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산소 순환

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목차

1. 개요

산소 순환은 지구의 산소 저장소와 그 사이의 산소 이동을 설명한다. 산소는 지각과 맨틀의 규산염과 산화 광물에 가장 많이 저장되어 있으며, 광합성을 통해 이산화탄소와 물로부터 생성된다. 대기 중 산소는 광해리, 강수, 부패 및 풍화를 통해 손실된다. 산소 순환은 대기, 생물권, 암석권 사이에서 이루어지며, 해양 생물이 지구 전체 산소 생산량의 절반 이상을 차지한다.

2. 산소의 저장소

산소는 지각과 맨틀의 규산염, 산화 광물 안에 가장 많이 들어 있다(99.5%). 극히 일부만 자유 산소로 생물권과 대기로 방출된다.[1] 대기 중 산소는 주로 광합성을 통해 생성되며, 이산화탄소와 물로부터 당분과 산소가 만들어진다.[1]

: 6CO2 + 6H2O + 에너지 → C6H12O6 + 6O2

광해리를 통해서도 대기 산소가 만들어진다. 고에너지 자외선이 대기 중 물과 아산화질소를 분자 원자로 분리하면, 자유 H 및 N 원자가 대기의 O2에서 빠져나온다.[1]

: 2H2O + 에너지 → 4H + O2

: 2N2O + 에너지 → 4N + O2

대기 중 산소는 강수와 부패 과정에서 짐승과 박테리아에 의해 소비되고 이산화탄소가 방출되면서 감소한다.[1] 또한, 암권 광물이 산소로 산화되어 노출된 암석이 풍화 작용을 일으킬 때도 산소가 소비될 수 있다. 산화 철(녹) 형성이 풍화 작용의 한 예이다.[1]

: 4FeO + O2 → 2Fe2O3

산소는 생물권과 암석권 사이에서도 순환한다. 해양 생물은 산소가 풍부한 탄산 칼슘 물질(CaCO3)을 생성하는데, 생물이 죽으면 껍질이 해저에 쌓여 석회암을 형성한다. 또한, 식물과 짐승은 암석에서 영양 물질을 얻는 과정에서 산소를 방출하기도 한다.[1]

2. 1. 지권 (암석권)

지각과 맨틀의 규산염, 산화 광물 안에 산소가 가장 많이 들어 있다. (99.5%)[1] 극히 일부만이 자유 산소로서 생물권과 대기로 방출된다.[1]

암권 광물이 산소로 산화되어 있으므로, 노출된 암석이 풍화를 일으키면 산소를 소비할 수도 있다.[1] 풍화 작용의 한 예로 산화 철(녹) 형성이 있다.[1]

: 4FeO + O2 → 2Fe2O3

산소는 생물권과 암석권 사이에서 순환하기도 한다.[1] 생물권의 해양생물은 산소가 풍부한 탄산 칼슘 물질(CaCO3)을 만들어낸다.[1] 생물이 죽으면 껍질은 깊은 해저에 분해되어 오랜 시간 묻히면 암석권에서 석회암을 만들어낸다.[1] 생물이 만들어낸 풍화 작용은 암석으로부터 산소를 가져오기도 한다.[1] 식물과 짐승은 암석으로부터 영양 물질을 가져와서 이 과정이 일어나는 가운데 산소를 내보낸다.[1]

지권은 부피 기준으로 46.6%가 산소이며, 주로 실리카 광물 (SiO2) 및 기타 산화물 광물 형태로 존재한다.[1]

2. 2. 수권

수권은 부피 기준으로 33%가 산소이며, 주로 물 분자의 구성 성분으로 존재한다. 용존 분자에는 자유 산소와 탄산(HxCO3)이 포함된다.[7]

2. 3. 대기권

지각과 맨틀에 대부분의 산소가 규산염과 산화 광물 형태로 들어있다. (99.5%) 극히 일부만이 자유 산소로서 생물권과 대기로 방출된다. 대기권 산소의 주 원천은 광합성이며, 광합성은 이산화탄소와 물로부터 당분과 산소를 만든다.

: 6CO2 + 6H2O + 에너지 → C6H12O6 + 6O2

대기 산소는 광해리에서도 나온다. 고에너지 자외선은 대기의 물과 아산화질소를 분자 원자로 분리시킨다. 자유 H 및 N 원자는 대기의 O2에서 빠져나온다.

: 2H2O + 에너지 → 4H + O2

: 2N2O + 에너지 → 4N + O2

대기에서 산소를 잃는 주된 요인은 강수와 부패이며, 짐승과 박테리아는 산소를 소비하고 이산화탄소를 내보낸다. 암권 광물이 산소로 산화되어 있으므로 노출되어 있는 암석이 풍화를 일으키면 산소를 소비할 수도 있다. 풍화 작용의 한 예로 산화 철(녹)의 형성이 있다.

: 4FeO + O2 → 2Fe2O3

산소는 생물권과 암석권 사이에서 순환하기도 한다. 생물권의 해양생물은 산소가 풍부한 탄산 칼슘 물질(CaCO3)을 만들어낸다. 생물이 죽으면 껍질은 깊은 해저 위에 분해되어 오랜 시간 묻히면 암석권에서 석회암을 만들어낸다. 생물이 만들어낸 풍화 작용은 암석으로부터 산소를 가져오기도 한다. 식물과 짐승은 암석으로부터 영양 물질을 가져와서 이 과정이 일어나는 가운데 산소를 내보낸다.

대기에 산소가 존재하면 성층권에 오존(O3)과 오존층을 만든다. 이 오존층은 해로운 자외선을 흡수하므로 생물에 매우 중요하다.[5]

:O2 + 자외선 에너지 → 2O

:O + O2 → O3

대기는 부피 기준으로 21%의 산소를 포함하며, 이는 대략 34 × 1018 몰의 산소에 해당한다.[5] 대기 중의 다른 산소 함유 분자에는 오존(O3), 이산화 탄소(CO2), 수증기(H2O), 황 및 질소 산화물(SO2, NO, N2O 등)이 있다.

2. 4. 생물권

지각과 맨틀의 규산염, 산화 광물 안에 산소가 가장 많이 들어 있다(99.5%). 극히 일부만이 자유 산소로서 생물권과 대기로 방출된다. 대기권 산소의 주 원천은 광합성이며, 광합성은 이산화탄소와 물로부터 당분과 산소를 만든다.

: 6CO2 + 6H2O + 에너지 → C6H12O6 + 6O2

대기 산소는 광해리에서도 나오는데, 여기서 고에너지 자외선은 대기의 물과 아산화질소를 분자 원자로 분리시킨다. 자유 H 및 N 원자는 대기의 O2에서 빠져나온다.

: 2H2O + 에너지 → 4H + O2

: 2N2O + 에너지 → 4N + O2

대기에서 산소를 잃는 주된 요인은 강수와 부패이며, 여기서 짐승과 박테리아는 산소를 소비하고 이산화탄소를 내보낸다.

암권 광물이 산소로 산화되어 있으므로, 노출되어 있는 암석이 풍화를 일으키면 산소를 소비할 수도 있다. 풍화 작용의 한 예로 산화 철(녹)의 형성이 있다.

: 4FeO + O2 → 2Fe2O3

산소는 생물권과 암석권 사이에서 순환하기도 한다. 생물권의 해양생물은 산소가 풍부한 탄산 칼슘 물질(CaCO3)을 만들어낸다. 생물이 죽으면 껍질은 깊은 해저 위에 분해되어 오랜 시간 묻히면 암석권에서 석회암을 만들어낸다. 생물이 만들어낸 풍화 작용은 암석으로부터 산소를 가져오기도 한다. 식물과 짐승은 암석으로부터 영양 물질을 가져와서 이 과정이 일어나는 가운데 산소를 내보낸다.

생물권은 부피상 22%가 산소로 구성되어 있으며, 이는 주로 유기 화합물(CxHxNxOx)과 물의 구성 요소로 존재한다.

3. 산소의 생성과 소멸

산소는 지각과 맨틀의 규산염, 산화 광물에 가장 많이 저장되어 있으며(99.5%), 극히 일부만이 자유 산소 형태로 생물권과 대기로 방출된다. 대기 중 산소는 광합성과 광해리를 통해 생성된다. 광합성은 이산화탄소와 물을 이용하여 당분과 산소를 만드는 과정이다.[8][9][10][11]

: 6CO2 + 6H2O + 에너지 → C6H12O6 + 6O2

광해리는 고에너지 자외선이 대기 중의 물과 아산화질소를 분자 원자로 분리시키는 과정이다.

: 2H2O + 에너지 → 4H + O2

: 2N2O + 에너지 → 4N + O2

대기 중 산소는 주로 호흡과 분해를 통해 소멸되며, 동물과 박테리아가 산소를 소비하고 이산화탄소를 배출한다. 암석의 풍화 작용 또한 산소를 소비하는데, 예를 들어 산화 철(녹)이 형성될 때 산소가 소모된다.

: 4FeO + O2 → 2Fe2O3

산소는 생물권과 암석권 사이에서도 순환한다. 해양 생물은 산소가 풍부한 탄산 칼슘을 생성하고, 이는 석회암 형성에 기여한다. 또한, 생물은 암석으로부터 영양 물질을 얻는 과정에서 산소를 방출하기도 한다.

대기에 산소가 존재하면 성층권에 오존(O3)과 오존층이 형성된다. 오존층은 해로운 자외선을 흡수하여 생물에게 매우 중요하다.[8][9][10][11]

:O2 + 자외선 에너지 → 2O

:O + O2 → O3

3. 1. 생물학적 생성

대기 중 자유 산소의 주요 공급원은 광합성이며, 이 과정에서 이산화 탄소와 물로부터 설탕과 자유 산소가 생성된다.[8][9][10][11]

: 6CO2 + 6H2O + 에너지 → C6H12O6 + 6O2

광합성을 하는 생물에는 육지의 식물과 바다의 식물성 플랑크톤이 있다. 1986년에 발견된 작은 해양 시아노박테리아인 ''프로클로로코쿠스''는 열린 바다에서 일어나는 광합성의 절반을 차지한다.[15][16] 세균에 의한 산소 발생 광합성의 진화는 대산소화 사건의 일부로 논의되며, 모든 복잡한 진핵생물 신진대사의 발달과 존재를 허용하는 조건에 직접적으로 책임이 있는 것으로 생각된다.[12][13][14] 생물학은 현대 지구에서 O2 플럭스의 주요 동인이다.

3. 2. 비생물학적 생성

대기 중 산소는 광해리를 통해서도 생성된다. 고에너지 자외선이 대기 중의 물과 아산화질소를 분자 원자로 분리시키면, 자유 수소(H) 및 질소(N) 원자는 대기 중의 산소(O2)에서 떨어져 나간다.[8][9][10][11]

: 2H2O + 에너지 → 4H + O2

: 2N2O + 에너지 → 4N + O2

이와 더불어, 대기 중 유리 산소는 고에너지 자외선 복사에 의해 대기 중의 물과 아산화질소가 구성 원자로 분해되는 광분해를 통해서도 공급된다. 이때 유리된 수소와 질소 원자는 우주로 탈출하고, 대기 중에는 O2가 남게 된다.

:\mathrm{2 \ H_2O + 에너지 \longrightarrow 4 \ H + O_2}

:\mathrm{2 \ N_2O + 에너지 \longrightarrow 4 \ N + O_2}

3. 3. 생물학적 소멸

대기에서 산소를 잃는 주된 요인은 호흡과 분해이며, 이 과정에서 동물과 박테리아는 산소를 소비하고 이산화탄소를 배출한다.[8][9][10][11]

3. 4. 비생물학적 소멸

대기에서 산소를 잃는 주된 요인은 강수와 부패이며, 여기서 짐승과 박테리아는 산소를 소비하고 이산화탄소를 내보낸다.[8][9][10][11] 암권 광물이 산소로 산화되어 있으므로, 노출되어 있는 암석이 풍화를 일으키면 산소를 소비할 수도 있다. 풍화 작용의 한 예로 산화 철(녹)의 형성이 있다.

: 4FeO + O2 → 2Fe2O3

산소는 생물권과 암석권 사이에서 순환하기도 한다. 생물권의 해양생물은 산소가 풍부한 탄산 칼슘 물질(CaCO3)을 만들어낸다. 생물이 죽으면 껍질은 깊은 해저 위에 분해되어 오랜 시간 묻히면 암석권에서 석회암을 만들어낸다. 생물이 만들어낸 풍화 작용은 암석으로부터 산소를 가져오기도 한다. 식물과 짐승은 암석으로부터 영양 물질을 가져와서 이 과정이 일어나는 가운데 산소를 내보낸다.

4. 오존층

대기에 산소가 존재하면 성층권에 오존(O3)과 오존층을 만든다. 이 오존층은 해로운 자외선을 흡수하므로 생물에 매우 중요하다.

:O2 + 자외선 에너지 → 2O

:O + O2 → O3

오존층은 유해한 자외선을 흡수하기 때문에 현대 생명에 극도로 중요하다.

5. 산소 순환

산소는 지각과 맨틀의 규산염, 산화 광물에 가장 많이 저장되어 있으며(99.5%), 극히 일부만이 자유 산소 형태로 생물권과 대기로 방출된다.[9] 대기 중 산소의 주요 공급원은 광합성으로, 이산화탄소와 물로부터 당분과 산소를 생성한다.

: 6CO2 + 6H2O + 에너지 → C6H12O6 + 6O2

대기 중 산소는 자외선에 의한 물과 아산화질소의 광해리를 통해서도 생성된다. 이때 생성된 자유 수소(H) 및 질소(N) 원자는 대기 중의 O2에서 빠져나간다.

: 2H2O + 에너지 → 4H + O2

: 2N2O + 에너지 → 4N + O2

대기 중 산소가 감소하는 주요 원인은 강수와 부패이다. 짐승과 박테리아는 산소를 소비하고 이산화탄소를 방출한다. 노출된 암석의 풍화 작용 또한 산소를 소비하는데, 산화 철(녹) 형성이 그 예시이다.

: 4FeO + O2 → 2Fe2O3

산소는 생물권과 암석권 사이에서도 순환한다. 해양 생물은 산소가 풍부한 탄산 칼슘(CaCO3)을 생성하고, 이들이 죽으면 껍질이 해저에 쌓여 석회암을 형성한다. 생물은 암석에서 영양 물질을 얻는 과정에서 산소를 방출하기도 한다.

현대 지구 대기와 해양에 풍부한 농도의 유리 산소가 존재하는 것은 생물학적 과정인 산소 발생 광합성에 의한 O2 생산과, 생물학적 펌프라고 알려진 생물학적 싱크, 그리고 판 구조론과 관련된 탄소 격리의 지질학적 과정에 기인한다.[8][9][10][11] 세균에 의한 산소 발생 광합성의 진화는 대산소화 사건의 일부로, 모든 복잡한 진핵생물 신진대사의 발달과 존재를 가능하게 한 조건에 직접적인 영향을 미쳤다고 여겨진다.[12][13][14]

5. 1. 산소 순환 저장소 용량 및 유량 (Flux)

산소가 가장 많은 저장소는 지각과 맨틀의 규산염과 산화 광물 안에 들어 있다. (99.5%) 극히 일부만이 자유 산소로서 생물권과 대기로 방출된다.[9] 대기는 부피 기준으로 21%의 산소를 포함하며, 이는 대략 34 × 1018 몰의 산소에 해당한다.[5] 생물권은 부피상 22%가 산소로 구성되어 있으며, 주로 유기 화합물 (CxHxNxOx)과 물의 구성 요소로 존재한다. 수권은 부피 기준으로 33%가 산소이며, 이는 주로 물 분자의 구성 성분으로 존재하며, 용존 분자에는 자유 산소와 탄산(HxCO3)이 포함된다.[7] 지권은 부피 기준으로 46.6%가 산소이며, 주로 실리카 광물 (SiO2) 및 기타 산화물 광물 형태로 존재한다.[9]

산소 순환 저장소의 용량과 플럭스(유량)에 대한 추정치는 다음 표와 같다.[9]

저장소용량
(kg O2)		유입/유출
(kg O2/년)		잔류 시간
(년)
대기
생물권50
암석권






대기 중 산소의 연간 증가 및 감소량은 다음 표와 같다. (단위: 1010 kg O2/년)[4]

증가
광합성 (육상)16,500
광합성 (해양)13,500
N2O의 광분해1.3
H2O의 광분해0.03
총 증가량~30,000
감소 - 호흡 및 부패
유산소 호흡23,000
미생물 산화5,100
화석 연료 연소 (인위적)1,200
광화학적 산화600
번개에 의한 N2 고정12
산업에 의한 N2 고정 (인위적)10
화산 가스의 산화5
감소 - 풍화
화학적 풍화50
O3의 표면 반응12
총 감소량~30,000


5. 2. 대기 중 산소의 연간 증감 (단위: 1010 kg O2/년)

대기 중 산소의 연간 증가 및 감소 (단위: 1010 kg O2/년)[4]
증가
광합성 (육상)16,500
광합성 (해양)13,500
N2O의 광분해1.3
H2O의 광분해0.03
총 증가량
~30,000
감소 - 호흡 및 부패
유산소 호흡23,000
미생물 산화5,100
화석 연료 연소 (인위적)1,200
광화학적 산화600
번개에 의한 질소 고정12
산업에 의한 N2 고정 (인위적)10
화산 가스의 산화5
감소 - 풍화
화학적 풍화50
O3의 표면 반응12
총 감소량
~30,000


참조

[1] 논문 Seasonal and interannual variations in atmospheric oxygen and implications for the global carbon cycle. 1992-08
[2] 논문 Volcanic gases, black smokers, and the great oxidation event 2002
[3] 논문 The oxygen geochemical cycle: dynamics and stability 2002
[4] 서적 Fundamentals of geobiology John Wiley & Sons . 2012
[5] 서적 Treatise on Geochemistry Elsevier 2014
[6] 논문 Electrons, life and the evolution of Earth's oxygen cycle 2008-08
[7] 웹사이트 hydrosphere - Origin and evolution of the hydrosphere {{!}} Britannica https://www.britanni[...] 2022-07-03
[8] 논문 The oxygenation of the atmosphere and oceans 2006-06
[9] 서적 The Natural Environment and the Biogeochemical Cycles Springer Berlin Heidelberg 1980
[10] 서적 Treatise on geochemistry. 2003-12
[11] 논문 The biological and geological contingencies for the rise of oxygen on Earth 2011-01
[12] 논문 Evolution of oxygenic photosynthesis. 2016-06
[13] 논문 The rise of oxygen in Earth's early ocean and atmosphere 2014-02
[14] 논문 Earth's oxygen cycle and the evolution of animal life 2016-08
[15] 논문 The Cells That Rule the Seas 2003-11
[16] 논문 Dependence of the Cyanobacterium ''Prochlorococcus'' on Hydrogen Peroxide Scavenging Microbes for Growth at the Ocean's Surface
[17] 뉴스 Source of Half Earth's Oxygen Gets Little Credit http://news.national[...] 2004-06-07
[18] 논문 New evidence for enhanced ocean primary production triggered by tropical cyclone https://digitalcommo[...]


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