いくつかのタイプの原子があり、ある日は植物の一部であり、次の日は動物であり、次の日は川の水の一部として下流に移動することができます。 これらの原子は、植物や動物のような生き物だけでなく、水、空気、さらには岩のような非生き物の両方の一部になることができます。 同じ原子は、地球のさまざまな部分で何度もリサイクルされます。 このタイプの生物と非生物の間の原子のサイクルは、生物地球化学サイクルとして知られています。,
生物の構成要素であるすべての原子は、生物地球化学サイクルの一部です。 これらの中で最も一般的なものは、炭素および窒素サイクルである。
炭素と窒素の小さな原子は、これらのサイクルを通して惑星の周りを移動することができます。 例えば、炭素原子は空気から海水に吸収され、そこで光合成を行う浮遊プランクトンが必要な栄養を得るために使用されます。, この小さな炭素原子は、プランクトンの骨格の一部、またはそれを食べる大きな動物の骨格の一部になり、生き物が死んで骨だけが残ったときに堆積岩の一部になる可能性があります。 石油、石炭、天然ガスなどの岩石や化石燃料の一部である炭素は、炭素循環の残りの部分から長い間離れて保持される可能性があります。 これらの長期貯蔵の場所は”流し”と呼ばれる。 化石燃料を燃やすと、地下にあった炭素は温室効果ガスである二酸化炭素として空気中に送られます。,
最近、人々はこれらの生物地球化学サイクルを変化させています。 私たちが森林を伐採し、より多くの工場を作り、化石燃料を燃やすより多くの車を運転すると、炭素と窒素が地球の周りを移動する方法が変わります。 これらの変化は大気中の温室効果ガスを増やし、気候変動を引き起こします。
炭素サイクル
元素の炭素は、海水、大気、石灰岩や石炭などの岩石、土壌、そしてすべての生き物の一部です。, 私たちのダイナミックな惑星では、炭素は炭素循環の一部としてこれらの領域のいずれかから別の領域に移動することができます。
- 炭素は大気から植物に移動します。 大気中では、二酸化炭素（CO2）と呼ばれるガス中の酸素に炭素が付着しています。 光合成のプロセスを通じて、二酸化炭素は空気から引き出され、植物の成長のために炭素から作られた食品を生産する。
- 炭素は植物から動物に移動します。 食物連鎖を通して、植物にある炭素はそれらを食べる動物に移動します。 他の動物を食べる動物は彼らの食糧からカーボンを得るも。,
- 炭素は植物や動物から土壌に移動します。 植物や動物が死ぬと、彼らの体、木、葉が崩壊し、炭素が地面に運ばれます。 いくつかは埋もれており、何百万年もの間に化石燃料になります。
- 炭素は生き物から大気に移動します。 あなたが吐き出すたびに、あなたは大気中に二酸化炭素ガス（CO2）を放出しています。 動物や植物は、呼吸と呼ばれるプロセスを通じて二酸化炭素ガスを取り除く必要があります。
- 燃料が燃焼すると、炭素は化石燃料から大気に移動します。, 人間が化石燃料を燃やして工場、発電所、自動車、トラックに電力を供給すると、ほとんどの炭素はすぐに二酸化炭素ガスとして大気に入ります。 毎年、化石燃料を燃やすことによって五十億トンの炭素が放出されています。 この膨大な量のうち、33億トンは大気中にとどまります。 残りのほとんどは海水に溶けてしまいます。
- 炭素は大気から海洋に移動します。 海洋、および他の水域は、大気からいくらかの炭素を吸収します。 炭素は水に溶解する。,
二酸化炭素は温室効果ガスであり、大気中の熱を閉じ込めます。 それと他の温室効果ガスがなければ、地球は凍った世界になるでしょう。 しかし、約150年前の産業革命の開始以来、人間はそんなに多くの燃料を燃やし、地球の気候が華氏一度以上に上昇していることを空気中にそんなに多くの二酸化炭素をリリースしています。 大気は、氷コアからのデータによると、少なくとも420,000年のためにこの多くの炭素を保持していません。, 最近の二酸化炭素などの温室効果ガスの増加は、地球の温暖化に大きな影響を与えています。
炭素はより長い時間スケールで私たちの惑星を移動します。 例えば、何百万年もの間、陸上の岩石の風化は、最終的に海に流出する地表水に炭素を加える可能性があります。 海洋動物やプランクトンの殻や骨が海底に集まると、長い時間スケールで海水から炭素が取り除かれます。 これらの殻や骨は、炭素を含む石灰岩でできています。, それらが海底に堆積すると、炭素はある程度の時間炭素循環の残りの部分から貯蔵される。 海洋に堆積した石灰岩の量は、サンゴなどの多産の石灰石生産生物が生息する場所であるため、地球上の暖かく熱帯の浅い海の量に多少依存します。 石灰岩が沈み込み帯で溶けたり変成したりすると、炭素は大気に放出される可能性があります。
窒素サイクル
窒素は、私たちの惑星の生きている部分と地球システムの無機部分の両方に見られる要素です。, 窒素はサイクルをゆっくりと移動し、途中で大気、生物、土壌、海洋などの貯水池に貯蔵されます。
地球上の窒素のほとんどは大気中にあります。 地球の大気中の分子の約80％は、一緒に結合した二つの窒素原子（N2）でできています。 すべての植物や動物は、アミノ酸、タンパク質、DNAを作るために窒素を必要としますが、大気中の窒素は使用できる形ではありません。, 大気中の窒素分子は、落雷や火災、特定の種類の細菌、またはマメ科植物に関連する細菌によって分解されたときに生き物に使用可能になります。 他の植物は、彼らが無機硝酸塩（NO3-）の形で主に住んでいる土壌または水から必要な窒素を得る。 窒素は植物の成長のための制限要因です。 動物は、窒素から部分的に構成される有機分子を含む植物または他の動物を消費することによって、必要な窒素を得る。, 生物が死ぬと、彼らの体は窒素を陸上の土壌または海洋に持ち込む分解する。 死んだ植物や動物が分解すると、窒素は鉱化と呼ばれるプロセスによってアンモニウム塩（NH4+）のような無機形態に変換されます。 アンモニウムの塩は土の粘土に吸収され、次に亜硝酸塩（NO2-）および硝酸塩（NO3-）に細菌によって化学的に変えられます。 硝酸塩は、植物によって一般的に使用される形態である。 それは水で容易に分解し、土システムから浸出します。, 溶解した硝酸塩は、脱窒と呼ばれるプロセスを通じて特定の細菌によって大気に戻すことができます。
人間の特定の行動は、窒素サイクルと貯水池に貯蔵されている窒素の量に変化を引き起こしています。 窒素が豊富な肥料の使用は、肥料からの硝酸塩が小川や池に洗い流されるため、近くの水路で栄養負荷を引き起こす可能性があります。 増加した硝酸塩レベルは、植物が硝酸塩の供給を使い果たして死ぬまで急速に成長する原因となります。, 植物の供給が増加すると草食動物の数が増加し、植物が死ぬと草食動物は食物源なしで残されます。 このようにして、栄養供給の変化は食物連鎖全体に影響を与えます。 さらに、人間は化石燃料や森林を燃やすことによって窒素サイクルを変えており、様々な固体形態の窒素を放出しています。 農業は窒素循環にも影響します。 畜産農業に伴う廃棄物は、土壌や水に大量の窒素を放出します。 同じように、下水廃棄物は土壌や水に窒素を加えます。,
窒素と大気汚染
NCARのメサ研究所から見えるスモッグの見苦しいヘイズは、ボルダーバレーの上にかかっています。 （画像：UCAR）
一酸化窒素（NO）と二酸化窒素（NO2）は一緒に窒素酸化物として知られています。 これらの窒素酸化物は大気汚染の問題に貢献し、スモッグと酸性雨の両方の形成に役割を果たしています。 それらは、自然および人間が生成した供給源の両方によって地球の大気中に放出される。
一酸化窒素は、わずかな臭いを有する無色の可燃性ガスである。, 二酸化窒素は有毒であるが可燃性ではない深い赤orange色のガスである。 それは、エアロゾルとともに、スモッグの赤茶色の原因です。 高い濃度でそれは非常に有毒で、深刻な肺損傷を引き起こすことができます。 二酸化窒素は強力な酸化剤であり、したがって他の化合物と非常に反応性である。
科学者たちは、火山、海洋、生物学的崩壊、落雷などの発生源から毎年自然に生産される窒素酸化物の20-90万トンの間にあると推定しています。, 人間の活動は、毎年私たちの大気にさらに24万トンの窒素酸化物を加えます。
NOとNO2の両方が、酸素が窒素と結合する大気中の高温燃焼中に形成される。 自動車やトラックの排ガスは、発電プラントからの排出量と同様に、窒素酸化物の主要な供給源です。 自動車の排気はNO2以上ではありませんが、NOが大気中に放出されると、空気中の酸素と素早く結合してNO2を形成します。
窒素酸化物は、少なくとも部分的にいくつかのタイプの大気汚染の原因となっている。, 二酸化窒素は私達がスモッグと呼ぶ赤茶色の霞に色を貸します。 太陽光による二酸化窒素の光解離は、対流圏に一酸化窒素とオゾンを生成し、これはスモッグの別の成分である。 一連の化学反応は、揮発性有機化合物（Voc）を二酸化窒素と結合してPAN（ペルオキシアシチル硝酸）、スモッグ中のさらに別の元素を生成する物質に変換する。 空気中の二酸化窒素はまた、硝酸、酸性雨中の酸の種類の一つを形成するために水蒸気と反応します。 汚染されていない空気中の一酸化窒素の濃度は約0.01ppmです。, スモッグでは、濃度は約0.2ppmに二十倍に上昇する。
窒素酸化物は汚染物質として疑わしい区別を得ているが、それらはまた、いくつかの工業プロセスで有益に使用されている。 一酸化窒素は大規模に製造され、続いて硝酸（HNO3）を作るのに使用されています。 工業用一酸化窒素を生成するために、化学者はアンモニア（NH3）と酸素（O2）を組み合わせ、副産物として水（H2O）を放出する。 硝酸由来の窒素化合物は、化学肥料、爆発物、および他の有用な物質を作成するために使用されます。