Войти
На этом рисунке описаны геологические аспекты и процессы карбонатно-силикатного цикла в рамках долгосрочного углеродного цикла. карбонатно-силикатный геохимический цикл, также известный как цикл неорганического углерода, описывает долгосрочное преобразование силикатных горных пород в карбонат горных пород путем выветривания и седиментации, а также превращения карбонатных пород обратно в силикатные породы в результате метаморфизма и вулканизма. Двуокись углерода удаляется из атмосферы во время захоронения выветрившихся минералов и возвращается в атмосферу посредством вулканизма. В масштабе времени в миллион лет карбонатно-силикатный цикл является ключевым фактором в управлении климатом Земли, поскольку он регулирует уровни углекислого газа и, следовательно, глобальную температуру.
Однако скорость выветривания чувствительна факторам, которые влияют на то, сколько земли подвергается воздействию. Эти факторы включают изменения уровня моря, топографии, литологии и растительности. Кроме того, эти геоморфологические и химические изменения работали в тандеме с солнечным воздействием, будь то из-за изменений орбиты или звездной эволюции, для определения глобальной температуры поверхности. Кроме того, карбонатно-силикатный цикл считается возможным решением парадокса слабого молодого Солнца.
Эта схема показывает взаимосвязь между различными физическими и химические процессы, составляющие карбонатно-силикатный цикл. Карбонатно-силикатный цикл - это первичный контроль уровней диоксида углерода в течение длительного времени. Его можно рассматривать как ветвь углеродного цикла, который также включает цикл органического углерода, в котором биологические процессы преобразуют диоксид углерода и воду в органические вещества и кислород посредством фотосинтез.
Микроскопические оболочки, обнаруженные в кернах отложений, могут быть использованы для определения прошлых климатических условий, включая температуру океана и аспекты химии атмосферы. Неорганический цикл начинается с производства угольной кислоты (H2CO3) из дождевой воды и газообразного диоксида углерода. Углекислота - это слабая кислота, но в течение длительного времени она может растворять силикатные породы (а также карбонатные породы). Большая часть земной коры (и мантии) состоит из силикатов. В результате эти вещества распадаются на растворенные ионы. Например, силикат кальция CaSiO 3 или волластонит реагирует с диоксидом углерода и водой с образованием иона кальция Ca, иона бикарбоната HCO 3, и растворенный диоксид кремния. Эта реакционная структура является типичным представителем силикатного выветривания минералов силиката кальция. Химический путь следующий:
Речной сток переносит эти продукты в океан, где морские кальцифицирующие организмы используют Ca и HCO 3 для создания своих раковин и скелетов., процесс, называемый осаждение карбоната :
Две молекулы CO 2 необходимы для выветривания силикатных пород; морская кальцификация выпускает одну молекулу обратно в атмосферу. Карбонат кальция (CaCO 3), содержащийся в раковинах и скелетах, тонет после смерти морского организма и оседает на дне океана.
Заключительный этап процесса связан с движением морского дна. В зонах субдукции карбонатные отложения погребены и вытеснены обратно в мантию. Некоторое количество карбоната может уноситься глубоко в мантию, где условия высокого давления и температуры позволяют ему метаморфно соединяться с SiO 2 с образованием CaSiO 3 и CO 2, которые выбрасывается из недр в атмосферу посредством вулканизма, термальных источников в океане или содовых источников, которые представляют собой природные источники, содержащие углекислый газ или содовую воду:
Этот последний шаг возвращает в атмосферу вторую молекулу CO 2 и закрывает неорганический углеродный бюджет. 99,6% всего углерода (что составляет примерно 10 миллиардов тонн углерода) на Земле секвестрируется в долговременных резервуарах горных пород. И практически весь углерод провел время в форме карбонатов. Напротив, только 0,002% углерода существует в биосфере.
Изменения на поверхности планеты, такие как отсутствие вулканов или повышение уровня моря, которые уменьшили бы площадь поверхности суши, подверженной выветриванию, могут изменить темпы, с которыми происходят различные процессы в этом цикле. В течение десятков и сотен миллионов лет уровни углекислого газа в атмосфере могут изменяться из-за естественных возмущений в цикле, но в более общем плане он служит критической петлей отрицательной обратной связи между уровнями углекислого газа и изменениями климата. Например, если CO 2 накапливается в атмосфере, парниковый эффект будет способствовать повышению температуры поверхности, что, в свою очередь, увеличит количество осадков и силикатного выветривания, что приведет к удалению углерода из атмосферы. Таким образом, в долгосрочном периоде карбонатно-силикатный цикл оказывает стабилизирующее влияние на климат Земли, поэтому его называют термостатом Земли.
Аспекты карбонатно-силикатного цикла изменились на протяжении истории Земли в результате биологической эволюции и тектонических изменений. Как правило, карбонаты образуются быстрее, чем силикаты, что позволяет эффективно удалять углекислый газ из атмосферы. Появление карбонатной биоминерализации вблизи границы докембрия - кембрия позволило бы более эффективно удалять продукты выветривания из океана. Биологические процессы в почвах могут значительно увеличить скорость выветривания. Растения производят органические кислоты, которые усиливают выветривание. Эти кислоты секретируются корневыми и микоризными грибами, а также микробными гнилями растений. корневое дыхание и окисление органического вещества почвы также приводит к образованию диоксида углерода, который превращается в угольную кислоту, что увеличивает выветривание.
Тектоника может вызвать изменения в карбонатно-силикатном цикле. Например, подъем крупных горных хребтов, таких как Гималаи и Анды, считается началом позднекайнозойского ледникового периода из-за увеличения скорости распространения силикатное выветривание и вынос диоксида углерода. Погода на морском дне связана как со светимостью Солнца, так и с концентрацией углекислого газа. Однако это представляло проблему для разработчиков моделей, которые пытались связать скорость дегазации и субдукции с соответствующими темпами изменения морского дна. Правильные, несложные данные прокси трудно получить для таких вопросов. Например, керны отложений, по которым ученые могут сделать выводы об уровне моря в прошлом, не идеальны, потому что уровни моря меняются в результате не только изменения уровня морского дна. Недавние исследования в области моделирования исследовали роль выветривания морского дна в ранней эволюции жизни, показав, что относительно быстрые темпы создания морского дна способствовали снижению уровня углекислого газа в умеренной степени.
Наблюдения так называемых глубин Время указывает на то, что Земля имеет относительно нечувствительную обратную связь по выветриванию горных пород, допускающую большие колебания температуры. Палеоклиматические записи показывают, что в атмосфере примерно вдвое больше углекислого газа, чем в настоящее время, глобальные температуры достигли на 5–6 ° C более высоких температур. Однако другие факторы, такие как изменения в орбитальном / солнечном воздействии, способствуют глобальному изменению температуры в палеозаписи.
Выбросы CO 2 человеком неуклонно возрастают, и последующая концентрация CO 2 в земной системе достигла беспрецедентных уровней за очень короткое время.. Избыточный углерод в атмосфере, растворенный в морской воде, может изменить скорость карбонатно-силикатного цикла. Растворенный CO 2 может реагировать с водой с образованием ионов бикарбоната HCO 3 и ионов водорода H. Эти ионы водорода быстро реагируют с карбонатом CO 3 с образованием производить больше ионов бикарбоната и уменьшать количество доступных ионов карбоната, что представляет собой препятствие для процесса осаждения карбоната углерода. Иными словами, 30% избыточного углерода, выбрасываемого в атмосферу, поглощается океанами. Более высокие концентрации углекислого газа в океанах подталкивают процесс осаждения карбонатов в противоположном направлении (влево), производя меньше CaCO 3. Этот процесс, наносящий вред организмам, строящим раковины, называется закислением океана.
Не следует предполагать, что карбонатно-силикатный цикл возникнет на всех планетах земной группы.. Для начала карбонатно-силикатный цикл требует наличия круговорота воды. Поэтому он разрушается на внутреннем крае обитаемой зоны Солнечной системы. Даже если планета начинается с жидкой воды на поверхности, если она становится слишком теплой, она подвергнется утечке из теплицы, теряя воду на поверхности. Без необходимой дождевой воды не будет происходить выветривания с образованием угольной кислоты из газообразного CO 2. Кроме того, на внешнем крае CO 2 может конденсироваться, следовательно, уменьшая парниковый эффект и снижая температуру поверхности. В результате атмосфера схлопнется в полярные шапки.
Марс - такая планета. Расположенная на краю обитаемой зоны Солнечной системы, ее поверхность слишком холодна для образования жидкой воды без парникового эффекта. Средняя температура поверхности Марса с его тонкой атмосферой составляет 210 К (-63 ° C). Пытаясь объяснить топографические особенности, напоминающие речные каналы, несмотря на кажущееся недостаточное поступление солнечной радиации, некоторые предположили, что мог существовать цикл, аналогичный карбонатно-силикатному циклу Земли - подобный уходу из периодов Земли снежного кома. С помощью модельных исследований было показано, что газообразные CO 2 и H 2 O, действующие как парниковые газы, не могли сохранять Марс в тепле в его раннюю историю, когда солнце было слабее, потому что CO 2 конденсируется в облака. Несмотря на то, что облака CO 2 не отражают так, как водяные облака на Земле, в прошлом у них не могло быть значительной части карбонатно-силикатного цикла.
Напротив, Венера расположена на внутреннем крае обитаемой зоны и имеет среднюю температуру поверхности 737 К (464 ° C). После потери воды в результате фотодиссоциации и утечки водорода, Венера перестала удалять углекислый газ из атмосферы, а вместо этого начала накапливать его и испытывать неудержимый парниковый эффект.
На заблокированных приливом экзопланетах расположение субзвездной точки будет определять выброс углекислого газа из литосферы.
