หน้าที่ 6 จาก 10
บทบาทของไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศของโลก
ไนโตรเจน- องค์ประกอบหลักของชั้นบรรยากาศของโลก บทบาทหลักคือควบคุมอัตราการออกซิเดชั่นโดยการเจือจางออกซิเจน ดังนั้นไนโตรเจนจึงส่งผลต่อความเร็วและความเข้มข้นของกระบวนการทางชีวภาพ
มีสองวิธีที่สัมพันธ์กันในการสกัดไนโตรเจนจากชั้นบรรยากาศโลก:
- 1) อนินทรีย์
- 2) ทางชีวเคมี
รูปที่ 1 วัฏจักรไนโตรเจนธรณีเคมี (V.A. Vronsky, G.V. Voitkevich)
การสกัดไนโตรเจนแบบอนินทรีย์จากชั้นบรรยากาศโลก
ในชั้นบรรยากาศของโลกภายใต้อิทธิพลของการปล่อยกระแสไฟฟ้า (ในช่วงพายุฝนฟ้าคะนอง) หรือในกระบวนการของปฏิกิริยาโฟโตเคมีคอล (รังสีดวงอาทิตย์) สารประกอบไนโตรเจน (N 2 O, N 2 O 5, NO 2, NH 3 ฯลฯ ) เกิดขึ้น สารประกอบเหล่านี้เมื่อละลายในน้ำฝนจะตกลงสู่พื้นพร้อมกับการตกตะกอนและจบลงที่ดินและน้ำในมหาสมุทร
การตรึงไนโตรเจนทางชีวภาพ
การตรึงไนโตรเจนในบรรยากาศทางชีวภาพดำเนินการ:
- — ในดิน — โดยแบคทีเรียปมที่อยู่ร่วมกับพืชชั้นสูง
- - ในน้ำ - จุลินทรีย์แพลงก์ตอนและสาหร่าย
ปริมาณไนโตรเจนที่จับกับทางชีวภาพนั้นมากกว่าปริมาณไนโตรเจนคงที่แบบอนินทรีย์อย่างมีนัยสำคัญ
ไนโตรเจนกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลกได้อย่างไร?
ซากสิ่งมีชีวิตสลายตัวอันเป็นผลมาจากการกระทำของจุลินทรีย์จำนวนมาก ในระหว่างกระบวนการนี้ ไนโตรเจนซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโปรตีนของสิ่งมีชีวิต จะผ่านการเปลี่ยนแปลงหลายประการ:
- — ในระหว่างการสลายตัวของโปรตีน แอมโมเนียและอนุพันธ์ของมันจะเกิดขึ้นซึ่งจากนั้นจะเข้าสู่อากาศและน้ำทะเล
- — ต่อมาแอมโมเนียและสารประกอบอินทรีย์ที่มีไนโตรเจนอื่น ๆ ภายใต้อิทธิพลของ Nitrosomonas และแบคทีเรียไนโตรแบคทีเรียทำให้เกิดไนโตรเจนออกไซด์ต่างๆ (N 2 O, NO, N 2 O 3 และ N 2 O 5) กระบวนการนี้เรียกว่า ไนตริฟิเคชั่น,
- - กรดไนตริกทำปฏิกิริยากับโลหะจนเกิดเป็นเกลือ เกลือเหล่านี้ได้รับผลกระทบจากแบคทีเรีย denitrifying
- - อยู่ระหว่างดำเนินการ การดีไนตริฟิเคชั่นธาตุไนโตรเจนถูกสร้างขึ้นและส่งกลับคืนสู่ชั้นบรรยากาศ (ตัวอย่างคือไอพ่นก๊าซใต้ดินที่ประกอบด้วย N 2 บริสุทธิ์)
ไนโตรเจนพบที่ไหน?
ไนโตรเจนเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลกระหว่างการระเบิดของภูเขาไฟในรูปของแอมโมเนีย เมื่ออยู่ในบรรยากาศชั้นบน แอมโมเนีย (NH 3) จะถูกออกซิไดซ์และปล่อยไนโตรเจน (N 2)
ไนโตรเจนยังถูกฝังอยู่ในหินตะกอนและพบได้ในปริมาณมากในตะกอนบิทูมินัส อย่างไรก็ตาม ไนโตรเจนนี้ยังเข้าสู่ชั้นบรรยากาศผ่านการแปรสภาพของหินเหล่านี้ในระดับภูมิภาค
- ดังนั้นรูปแบบหลักของการมีอยู่ของไนโตรเจนบนพื้นผิวโลกของเราคือโมเลกุลไนโตรเจน (N 2) ในชั้นบรรยากาศของโลก
นี่คือบทความ " ไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศโลกคือ 78%
- อ่านเพิ่มเติม: « ออกซิเจนในชั้นบรรยากาศโลกคือ 21%«
บทความในหัวข้อ “บรรยากาศของโลก”:
- ผลกระทบของชั้นบรรยากาศโลกต่อร่างกายมนุษย์ด้วยระดับความสูงที่เพิ่มขึ้น
- ความสูงและขอบเขตของชั้นบรรยากาศโลก.
ชั้นบรรยากาศคือเปลือกก๊าซของโลกของเราซึ่งหมุนไปพร้อมกับโลก ก๊าซในบรรยากาศเรียกว่าอากาศ บรรยากาศสัมผัสกับไฮโดรสเฟียร์และปกคลุมเปลือกโลกบางส่วน แต่ขีดจำกัดบนนั้นยากต่อการกำหนด เป็นที่ยอมรับกันตามอัตภาพว่าชั้นบรรยากาศขยายขึ้นไปประมาณสามพันกิโลเมตร ที่นั่นมันไหลเข้าสู่พื้นที่ที่ไม่มีอากาศได้อย่างราบรื่น
องค์ประกอบทางเคมีของชั้นบรรยากาศโลก
การก่อตัวขององค์ประกอบทางเคมีของบรรยากาศเริ่มขึ้นเมื่อประมาณสี่พันล้านปีก่อน ในตอนแรกบรรยากาศประกอบด้วยก๊าซเบาเท่านั้น ได้แก่ ฮีเลียมและไฮโดรเจน ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าข้อกำหนดเบื้องต้นเบื้องต้นสำหรับการสร้างเปลือกก๊าซรอบโลกคือการปะทุของภูเขาไฟซึ่งเมื่อรวมกับลาวาแล้วยังปล่อยก๊าซจำนวนมหาศาลออกมา ต่อจากนั้น การแลกเปลี่ยนก๊าซเริ่มต้นด้วยช่องว่างของน้ำ กับสิ่งมีชีวิต และด้วยผลผลิตจากกิจกรรมของพวกเขา องค์ประกอบของอากาศค่อยๆ เปลี่ยนไป และได้รับการแก้ไขในรูปแบบสมัยใหม่เมื่อหลายล้านปีก่อน
ส่วนประกอบหลักของบรรยากาศคือไนโตรเจน (ประมาณ 79%) และออกซิเจน (20%) เปอร์เซ็นต์ที่เหลือ (1%) มาจากก๊าซต่อไปนี้: อาร์กอน นีออน ฮีเลียม มีเทน คาร์บอนไดออกไซด์ ไฮโดรเจน คริปทอน ซีนอน โอโซน แอมโมเนีย ซัลเฟอร์และไนโตรเจนไดออกไซด์ ไนตรัสออกไซด์ และคาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งรวมอยู่ในนี้ หนึ่งเปอร์เซ็นต์
นอกจากนี้ อากาศยังประกอบด้วยไอน้ำและฝุ่นละออง (ละอองเกสรดอกไม้ ฝุ่น ผลึกเกลือ สิ่งเจือปนจากละอองลอย)
เมื่อเร็ว ๆ นี้นักวิทยาศาสตร์ไม่ได้ตั้งข้อสังเกตว่าไม่ใช่การเปลี่ยนแปลงเชิงคุณภาพ แต่เป็นการเปลี่ยนแปลงเชิงปริมาณในส่วนผสมอากาศบางชนิด และเหตุผลก็คือมนุษย์และกิจกรรมของเขา ในช่วง 100 ปีที่ผ่านมา ระดับคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มขึ้นอย่างมาก! นี่เต็มไปด้วยปัญหามากมาย ปัญหาระดับโลกที่สุดคือการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ
การก่อตัวของสภาพอากาศและภูมิอากาศ
บรรยากาศมีบทบาทสำคัญในการกำหนดสภาพอากาศและสภาพอากาศบนโลก ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับปริมาณแสงแดด ธรรมชาติของพื้นผิวด้านล่าง และการไหลเวียนของบรรยากาศ
มาดูปัจจัยตามลำดับกัน
1. บรรยากาศส่งผ่านความร้อนของรังสีดวงอาทิตย์และดูดซับรังสีที่เป็นอันตราย ชาวกรีกโบราณรู้ดีว่ารังสีของดวงอาทิตย์ตกบนส่วนต่างๆ ของโลกในมุมที่ต่างกัน คำว่า "ภูมิอากาศ" แปลมาจากภาษากรีกโบราณแปลว่า "ความลาดชัน" ดังนั้น ที่เส้นศูนย์สูตร รังสีดวงอาทิตย์ตกเกือบเป็นแนวตั้ง ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้ที่นี่ร้อนมาก ยิ่งใกล้กับเสามากเท่าไร มุมเอียงก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และอุณหภูมิก็ลดลง
2. เนื่องจากความร้อนของโลกไม่สม่ำเสมอ กระแสลมจึงเกิดขึ้นในชั้นบรรยากาศ จำแนกตามขนาด ลมที่เล็กที่สุด (หลายสิบหลายร้อยเมตร) เป็นลมในท้องถิ่น ตามมาด้วยมรสุมและลมค้า พายุไซโคลนและแอนติไซโคลน และโซนส่วนหน้าของดาวเคราะห์
มวลอากาศทั้งหมดนี้เคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา บางส่วนค่อนข้างคงที่ ตัวอย่างเช่น ลมค้าขายที่พัดจากเขตร้อนไปยังเส้นศูนย์สูตร การเคลื่อนที่ของผู้อื่นขึ้นอยู่กับความดันบรรยากาศเป็นสำคัญ
3. ความกดอากาศเป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่มีอิทธิพลต่อการก่อตัวของสภาพภูมิอากาศ นี่คือความกดอากาศบนพื้นผิวโลก ดังที่ทราบกันดีว่ามวลอากาศเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีความกดอากาศสูงไปยังบริเวณที่ความดันนี้ต่ำกว่า
จัดสรรไว้ทั้งหมด 7 โซน เส้นศูนย์สูตรเป็นเขตความกดอากาศต่ำ นอกจากนี้ บริเวณทั้งสองด้านของเส้นศูนย์สูตรจนถึงละติจูด 30 ยังมีบริเวณที่มีความกดอากาศสูง จาก 30° ถึง 60° - แรงดันต่ำอีกครั้ง และจากมุม 60° ถึงเสาจะเป็นบริเวณที่มีความกดอากาศสูง มวลอากาศไหลเวียนระหว่างโซนเหล่านี้ ผู้ที่มาจากทะเลสู่บกทำให้เกิดฝนและสภาพอากาศเลวร้าย และผู้ที่พัดมาจากทวีปทำให้เกิดสภาพอากาศที่แจ่มใสและแห้ง ในสถานที่ที่กระแสอากาศปะทะกัน โซนด้านหน้าของชั้นบรรยากาศจะก่อตัวขึ้น ซึ่งมีลักษณะของการตกตะกอนและสภาพอากาศที่ไม่เอื้ออำนวยและมีลมแรง
นักวิทยาศาสตร์ได้พิสูจน์แล้วว่าแม้แต่ความเป็นอยู่ที่ดีของบุคคลนั้นก็ขึ้นอยู่กับความดันบรรยากาศ ตามมาตรฐานสากล ความดันบรรยากาศปกติคือ 760 มม.ปรอท คอลัมน์ที่อุณหภูมิ 0°C ตัวบ่งชี้นี้คำนวณสำหรับพื้นที่ที่ดินที่มีระดับเกือบเท่ากับระดับน้ำทะเล เมื่อระดับความสูงความดันลดลง ตัวอย่างเช่นสำหรับเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก 760 มม. ปรอท - นี่คือบรรทัดฐาน แต่สำหรับมอสโกซึ่งอยู่สูงกว่านั้น ความดันปกติอยู่ที่ 748 มม. ปรอท
ความดันไม่เพียงเปลี่ยนแปลงในแนวตั้งเท่านั้น แต่ยังเปลี่ยนแปลงในแนวนอนด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งจะรู้สึกได้ในระหว่างที่พายุไซโคลนเคลื่อนผ่าน
โครงสร้างของชั้นบรรยากาศ
บรรยากาศชวนให้นึกถึงเค้กชั้น และแต่ละชั้นก็มีลักษณะเฉพาะของตัวเอง
. โทรโพสเฟียร์- ชั้นที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุด "ความหนา" ของชั้นนี้จะเปลี่ยนไปตามระยะห่างจากเส้นศูนย์สูตร เหนือเส้นศูนย์สูตรชั้นจะขยายขึ้นไป 16-18 กม. ในเขตอบอุ่น 10-12 กม. ที่ขั้วโลก 8-10 กม.
ที่นี่ประกอบด้วยมวลอากาศ 80% และไอน้ำ 90% เมฆก่อตัวที่นี่ พายุไซโคลนและแอนติไซโคลนเกิดขึ้น อุณหภูมิของอากาศขึ้นอยู่กับความสูงของพื้นที่ โดยเฉลี่ยจะลดลง 0.65°C ทุกๆ 100 เมตร
. โทรโปพอส- ชั้นเปลี่ยนผ่านของชั้นบรรยากาศ ความสูงมีตั้งแต่หลายร้อยเมตรถึง 1-2 กม. อุณหภูมิอากาศในฤดูร้อนจะสูงกว่าในฤดูหนาว ตัวอย่างเช่น เหนือขั้วโลกในฤดูหนาวจะมีอุณหภูมิ -65° C และเหนือเส้นศูนย์สูตรจะมีอุณหภูมิ -70° C ในช่วงเวลาใดก็ได้ของปี
. สตราโตสเฟียร์- เป็นชั้นที่มีขอบเขตบนอยู่ที่ระดับความสูง 50-55 กิโลเมตร ความปั่นป่วนที่นี่ต่ำ ปริมาณไอน้ำในอากาศมีน้อยมาก แต่มีโอโซนอยู่มาก ความเข้มข้นสูงสุดอยู่ที่ระดับความสูง 20-25 กม. ในชั้นสตราโตสเฟียร์ อุณหภูมิอากาศเริ่มสูงขึ้นถึง +0.8° C เนื่องจากชั้นโอโซนมีปฏิกิริยากับรังสีอัลตราไวโอเลต
. สเตรโทพอส- ชั้นกลางระดับต่ำระหว่างสตราโตสเฟียร์และมีโซสเฟียร์ที่ตามมา
. มีโซสเฟียร์- ขอบเขตบนของชั้นนี้คือ 80-85 กิโลเมตร กระบวนการโฟโตเคมีคอลที่ซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกับอนุมูลอิสระเกิดขึ้นที่นี่ พวกมันคือผู้ที่ให้แสงสีฟ้าอันอ่อนโยนแก่ดาวเคราะห์ของเรา ซึ่งมองเห็นได้จากอวกาศ
ดาวหางและอุกกาบาตส่วนใหญ่ลุกไหม้ในชั้นมีโซสเฟียร์
. วัยหมดประจำเดือน- ชั้นกลางถัดไป อุณหภูมิอากาศอย่างน้อย -90°
. เทอร์โมสเฟียร์- ขอบเขตล่างเริ่มต้นที่ระดับความสูง 80 - 90 กม. และขอบเขตด้านบนของชั้นหินยาวประมาณ 800 กม. อุณหภูมิอากาศสูงขึ้น อาจแตกต่างกันได้ตั้งแต่ +500° C ถึง +1,000° C ในระหว่างวัน อุณหภูมิจะผันผวนสูงถึงหลายร้อยองศา! แต่อากาศที่นี่หายากมากจนการทำความเข้าใจคำว่า "อุณหภูมิ" ตามที่เราจินตนาการไว้นั้นไม่เหมาะสมที่นี่
. ไอโอโนสเฟียร์- รวมชั้นมีโซสเฟียร์ มีโซพอส และเทอร์โมสเฟียร์เข้าด้วยกัน อากาศที่นี่ส่วนใหญ่ประกอบด้วยโมเลกุลออกซิเจนและไนโตรเจน เช่นเดียวกับพลาสมากึ่งเป็นกลาง รังสีของดวงอาทิตย์ที่เข้าสู่ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์จะทำให้โมเลกุลของอากาศแตกตัวเป็นไอออนอย่างรุนแรง ในชั้นล่าง (สูงสุด 90 กม.) ระดับไอออไนซ์อยู่ในระดับต่ำ ยิ่งสูงก็ยิ่งมีไอออไนซ์มากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นที่ระดับความสูง 100-110 กม. อิเล็กตรอนจึงมีความเข้มข้น ซึ่งจะช่วยสะท้อนคลื่นวิทยุสั้นและปานกลาง
ชั้นที่สำคัญที่สุดของชั้นไอโอโนสเฟียร์คือชั้นบนซึ่งตั้งอยู่ที่ระดับความสูง 150-400 กม. ลักษณะเฉพาะของมันคือสะท้อนคลื่นวิทยุและช่วยให้สามารถส่งสัญญาณวิทยุในระยะทางไกลได้
มันอยู่ในบรรยากาศรอบนอกที่ปรากฏการณ์เช่นแสงออโรร่าเกิดขึ้น
. เอกโซสเฟียร์- ประกอบด้วยอะตอมของออกซิเจน ฮีเลียม และไฮโดรเจน ก๊าซในชั้นนี้มีการทำให้บริสุทธิ์มากและอะตอมของไฮโดรเจนมักจะหลุดออกไปนอกอวกาศ ดังนั้นชั้นนี้จึงเรียกว่า “เขตการกระจายตัว”
นักวิทยาศาสตร์คนแรกที่แนะนำว่าบรรยากาศของเรามีน้ำหนักคือ E. Torricelli ชาวอิตาลี ตัวอย่างเช่น Ostap Bender ในนวนิยายเรื่อง The Golden Calf คร่ำครวญว่าทุกคนถูกกดด้วยเสาอากาศที่มีน้ำหนัก 14 กิโลกรัม! แต่นักวางแผนผู้ยิ่งใหญ่กลับคิดผิดเล็กน้อย ผู้ใหญ่ประสบแรงกดดันถึง 13-15 ตัน! แต่เราไม่รู้สึกถึงความหนักหน่วงเช่นนี้ เพราะความกดอากาศจะสมดุลกับความกดดันภายในของบุคคล น้ำหนักบรรยากาศของเราคือ 5,300,000,000,000,000 ตัน ตัวเลขนี้มีขนาดมหึมาถึงแม้จะเป็นเพียงหนึ่งในล้านของน้ำหนักโลกของเราก็ตาม
อย่างน้อยบรรยากาศก็มีต้นกำเนิดมาจากดวงอาทิตย์ไม่มากเท่ากับกระบวนการของชีวิต ความแตกต่างระหว่างเนื้อหาขององค์ประกอบหมายเลข 7 ในเปลือกโลก (0.01%) และในชั้นบรรยากาศ (75.6% โดยมวลหรือ 78.09% โดยปริมาตร) เป็นสิ่งที่น่าทึ่ง โดยทั่วไปแล้ว เราอาศัยอยู่ในบรรยากาศไนโตรเจนซึ่งมีออกซิเจนอยู่พอสมควร
ขณะเดียวกัน ทั้งบนดาวเคราะห์ดวงอื่นในระบบสุริยะ หรือองค์ประกอบของดาวหางหรือวัตถุในอวกาศเย็นอื่นๆ ไม่พบเป็นอิสระ มีสารประกอบและอนุมูล - CN*, NH*, NH*2, NH*3 แต่ไม่มีไนโตรเจน จริงอยู่ที่บรรยากาศของดาวศุกร์บันทึกไนโตรเจนประมาณ 2% แต่ตัวเลขนี้ยังต้องได้รับการยืนยัน
เชื่อกันว่าธาตุ 7 ไม่มีอยู่ในชั้นบรรยากาศปฐมภูมิของโลก แล้วมันมาจากไหนในอากาศ? เห็นได้ชัดว่าบรรยากาศของโลกของเราเริ่มแรกประกอบด้วยสารระเหยที่เกิดขึ้นในบาดาลของโลก: H2, H2O, CO2, CH4, NH3 ฟรี ถ้ามันออกมาจากการระเบิดของภูเขาไฟ มันจะกลายเป็นแอมโมเนีย เงื่อนไขนี้มีความเหมาะสมที่สุด: ไฮโดรเจนส่วนเกิน, อุณหภูมิที่สูงขึ้น - พื้นผิวโลกยังไม่เย็นลง ไนโตรเจนปรากฏครั้งแรกในชั้นบรรยากาศในรูปของแอมโมเนียหมายความว่าอย่างไร เห็นได้ชัดว่าเป็นเช่นนั้น เรามาจำเหตุการณ์นี้กัน
แต่แล้วชีวิตก็เกิดขึ้น... Vladimir Ivanovich Vernadsky โต้แย้งว่า "เปลือกก๊าซของโลก อากาศของเรา คือการสร้างสรรค์สิ่งมีชีวิต" เป็นสิ่งมีชีวิตที่ทำให้เกิดกลไกการสังเคราะห์ด้วยแสงที่น่าทึ่งที่สุด หนึ่งในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของกระบวนการนี้ - ปลอดสาร - เริ่มรวมตัวกับแอมโมเนียอย่างแข็งขันโดยปล่อยไนโตรเจนโมเลกุล:
การสังเคราะห์ด้วยแสง
СО2 + 2H2O → НСО + НаО + О2;
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O
และดังที่ทราบกันว่าไนโตรเจนไม่ทำปฏิกิริยากันภายใต้สภาวะปกติ ซึ่งทำให้อากาศของโลกสามารถรักษาองค์ประกอบ "สถานะที่เป็นอยู่" ได้ โปรดทราบว่าส่วนสำคัญของแอมโมเนียอาจละลายในน้ำได้ในระหว่างการก่อตัวของไฮโดรสเฟียร์
ในปัจจุบัน แหล่งกำเนิดหลักของ N2 ที่เข้าสู่ชั้นบรรยากาศคือก๊าซภูเขาไฟ
หากคุณทำลายพันธะสาม...
หลังจากทำลายปริมาณไนโตรเจนแอคทีฟที่ถูกผูกไว้อย่างไม่สิ้นสุดแล้ว ธรรมชาติของสิ่งมีชีวิตก็ประสบปัญหาในการผูกไนโตรเจนในสถานะโมเลกุลอิสระ มันกลับกลายเป็นว่าเฉื่อยมาก เหตุผลก็คือโมเลกุลสามตัว: N≡ น.
โดยทั่วไปแล้วพันธบัตรที่มีหลายหลากนี้จะไม่เสถียร จำตัวอย่างคลาสสิกของอะเซทิลีน: NS≡ ส.น. พันธะสามเท่าของโมเลกุลนั้นเปราะบางมาก ซึ่งอธิบายกิจกรรมทางเคมีอันเหลือเชื่อของก๊าซนี้ แต่ไนโตรเจนมีความผิดปกติที่ชัดเจนที่นี่: พันธะสามของมันก่อให้เกิดความเสถียรมากที่สุดในบรรดาโมเลกุลไดอะตอมมิกที่เรารู้จักทั้งหมด ต้องใช้ความพยายามอย่างมากในการทำลายการเชื่อมต่อนี้ ตัวอย่างเช่น การสังเคราะห์แอมโมเนียทางอุตสาหกรรมต้องใช้แรงดันมากกว่า 200 atm และอุณหภูมิมากกว่า 500 ° C และแม้กระทั่งการมีอยู่ของตัวเร่งปฏิกิริยาที่จำเป็น... ในการแก้ปัญหาการตรึงไนโตรเจน ธรรมชาติจึงต้องสร้างการผลิตอย่างต่อเนื่องของ สารประกอบไนโตรเจนโดยใช้วิธีพายุฝนฟ้าคะนอง
สถิติบอกว่ามีฟ้าผ่ามากกว่าสามพันล้านครั้งในชั้นบรรยากาศของโลกของเราทุกปี พลังของการปล่อยแต่ละครั้งสูงถึง 200 ล้านกิโลวัตต์และอากาศจะร้อน (แน่นอนในพื้นที่) ถึง 20,000 องศา ที่อุณหภูมิมหึมาเช่นนี้ โมเลกุลของออกซิเจนและไนโตรเจนจะสลายตัวเป็นอะตอม ซึ่งเมื่อทำปฏิกิริยากันได้ง่ายจะก่อให้เกิดไนตริกออกไซด์ที่เปราะบาง:
N2 + O2 → 2NO
ด้วยการระบายความร้อนอย่างรวดเร็ว (ฟ้าผ่าเป็นเวลาหนึ่งหมื่นวินาที) ไนโตรเจนออกไซด์จึงไม่สลายตัวและถูกออกซิไดซ์อย่างอิสระโดยออกซิเจนในบรรยากาศจนกลายเป็นไดออกไซด์ที่เสถียรมากขึ้น
2NO + O2 → 2NO2
เมื่อมีความชื้นและเม็ดฝนในบรรยากาศ ไนโตรเจนไดออกไซด์จะถูกแปลงเป็นกรดไนตริก:
3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO
ดังนั้นเมื่อมีพายุฝนฟ้าคะนองครั้งใหม่เราจึงมีโอกาสว่ายน้ำในสารละลายกรดไนตริกอ่อน ๆ น้ำในชั้นบรรยากาศที่แทรกซึมเข้าไปในดินจะก่อให้เกิดปุ๋ยธรรมชาติหลายชนิดที่มีสารของมัน
ไนโตรเจนยังถูกตรึงในชั้นบรรยากาศด้วยวิธีโฟโตเคมีคอล: เมื่อดูดซับควอนตัมแสงแล้ว โมเลกุล N2 จะเข้าสู่สถานะที่ตื่นเต้นและกระตุ้นและสามารถรวมตัวกับออกซิเจนได้
ไนโตรเจน- องค์ประกอบหลักของชั้นบรรยากาศของโลก บทบาทหลักคือควบคุมอัตราการเกิดออกซิเดชันโดยการเจือจางออกซิเจน ดังนั้นไนโตรเจนจึงส่งผลต่อความเร็วและความเข้มข้นของกระบวนการทางชีววิทยา
มีสองวิธีที่สัมพันธ์กันในการสกัดไนโตรเจนจากบรรยากาศ:
- 1) อนินทรีย์
- 2) ทางชีวเคมี
รูปที่ 1 วัฏจักรไนโตรเจนธรณีเคมี (V.A. Vronsky, G.V. Voitkevich)
การสกัดไนโตรเจนอนินทรีย์จากบรรยากาศ
ในชั้นบรรยากาศภายใต้อิทธิพลของการปล่อยกระแสไฟฟ้า (ในช่วงพายุฝนฟ้าคะนอง) หรือในกระบวนการของปฏิกิริยาโฟโตเคมีคอล (รังสีดวงอาทิตย์) สารประกอบไนโตรเจน (N 2 O, N 2 O 5, NO 2, NH 3 ฯลฯ ) จะเกิดขึ้น . สารประกอบเหล่านี้เมื่อละลายในน้ำฝนจะตกลงสู่พื้นพร้อมกับการตกตะกอนลงสู่ดินและน้ำ
การตรึงไนโตรเจนทางชีวภาพ
การตรึงไนโตรเจนในบรรยากาศทางชีวภาพดำเนินการ:
- - ในดิน - แบคทีเรียปมใน symbiosis กับพืชที่สูงขึ้น
- - ในน้ำ - จุลินทรีย์แพลงก์ตอนและสาหร่าย
ปริมาณไนโตรเจนที่จับกับทางชีวภาพนั้นมากกว่าปริมาณไนโตรเจนคงที่แบบอนินทรีย์อย่างมีนัยสำคัญ
ไนโตรเจนกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศได้อย่างไร?
ซากสิ่งมีชีวิตสลายตัวอันเป็นผลมาจากการกระทำของจุลินทรีย์จำนวนมาก ในระหว่างกระบวนการนี้ ไนโตรเจนซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโปรตีนของสิ่งมีชีวิต จะผ่านการเปลี่ยนแปลงหลายประการ:
- - ในระหว่างการสลายตัวของโปรตีน แอมโมเนียและอนุพันธ์ของมันจะเกิดขึ้นซึ่งจากนั้นจะเข้าสู่อากาศและน้ำในมหาสมุทร
- - ต่อมาแอมโมเนียและสารประกอบอินทรีย์ที่มีไนโตรเจนอื่น ๆ ภายใต้อิทธิพลของ Nitrosomonas และแบคทีเรียไนโตรแบคทีเรียทำให้เกิดไนโตรเจนออกไซด์ต่างๆ (N 2 O, NO, N 2 O 3 และ N 2 O 5) กระบวนการนี้เรียกว่า ไนตริฟิเคชั่น,
- - กรดไนตริกทำปฏิกิริยากับโลหะจนเกิดเป็นเกลือ เกลือเหล่านี้ได้รับผลกระทบจากแบคทีเรีย denitrifying
- - อยู่ระหว่างดำเนินการ การดีไนตริฟิเคชั่นธาตุไนโตรเจนถูกสร้างขึ้นและส่งกลับคืนสู่ชั้นบรรยากาศ (ตัวอย่างคือไอพ่นก๊าซใต้ดินที่ประกอบด้วย N 2 บริสุทธิ์)
ไนโตรเจนพบที่ไหน?
ไนโตรเจนเข้าสู่ชั้นบรรยากาศระหว่างการปะทุของภูเขาไฟในรูปของแอมโมเนีย เมื่ออยู่ในบรรยากาศชั้นบน แอมโมเนีย (NH 3) จะถูกออกซิไดซ์และปล่อยไนโตรเจน (N 2)
ไนโตรเจนยังถูกฝังอยู่ในหินตะกอนและพบได้ในปริมาณมากในตะกอนบิทูมินัส อย่างไรก็ตาม ไนโตรเจนนี้ยังเข้าสู่ชั้นบรรยากาศผ่านการแปรสภาพของหินเหล่านี้ในระดับภูมิภาค
- ดังนั้นรูปแบบหลักของการมีอยู่ของไนโตรเจนบนพื้นผิวโลกของเราคือโมเลกุลไนโตรเจน (N 2) ในชั้นบรรยากาศของโลก
ทำไมไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศโลกถึงมีมาก? และได้คำตอบที่ดีที่สุด
ตอบกลับจาก มารัต[คุรุ]
สามารถระบุสาเหตุได้หลายประการ หลัก: โลกเป็นดาวเคราะห์ดวงเดียวในระบบสุริยะที่มีรูปแบบโปรตีนของสิ่งมีชีวิตก่อตัวขึ้น มีความเสถียร และยังคงพัฒนาต่อไป องค์ประกอบของบรรยากาศปฐมภูมิของโลกนั้นง่ายกว่า: มีไอน้ำร้อนและคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์หลักของก๊าซภูเขาไฟมากกว่า หลังจากที่บรรยากาศเย็นลง กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงและการควบแน่นของน้ำทำให้สัดส่วนของ CO2 และลักษณะของออกซิเจนอิสระลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ประเด็นสำคัญ: ในบรรดาผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการสลายตัวของโปรตีน (ชีวิตสัตว์และพืช) ยูเรีย (ยูเรีย) และกรดยูริกมีบทบาทสำคัญ ในทางกลับกัน สารเหล่านี้จะค่อยๆ ได้รับการไฮโดรไลซิสที่ไม่สามารถกลับคืนสภาพเดิมได้ (!) ด้วยการก่อตัวของแอมโมเนีย (NH3) สิ่งสำคัญ: NH3 เป็นก๊าซที่เบากว่าส่วนผสมของ O2, CO2 และไอน้ำ - ดังนั้นมันจึงค่อย ๆ ลอยขึ้นสู่ชั้นบนของบรรยากาศ โดยที่ภายใต้อิทธิพลของรังสีอัลตราไวโอเลต มันจะเริ่มออกซิไดซ์อย่างช้า ๆ ด้วยออกซิเจนโมเลกุลเพื่อก่อตัวเป็นอิสระ ไนโตรเจนและน้ำ: NH3 + O2 => N2 + H2O เนื่องจากไนโตรเจนเป็นก๊าซที่ค่อนข้างหนัก จึงถูกกักไว้โดยสนามโน้มถ่วงของโลก สุดท้ายนี้ อย่าลืมว่าภายใต้สภาวะปกติ N2 นั้นเป็นสารเฉื่อยทางเคมีมาก ปัจจัยนี้ยังมีส่วนทำให้เกิดการสะสมของโมเลกุลไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศของโลกของเราด้วย
มารัต
ตรัสรู้
(25806)
Re: “ฉันยังไม่เข้าใจว่าเหตุใดไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศดาวอังคารและดาวศุกร์จึงมีน้อยมาก”
เพราะไม่เคยมีชีวมวลในปริมาณเท่านี้บนโลกมาก่อน
Re: "คุณคงอยากจะบอกว่าบนดาวเคราะห์ดวงอื่น ไนโตรเจนมีแอมโมเนียเป็นส่วนประกอบหลัก"
ฉันไม่ได้พูดอย่างนั้น :)
Re: "แอมโมเนียเป็นแสงจึงหลุดลอยไปจากชั้นบรรยากาศ"
มันไม่รั่วไหล แต่ไปถึงบริเวณที่เกิดรังสีอัลตราไวโอเลต
Re: “แต่ความจริงของเรื่องนี้ก็คือ แอมโมเนียในชั้นบรรยากาศของดาวอังคารและดาวศุกร์มีน้อยกว่าฮีเลียมด้วยซ้ำ (ฮีเลียมเป็นก๊าซที่เบามาก)”
เห็นด้วย.
Re “และไม่มีอะไรให้แอมโมเนียก่อตัวจากที่นั่น ไม่มีชีวิต ไม่มีอินทรียวัตถุ”
ถูกต้องนั่นคือสิ่งที่ฉันหมายถึง
ตอบกลับจาก เยอร์เกย์ ไซก้า[คุรุ]
สวัสดี ไม่ใช่ แต่ดาวเคราะห์ยักษ์ ดาวพฤหัส และดาวเสาร์ พวกมันไม่มีไนโตรเจนเหมือนกันเหรอ? ย่อหน้า... ไนโตรเจนนั้นมีความเป็นกลางทางเคมีและมีอยู่มาก ก๊าซอื่นๆ มีปฏิกิริยาทางเคมีมากกว่าและทำปฏิกิริยากับทุกสิ่งและทุกคน ดังนั้น ไนโตรเจนจึงอยู่ในสถานะผูกมัดในรูปของเกลือและแร่ธาตุในหิน
ตอบกลับจาก คิริลล์ นิกิติน[คุรุ]
ฉันไม่แน่ใจ แต่ฉันคิดว่านี่เป็นเพราะวัฏจักรไนโตรเจนที่เพิ่มขึ้นภายใต้อิทธิพลของสิ่งมีชีวิต (โปรตีน)
ตอบกลับจาก มิคาอิล เลวิน[คุรุ]
ฉันจะลองคิดดูว่า...
ไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบที่พบได้ทั่วไป ดังนั้นจึงควรมีไนโตรเจนมากมายทุกที่
การมีอยู่ของก๊าซในชั้นบรรยากาศขึ้นอยู่กับความสมดุลของการไหลเข้า (จากภายในดาวเคราะห์) และการไหลออกสู่อวกาศ
ไนโตรเจนเบากว่า CO2 จึงสลายตัวเร็วกว่า ดาวอังคารน่าจะไม่สามารถยึดมันไว้ได้ (เช่นเดียวกับที่โลกไม่สามารถกักเก็บไฮโดรเจนหรือฮีเลียมได้)
แต่สำหรับวีนัส มีคำถามใหญ่เกิดขึ้น มีไนโตรเจนอยู่ในชั้นบรรยากาศ 4% แต่บรรยากาศเองก็เลวร้าย ไม่ใช่ความจริงที่ว่าในจำนวนสัมบูรณ์จะมีไนโตรเจนน้อยกว่าโลก
อีกประการหนึ่งคือโลกมีคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศน้อยมาก (แม้ว่าจะถูกปล่อยออกมาจากส่วนลึกก็ตาม) นี่มันเรื่องของน้ำและชีวิตที่เชื่อมต่อกัน
ตอบกลับจาก อาร์เทม[ผู้เชี่ยวชาญ]
การตรึงไนโตรเจนในบรรยากาศในธรรมชาติเกิดขึ้นในสองทิศทางหลักคือ abiogenic และ bioogenic เส้นทางแรกเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาไนโตรเจนกับออกซิเจนเป็นหลัก เนื่องจากไนโตรเจนมีความเฉื่อยทางเคมีมาก จึงจำเป็นต้องใช้พลังงานจำนวนมาก (อุณหภูมิสูง) สำหรับการเกิดออกซิเดชัน สภาวะเหล่านี้เกิดขึ้นได้ในระหว่างที่เกิดฟ้าผ่าเมื่อมีอุณหภูมิสูงถึง 25,000 °C หรือมากกว่า ในกรณีนี้จะเกิดการก่อตัวของไนโตรเจนออกไซด์ต่างๆ นอกจากนี้ยังมีความเป็นไปได้ที่การตรึงแบบไม่มีชีวิตเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาโฟโตคะตาไลติกบนพื้นผิวของเซมิคอนดักเตอร์หรือไดอิเล็กทริกแบบบรอดแบนด์ (ทรายทะเลทราย)
อย่างไรก็ตาม ส่วนหลักของโมเลกุลไนโตรเจน (ประมาณ 1.4 108 ตันต่อปี) ได้รับการแก้ไขทางชีวภาพ เชื่อกันมานานแล้วว่ามีจุลินทรีย์เพียงไม่กี่ชนิด (แม้ว่าจะมีการกระจายอย่างกว้างขวางบนพื้นผิวโลก) ที่สามารถจับไนโตรเจนโมเลกุล: แบคทีเรีย Azotobacter และ Clostridium แบคทีเรียปมรากของพืชตระกูลถั่ว Rhizobium ไซยาโนแบคทีเรีย Anabaena, Nostoc เป็นต้น เป็นที่ทราบกันว่าหลายคนมีความสามารถนี้กับสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ในน้ำและดิน เช่น แอกติโนไมซีตในหัวของออลเดอร์และต้นไม้อื่นๆ (รวม 160 ชนิด) พวกมันทั้งหมดแปลงโมเลกุลไนโตรเจนเป็นสารประกอบแอมโมเนียม (NH4+) กระบวนการนี้ต้องใช้พลังงานจำนวนมาก (เพื่อตรึงไนโตรเจนในบรรยากาศ 1 กรัม แบคทีเรียในก้อนพืชตระกูลถั่วใช้ประมาณ 167.5 kJ นั่นคือพวกมันออกซิไดซ์กลูโคสประมาณ 10 กรัม) ดังนั้นผลประโยชน์ร่วมกันจากการทำงานร่วมกันของพืชและแบคทีเรียตรึงไนโตรเจนจึงมองเห็นได้ - แบบแรกให้ "ที่อยู่อาศัย" หลังและจัดหา "เชื้อเพลิง" ที่ได้รับจากการสังเคราะห์ด้วยแสง - กลูโคสส่วนหลังให้ไนโตรเจน จำเป็นสำหรับพืชในรูปแบบที่สามารถดูดซึมได้
ไนโตรเจนในรูปของสารประกอบแอมโมเนียและแอมโมเนียมซึ่งเป็นผลมาจากกระบวนการตรึงไนโตรเจนทางชีวภาพจะถูกออกซิไดซ์อย่างรวดเร็วเป็นไนเตรตและไนไตรต์ (กระบวนการนี้เรียกว่าไนตริฟิเคชั่น) อย่างหลังซึ่งไม่ได้เชื่อมต่อกันด้วยเนื้อเยื่อพืช (และต่อไปตามห่วงโซ่อาหารโดยสัตว์กินพืชและผู้ล่า) อย่าอยู่ในดินเป็นเวลานาน ไนเตรตและไนไตรต์ส่วนใหญ่ละลายน้ำได้สูง ดังนั้นพวกมันจึงถูกชะล้างออกไปด้วยน้ำและสุดท้ายก็จบลงที่มหาสมุทรโลก (การไหลนี้อยู่ที่ประมาณ 2.5-8·107 ตัน/ปี)
ไนโตรเจนที่รวมอยู่ในเนื้อเยื่อของพืชและสัตว์หลังจากการตายของพวกเขาจะถูกแอมโมไนฟิเคชัน (การสลายตัวของสารประกอบเชิงซ้อนที่มีไนโตรเจนด้วยการปล่อยแอมโมเนียและแอมโมเนียมไอออน) และการแยกไนตริฟิเคชันนั่นคือการปล่อยไนโตรเจนอะตอมมิกเช่นเดียวกับออกไซด์ของมัน . กระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นทั้งหมดเนื่องจากกิจกรรมของจุลินทรีย์ภายใต้สภาวะแอโรบิกและไร้ออกซิเจน
ในกรณีที่ไม่มีกิจกรรมของมนุษย์ กระบวนการตรึงไนโตรเจนและไนตริฟิเคชันเกือบจะสมดุลอย่างสมบูรณ์โดยปฏิกิริยาตรงกันข้ามของดีไนตริฟิเคชัน ไนโตรเจนส่วนหนึ่งเข้าสู่ชั้นบรรยากาศจากการปะทุของภูเขาไฟส่วนหนึ่งถูกจับอย่างแน่นหนาในดินและแร่ธาตุดินเหนียวนอกจากนี้ไนโตรเจนยังรั่วจากชั้นบนของบรรยากาศอย่างต่อเนื่องสู่อวกาศระหว่างดาวเคราะห์