقة الأوزون بأنها جزء من الغلاف الجوي المحيط بالأرض، وهي متمركزة في الجزء السفلي من طبقة الستراتوسفير، وتتميز بلونها الأزرق، وسميت بهذا الاسم كونها تحتوي على كميات مكثفة من غاز الأوزون، ولا بدّ من الإشارة إلى أنها طبقة يتحول فيها جزء من غاز الأوكسجين إلى غاز الأوزون، وذلك بفعل الأشعة فوق البنفسجية التي تصدرها الشمس، علماً أنها تتأثر بأشعة الشمس القوية نظراً لعدم وجود طبقات سميكة من الهواء لحمايتها، الأمر الذي أدّى لحدوث ثقب فيها، وفي هذا المقال سنعرفكم عليه أكثر. آلية تآكل طبقة الأوزون تتحطّم مركبات الكلوروفلوركربون CFCs بفعل الأشعة فوق البنفسجية، الأمر الذي يساهم في إطلاق ذرة الكلور منه، وبالتالي تصبح نشطةً لوحدها. يحدث تفاعل بين ذرة الكلور النشطة وجزيء من غاز الأوزون. ينتج من التفاعل السابق جزيء أكسجين وأول أكسيد الكلورين. يحدث تفاعل بين ذرة الأكسجين النشطة وأول أكسيد الكلور، حيث تنطلق ذرة الكلور النشطة من أجل تحطيم جزيء أوزون جديد، وبهذا تتم الدورة. أسباب ثقب الأوزون أسباب طبيعية البراكين: تؤدي البراكين إلى قذف حوالي 12 مليون طناً من الغبار والرماد بشكلٍ سنوي إلى الجو، حيث تتطاير فيه، ثمّ تتشكل على هيئة غيوم يتراوح سمكها حوالي 26كم. الملوثات العضوية: يتحول أكسيد الكربون إلى حمض النتريك الذي يحتوي على أكسيد النيتروجين السام، وهو أكسيد يلون الجو ويحول الرؤية فيه إلى رؤية ضبابية وصعبة، وذلك بسبب تركّزه بكميات كبيرة في الطبقات السفلى من الغلاف الجوي، الأمر الذي يحدث اختزالاً ضوئياً لثاني أكسيد النيتروجين فيتحول إلى أكسيد النيتروجين، في حين أن الأكسجين يتفاعل مع جزيء آخر، وذلك عن طريق الأشعة فوق البنفسجية، الأمر الذي يؤدي لتكوّن مجموعات نشطة تدخل في سلسلة من التفاعلات التي تؤثر سلباً على طبقة الأوزون. العوامل الجوفيزيائية: يعود سبب نضوب طبقة الأوزون في الجزء الشمالي من الكرة الأرضية إلى عوامل جيوفيزيائية ترتبط بالنشاط الشمسي، وبالأعاصير. أسباب صناعية الاحتراقات: مثل: احتراقات النفط، والغاز الطبيعي، والفحم. عوادم السيارات والطائرات: تطلق السيارات الرصاص وأول أكسيد الكربون اللذين يتصاعدان إلى أعلى دون أن يتفككا، في حين أن الطائرات تخدش الارتفاعات القريبة من طبقة التراتوسفير. التفجيرات الذرية والنووية: ينتج عن هذه التفجيرات كميات كبيرة من أكاسيد النيتروجين، التي تعمل على تحليل الأكسجين بالجو، الأمر الذي يؤدي إلى نضوب طبقة الأوزون. البخاخات الضارة: تحتوي البخاخات المضغوطة على مواد كيميائية تكون في الحالة الغازية، وعادةً ما تستخدم هذه البخاخات لمكافحة الحشرات، حيث يطلق عليها اسم "الإيروسولات"، والمقطع الأخير منها "سول" هو غاز طويل الأجل وغير طبيعي يتم تصنيعه، الأمر الذي يمنحه فرصة الصعود لطبقة الجو العليا، مما يؤدي إلى تحليل الأوزون إلى جزيئات. إطلاق الصواريخ إلى الفضاء: تحتاج عملية إطلاق الصورايخ إلى الفضاء لعميات حرق كبيرة، مما يؤدي إلى إنتاج كميات كبيرة من غاز الكلور والنيتروجين التي تدمر هذه الطبقة. الأضرار الناتجة عن تآكل طبقة الأوزون أضرار بشرية تكوّن سحابة سوادء تعرف باسم "الضباب الدخاني" تظل عالقةً في الجو، الأمر الذي يؤثر على قدرة الإنسان على التنفس، وبالتالي يؤدي إلى اختناقه، ثمّ وفاته. إضعاف كفاءة جهاز المناعة لدى الإنسان، الأمر الذي يزيد احتمالية إصابته بالفيروسات وبالبكتيريا، مثل: مرض الجرب والدرن. تكوّن مياه بيضاء أو زرقاء على العين، إضافةً إلى احتمالية إصابتها بالعتم. إصابة الإنسان بالأورام والسرطانات، خاصة سرطان الجلد. زيادة خطر الإصابة بحروق الشمس. ظهور عوامل الشيخوخة المبكرة.
