Химический цикл - Chemical cycling - Wikipedia

Пример химического цикла, схематическое изображение цикла азота на Земле. Этот процесс приводит к непрерывной переработке газообразного азота с участием океана.

Химический цикл описывает системы повторяющейся циркуляции химических веществ между другими соединениями, состояниями и материалами и возврата к их исходному состоянию, которая происходит в космосе и на многих объектах в космосе, включая Землю. Известно, что активные химические циклы происходят в звездах, многих планетах и ​​естественных спутниках.

Химический цикл играет большую роль в поддержании планетарной атмосферы, жидкостей и биологических процессов и может сильно влиять на погоду и климат. Некоторые химические циклы высвобождают Возобновляемая энергия, другие могут вызвать сложные химические реакции, органические соединения и пребиотическая химия. На земных телах, таких как Земля, химические циклы с участием литосфера известны как геохимические циклы. Постоянные геохимические циклы - один из главных атрибутов геологически активных миров. Химический цикл с участием биосферы известен как биогеохимический цикл.

Солнце, другие звезды и звездные системы

У большинства водородосодержащих звезд, включая солнце, происходит химический цикл, участвующий в звездном нуклеосинтезе, который известен как углерод-азот-кислород или (Цикл CNO ). Помимо этого цикла у звезд есть еще и гелиевый цикл.^[1] Было обнаружено, что в галактиках происходят различные циклы с участием газа и пыли.^[2]

Венера

Большинство известных химических циклов на Венера связаны с его плотной атмосферой и соединениями углерода и серы, наиболее важным из которых является сильный цикл двуокиси углерода.^[3] Отсутствие полного цикла углерода, включая геохимический цикл углерода, например, считается причиной его возникновения. безудержный парниковый эффект из-за отсутствия значительного стока углерода.^[4] Также происходят циклы серы, включая циклы оксида серы, оксид серы в верхних слоях атмосферы, что приводит к присутствию серная кислота^[5] в свою очередь возвращается к оксидам посредством фотолиза.^[6] Показания также предполагают, что цикл озона на Венере похож на цикл Земли.^[7]

земной шар

Земли круговорот воды.

На Земле существует ряд различных типов химических циклов, геохимических циклов. Биогеохимические циклы играют важную роль в поддержании биосферы. Известные активные химические циклы на Земле включают:

• Цикл углерода - состоящий из атмосферный углеродный цикл (и цикл двуокиси углерода), земной биологический цикл углерода, океанический углеродный цикл и геологический цикл углерода
• Азотный цикл - который преобразует азот между его формами посредством фиксация, аммонификация, нитрификация, и денитрификация
• Кислородный цикл и Озоно-кислородный цикл - а биогеохимический цикл циркулирующего кислорода между атмосферой, биосфера (глобальная сумма всех экосистем), а литосфера
• Озоново-кислородный цикл - постоянно регенерирует озон в атмосфере и преобразует ультрафиолетовая радиация (УФ) в тепло
• Круговорот воды - непрерывно перемещает воду по поверхности, над и под поверхностью, переключаясь между состояниями жидкости, раствора, льда и пара
• Метановый цикл - перемещает метан между геологическими и биогеохимическими источниками и реакциями в атмосфере
• Водородный цикл - биогеохимический цикл, вызванный сочетанием биологических и абиологических процессов
• Цикл фосфора - движение фосфора через литосферу, гидросферу и биосферу
• Серный цикл - биогеохимический процесс, приводящий к минерализации органической серы, окислению, восстановлению и включению в органические соединения
• Карбонатно-силикатный цикл трансформирует силикат скалы для карбонат скалы выветривание и осаждение и превращает карбонатные породы обратно в силикаты путем метаморфизм и магматизм.^[8]
• Рок-цикл - переключает породу между тремя формами: осадочной, метаморфической и магматической.
• Цикл Меркурия - биогеохимический процесс, при котором встречающаяся в природе ртуть биоаккумулируется перед рекомбинацией с серой и возвращением в геологические источники в виде отложений

Другие химические циклы включают пероксид водорода.^[9]

Марс

Возможные источники предполагаемого Марсианский метан цикл.

Недавние данные свидетельствуют о том, что химические циклы, подобные земным, происходят в меньшем масштабе на Марс, чему способствует тонкая атмосфера, включая углекислый газ (и, возможно, углерод),^[10] воды,^[11] сера^[12] метан^[13] кислород,^[14] озон^[15] и азот^[16] циклы. Многие исследования указывают на значительно более активные химические циклы на Марсе в прошлом, однако слабый парадокс молодого Солнца оказалось проблематичным при определении химических циклов, включенных в ранние климатические модели планеты.^[17]

Юпитер

Газовые торы Юпитера, образованные Ио (зеленый) и Европа (синий)

Юпитер, как и все газовые гиганты, имеет атмосферный метан цикл.^[18] Недавние исследования указывают на гидрологический цикл воды-аммиака, сильно отличающегося от типа, действующего на планетах земной группы, таких как Земля^[18] а также цикл сероводород.^[19]

На спутниках Юпитера существуют значительные химические циклы. Недавние свидетельства указывают на Европа обладающий несколькими активными циклами, в первую очередь круговоротом воды.^[20] Другие исследования предполагают наличие кислорода^[21] и радиационно-индуцированный диоксид углерода^[18] цикл. Ио и Европа, по-видимому, имеют циклы радиолитической серы, затрагивающие их литосферы.^[22] Вдобавок считается, что Европа имеет цикл двуокиси серы.^[18] В дополнение Ио плазменный тор способствует круговороту серы на Юпитере и Ганимед.^[23] Исследования также предполагают активные кислородные циклы на Ганимеде.^[24] и кислородный и радиолитический углекислый газ циклы на Каллисто.^[18]

Сатурн

График, изображающий механизмы метанологического цикла Титана.

В добавление к Сатурн метановый цикл^[18] некоторые исследования предполагают, что цикл аммиака, вызванный фотолизом, подобен циклу Юпитера.^[25]

Особый интерес представляют циклы его спутников. Наблюдения Кассини – Гюйгенс из Титан атмосфера России и взаимодействия с ее жидкой мантией приводят к возникновению нескольких активных химических циклов, включая метан,^[26] углеводород^[27] водород^[28] и углерод^[29] циклы. Энцелад имеет активный гидрологический, силикатный и, возможно, азотный цикл.^[30][31]

Уран

Уран имеет активный метановый цикл.^[32] Метан превращается в углеводороды посредством фотолиза, который конденсируется и по мере нагревания выделяет метан, который поднимается в верхние слои атмосферы.

Исследования Grundy et al. (2006) указывают на то, что циклы активного углерода Титания, Умбриэль и Ариэль и Оберон из-за продолжающейся сублимации и осаждения диоксида углерода, хотя некоторые из них теряются в космосе в течение длительных периодов времени.^[33]

Нептун

Нептун внутреннее тепло и конвекция запускают циклы метана,^[18] углерод^[34] и комбинация других летучих веществ в литосфере Тритона.^[35]

Модели предсказали наличие сезонных циклов азота на Луне Тритон,^[36] однако до настоящего времени это не подтверждено наблюдениями.

Система Плутон-Харон

Модели предсказывают сезонный цикл азота на Плутон^[37] и наблюдения Новые горизонты кажется, чтобы поддержать это.

Рекомендации

1. Фортов Владимир Евгеньевич (26 декабря 2015 г.). Экстремальные состояния материи: физика высокой плотности энергии. Springer. С. 97–. ISBN  978-3-319-18953-6.
2. Палоуш, Ян (2007). «Звездно-газовый цикл в галактиках». Труды Международного астрономического союза. 2 (S235): 268–270. Bibcode:2007IAUS..235..268P. Дои:10.1017 / S1743921306006569. ISSN  1743-9213.
3. Миллс, Франклин П.; Аллен, Марк (2007). «Обзор избранных вопросов, касающихся химии средней атмосферы Венеры». Планетарная и космическая наука. 55 (12): 1729–1740. Bibcode:2007P & SS ... 55.1729M. Дои:10.1016 / j.pss.2007.01.012. ISSN  0032-0633.
4. Ник Штробель. "Венера". Архивировано из оригинал на 2007-02-12. Получено 17 февраля 2009.
5. Джессап, Кандис Ли; Марк, Эммануэль; Миллс, Франклин; Махье, Арно; Лимай, Санджай; Уилсон, Колин; Аллен, Марк; Берто, Жан-Лу; Маркевич, Войцех; Роман, Тони; Вандаэле, Анн-Карин; Уилке, Валери; Юнг, Юк (2015). "Скоординированные наблюдения космического телескопа Хаббла и Venus Express верхней облачной палубы Венеры". Икар. 258: 309–336. Bibcode:2015Icar..258..309J. Дои:10.1016 / j.icarus.2015.05.027. ISSN  0019-1035.
6. Чжан, Си; Лян, Мао-Чанг; Монтмессен, Франк; Берто, Жан-Лу; Паркинсон, Кристофер; Юнг, Юк Л. (2010). «Фотолиз серной кислоты как источник оксидов серы в мезосфере Венеры» (PDF). Природа Геонауки. 3 (12): 834–837. Bibcode:2010NatGe ... 3..834Z. Дои:10.1038 / ngeo989. ISSN  1752-0894.
7. Montmessin, F .; Bertaux, J.-L .; Lefèvre, F .; Marcq, E .; Беляев, Д .; Gérard, J.C .; Кораблев, О .; Федорова, А .; Сараго, В .; Вандаэле, A.C. (2011). «Слой озона обнаружен в верхних слоях атмосферы Венеры» (PDF). Икар. 216 (1): 82–85. Bibcode:2011Icar..216 ... 82M. Дои:10.1016 / j.icarus.2011.08.010. ISSN  0019-1035.
8. Бернер, Роберт; Лазага, Антонио; Гаррелс, Роберт (сентябрь 1983 г.). «Карбонатно-силикатный геохимический цикл и его влияние на двуокись углерода в атмосфере за последние 100 миллионов лет» (PDF). Американский журнал науки. 283 (7): 641–683. Bibcode:1983AmJS..283..641B. Дои:10.2475 / ajs.283.7.641. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-03-26. Получено 3 февраля, 2015.
9. Allen, Nicholas D.C .; Гонсалес Абад, Гонсало; Бернат, Питер Ф .; Бун, Крис Д. (2013). «Спутниковые наблюдения за глобальным распределением перекиси водорода (H2O2) от ACE». Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения. 115: 66–77. Bibcode:2013JQSRT.115 ... 66A. Дои:10.1016 / j.jqsrt.2012.09.008. ISSN  0022-4073.
10. Эдвардс, Кристофер С .; Эльманн, Бетани Л. (2015). «Секвестрация углерода на Марсе». Геология. 43 (10): 863–866. Bibcode:2015Гео .... 43..863E. Дои:10.1130 / G36983.1. ISSN  0091-7613.
11. Махтуб, Г. (2012). «Моделирование гидрологического цикла на Марсе». Журнал достижений в моделировании земных систем. 4 (1): M03001. Bibcode:2012 ДЖЕЙМС ... 4.3001M. Дои:10.1029 / 2011MS000069. ISSN  1942-2466.
12. King, P.L .; МакЛеннан, С. М. (2010). «Сера на Марсе». Элементы. 6 (2): 107–112. Дои:10.2113 / gselements.6.2.107. ISSN  1811-5209.
13. Рэй, Джеймс Дж .; Эльманн, Бетани Л. (2011). «Геология возможных регионов марсианских источников метана». Планетарная и космическая наука. 59 (2–3): 196–202. Bibcode:2011P & SS ... 59..196Вт. Дои:10.1016 / j.pss.2010.05.006. ISSN  0032-0633.
14. Фаркуар, Джеймс; Тименс, Марк Х. (2000). «Кислородный цикл системы марсианская атмосфера-реголит: Δ17O вторичных фаз в Нахле и Лафайете». Журнал геофизических исследований: планеты. 105 (E5): 11991–11997. Bibcode:2000JGR ... 10511991F. Дои:10.1029 / 1999JE001194. ISSN  0148-0227.
15. Монтмессен, Франк; Лефевр, Франк (2013). «Транспортное образование полярного озонового слоя на Марсе». Природа Геонауки. 6 (11): 930–933. Bibcode:2013НатГе ... 6..930М. Дои:10.1038 / ngeo1957. ISSN  1752-0894.
16. Boxe, C.S .; Рука, К.П .; Nealson, K.H .; Yung, Y.L .; Саиз-Лопес, А. (2012). «Активный круговорот азота на Марсе, достаточный для поддержания подповерхностной биосферы». Международный журнал астробиологии. 11 (2): 109–115. Bibcode:2012IJAsB..11..109B. Дои:10.1017 / S1473550411000401. ISSN  1473-5504.
17. Вордсворт, Р.; Забудьте, F .; Millour, E .; Head, J.W .; Madeleine, J.-B .; Чарне, Б. (2013). «Глобальное моделирование раннего марсианского климата в более плотной атмосфере CO2: круговорот воды и эволюция льда». Икар. 222 (1): 1–19. arXiv:1207.3993. Bibcode:2013Icar..222 .... 1Вт. Дои:10.1016 / j.icarus.2012.09.036. ISSN  0019-1035. S2CID  14765875.
18. Фран Багенал; Тимоти Э. Доулинг; Уильям Б. Маккиннон (5 марта 2007 г.). Юпитер: планета, спутники и магнитосфера. Издательство Кембриджского университета. С. 138–. ISBN  978-0-521-03545-3.
19. Палотаи, Чаба; Доулинг, Тимоти Э .; Флетчер, Ли Н. (2014). «Трехмерное моделирование взаимодействия аммиачных облаков Юпитера с большими антициклонами». Икар. 232: 141–156. Bibcode:2014Icar..232..141P. Дои:10.1016 / j.icarus.2014.01.005. ISSN  0019-1035.
20. Каттенхорн, Саймон А .; Проктер, Луиза М. (2014). «Доказательства субдукции ледяной оболочки Европы». Природа Геонауки. 7 (10): 762–767. Bibcode:2014НатГе ... 7..762К. Дои:10.1038 / ngeo2245. ISSN  1752-0894.
21. Рука, Кевин П .; Chyba, Christopher F .; Карлсон, Роберт В .; Купер, Джон Ф. (2006). «Клатратные гидраты окислителей в ледяной оболочке Европы». Астробиология. 6 (3): 463–482. Bibcode:2006AsBio ... 6..463H. Дои:10.1089 / ast.2006.6.463. ISSN  1531-1074. PMID  16805702.
22. Battaglia, Стивен М .; Стюарт, Майкл А .; Киффер, Сьюзан В. (июнь 2014 г.). «Теотермический (сера) цикл Ио - литосферный цикл, выведенный из моделирования растворимости серы в притоке магмы Пеле». Икар. 235: 123–129. Bibcode:2014Icar..235..123B. Дои:10.1016 / j.icarus.2014.03.019.
23. Ченг, Эндрю Ф. (1984). «Побег серы и кислорода с Ио». Журнал геофизических исследований. 89 (A6): 3939. Bibcode:1984JGR .... 89.3939C. Дои:10.1029 / JA089iA06p03939. ISSN  0148-0227.
24. Видаль, РА; Bahr, D; Барагиола, РА; Петерс, М. (1997). «Кислород на Ганимеде: лабораторные исследования». Наука. 276 (5320): 1839–42. Bibcode:1997Sci ... 276.1839V. Дои:10.1126 / science.276.5320.1839. PMID  9188525. S2CID  27378519.
25. West, R.A .; Baines, K. H .; Каркошка, Э .; Санчес-Лавега, А. (2009). Облака и аэрозоли в атмосфере Сатурна. Сатурн от Кассини-Гюйгенса. С. 161–179. Bibcode:2009sfch.book..161W. Дои:10.1007/978-1-4020-9217-6_7. ISBN  978-1-4020-9216-9.
26. Атрея, Сушил К .; Адамс, Елена Ю .; Niemann, Hasso B .; Демик-Монтелара, Хайме Э .; Оуэн, Тобиас С.; Фульчиньони, Марчелло; Ферри, Франческа; Уилсон, Эрик Х. (2006). «Метановый цикл Титана». Планетарная и космическая наука. 54 (12): 1177–1187. Bibcode:2006P & SS ... 54.1177A. Дои:10.1016 / j.pss.2006.05.028. ISSN  0032-0633.
27. Tobie, G; Choukroun, M; Grasset, O; Ле Муэлик, S; Lunine, J.I; Сотин, К; Буржуа, О; Готье, Д; Hirtzig, M; Лебоннуа, S; Ле Корре, Л. (2009). «Эволюция Титана и последствия для его углеводородного цикла». Философские труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 367 (1889): 617–631. Bibcode:2009RSPTA.367..617T. Дои:10.1098 / rsta.2008.0246. ISSN  1364-503X. PMID  19073458. S2CID  1165160.
28. Лебоннуа, С. Себастьен; Bakes, E.L.O .; Маккей, Кристофер П. (2003). «Бюджет атомарного и молекулярного водорода в атмосфере Титана». Икар. 161 (2): 474–485. Bibcode:2003Icar..161..474L. CiteSeerX  10.1.1.524.6156. Дои:10.1016 / S0019-1035 (02) 00039-8. ISSN  0019-1035.
29. Choukroun, M .; Сотин, К. (2012). «Форма Титана вызвана его метеорологией и углеродным циклом?». Письма о геофизических исследованиях. 39 (4): н / д. Bibcode:2012GeoRL..39.4201C. Дои:10.1029 / 2011GL050747. ISSN  0094-8276.
30. Parkinson, C.D .; Liang, M.-C .; Hartman, H .; Hansen, C.J .; Tinetti, G .; Meadows, V .; Киршвинк, Дж. Л .; Юнг, Ю. Л. (2007). «Энцелад: наблюдения Кассини и их значение для поиска жизни» (PDF). Астрономия и астрофизика. 463 (1): 353–357. Bibcode:2007A&A ... 463..353P. Дои:10.1051/0004-6361:20065773. ISSN  0004-6361.
31. Паркинсон, Кристофер Д.; Лян, Мао-Чанг; Yung, Yuk L .; Киршивнк, Джозеф Л. (2008). «Обитаемость Энцелада: планетарные условия для жизни». Истоки жизни и эволюция биосфер. 38 (4): 355–369. Bibcode:2008 ОЛЕБ ... 38..355П. Дои:10.1007 / s11084-008-9135-4. ISSN  0169-6149. PMID  18566911. S2CID  15416810.
32. Ричард Шмуде младший (29 июня 2009 г.). Уран, Нептун и Плутон и как их наблюдать. Springer Science & Business Media. С. 67–. ISBN  978-0-387-76602-7.
33. Гранди, В. М .; Янг, Л. А .; Spencer, J. R .; Johnson, R.E .; Янг, Э. Ф .; Буйе, М. В. (октябрь 2006 г.). "Распределения H₂O и CO₂ льды на Ариэле, Умбриэле, Титании и Обероне из наблюдений IRTF / SpeX ". Икар. 184 (2): 543–555. arXiv:0704.1525. Bibcode:2006Icar..184..543G. Дои:10.1016 / j.icarus.2006.04.016. S2CID  12105236.
34. Дейл П. Крукшанк; Милдред Шепли Мэтьюз; А. М. Шуман (1995). Нептун и Тритон. Университет Аризоны Press. С. 500–. ISBN  978-0-8165-1525-7.
35. Стивен М. Батталья (2013). «Переработка летучей литосферы внешних ледяных спутников и транснептуновых объектов, полученная на основе термоградиентного моделирования ледяной оболочки Тритона». Геологическое общество Америки.
36. Хансен, Кэндис Дж .; Пейдж, Дэвид А. (1992). «Тепловая модель сезонного цикла азота на Тритоне». Икар. 99 (2): 273–288. Bibcode:1992Icar ... 99..273H. Дои:10.1016 / 0019-1035 (92) 90146-Х. ISSN  0019-1035.
37. Хансен, Кэндис Дж .; Пейдж, Дэвид А. (1996). «Сезонные циклы азота на Плутоне». Икар. 120 (2): 247–265. Bibcode:1996Icar..120..247H. CiteSeerX  10.1.1.26.4515. Дои:10.1006 / icar.1996.0049. ISSN  0019-1035.