Войти
Движение углерода между сушей, атмосфера и океан в миллиардах тонн (гигатонн) в год. Желтые числа - естественные потоки, красные - человеческий вклад, белые - накопленный углеродный вклад. Эффекты вулканической и тектонической активности не включены. углеродный цикл - это биогеохимический цикл, посредством которого углерод обменивается между биосферой, педосфера, геосфера, гидросфера и атмосфера Земли. Угод является основным компонентом биологических соединений, а также основным компонентом минералов, таких как известняк. Наряду с азотным циклом и водным циклом углеродный цикл включает в себя последовательность событий, которые являются ключевыми для того, чтобы Земля была способна поддерживать жизнь. Он составляет движение углерода по мере его рециркуляции и повторного использования в биосфере, а также долгосрочные процессы связывания углерода и высвобождения из поглотителей углерода.
Люди нарушили биологический углерод. цикл на протяжении многих веков путем изменения землепользования, а также недавней промышленной добыча ископаемого углерода (угля, и газа добыча и цемент производство) из геосферы. По состоянию на 2020 год углекислый газ в атмосфере увеличился почти на 50% по сравнению с доиндустриальными уровнями, таким образом, вынуждает усилить нагрев атмосферы и поверхности Земли Солнцем.. Повышенное содержание углекислого газа также увеличено кислотности поверхности океана примерно на 30% из-за растворенного углекислого газа, угольной кислоты и других соединений и фундаментально изменило химию моря.. Большая часть ископаемого углерода была извлечена за последние полвека, и темпы продолжают расти, внося свой вклад в вызванное деятельность человека изменение. Самые серьезные последствия для биосферы, которые критически важны для развития цивилизации, все еще ожидаются из-за своей, но ограниченной инерции системы Земли. Восстановление баланса этой естественной системы является основным международным стандартом, описанным в Парижском соглашении по климату, так и в Цели 13 в области устойчивого развития.
Углеродный цикл был впервые описан Антуаном Лавуазье и Джозефом Пристли и популяризирован Хэмфри Дэви. Глобальный цикл в настоящее время обычно делится на следующие основные резервуары углерода, связанные между собой путями обмена:
Обмен углерода между резервуарами происходит в результате различных химических, физических, геологических и биологических процессов. Океан содержит самый большой активный бассейн углерода у поверхности Земли. Естественные потоки углерода между атмосферным, океаном, наземными экосистемами, достаточно сбалансированы.
Ошеломляющее воздействие на половину всех выбросов углекислого газа в атмосфере, даже несмотря на то, что за последние десятилетия резко возросли антропогенные выбросы. Остается неясным, будет ли поглощение углерода продолжаться такими темпами. Углерод в атмосфере Земли существует в двух основных формах: двуокись углерода и метан. Оба эти газа поглощают и удерживают тепло в атмосфере и частично ответственны за парниковый эффект. Метан производит больший парниковый эффект на единицу объема по сравнению с диоксидом углерода, но он существует в гораздо более низких температурах и более недолговечен, чем диоксид углерода, что делает диоксид углерода более важным парниковым газом из двух.
Углерод. ди удаляется из атмосферы в основном посредством фотосинтеза и попадает в земные и океанические биосферы. Углекислый газ также растворяется непосредственно из атмосферы в водоемах (океан, озера и т. Д.), а также растворяется в осадках, когда капли дождя падают через атмосферу. При растворении в воде диоксид углерода реагирует с молекулами воды и образует угольную кислоту, которая способствует повышению кислотности океана. Затем он может быть поглощен камнями в результате выветривания. Он также может подкислять другие поверхности, которых касается, или смывать в океан.
Подробная информация об антропогенных потоках углерода, показывающая кумулятивная масса в гигатоннах за 1850-2018 годы (слева) и среднегодовую массу за 2009-2018 годы (справа). Деятельность человека за последние два столетия значительно увеличила количество углерода в атмосфере, в основном в форме диоксида углерода, как за счет изменений экосистемы извлекать диоксид углерода из атмосферы, так и за счет его прямого выброса, например, путем сжигания ископаемого топлива и производства бетона.
В очень далеком будущем (например, 2-3 миллиарда лет) скорость, с которой углекислый газ абсорбируется почвой через карбонатно-силикатный цикл вероятно увеличится из-за ожидаемых изменений на солнце по мере его старения. Ожидаемая повышенная яркость Солнца, ускоренная скорость выветривания поверхности. Это в результате приведет к тому, что большая часть углекислого газа в атмосфере попадет в земную кору в виде карбоната. Как только углекислого газа в атмосфере упадет ниже примерно 50 частей на миллион (допуски различаются для разных видов), C3фотосинтез станет невозможным. Было предсказано, что это произойдет через 600 миллионов лет после настоящего, хотя модели различаются.
Когда океаны на Земле испарятся примерно через 1,1 миллиарда лет, тектоника плит, скорее всего, прекратится из-за нехватки воды смазать их. Отсутствие вулканов, выбрасывающих углекислый газ, к тому, что углеродный цикл закончится через 1–2 миллиарда лет в будущем.
Количество углерода, хранящегося в различных наземных экосистемах Земли, в гигатоннах. Земная биосфера включает органических животных всех наземных организмов, живых и мертвых, а также углеродных, хранящихся в почвах. Около 500 гигатонн углерода хранится над землей в растениях и других живых организмах, а почва содержит примерно 1500 гигатонн углерода. Большая часть углерода в земной биосфере - это органический углерод, в то время как около трети углерода почвы хранится в неорганических формах, таких как карбонат кальция. Органический - основной компонент всех организмов, живущих на Земле. Автотрофы извлекают его из воздуха в виде диоксида углерода, превращают его в органический углерод, тогда как гетеротрофы получают углерод, потребляя другие организмы.
поглощение углерода земной биосферой зависит от биотических факторов, оно следует суточному и сезонному циклу. Прих измерения CO. 2 эта особенность проявляется на кривой Килинга. Он наиболее силен в северном полушарии, потому что в этом полушарии больше суши, чем в южном полушарии, и поэтому экосистемам больше места для поглощения и выброса углерода.
Портативная система дыхания почвы, измеряющая поток CO. 2 в почве. Углерод покидает земные биосферу путями и в разных временных масштабах. сгорание или дыхание органического углерода быстро высвобождает его в атмосферу. Он также может экспортироваться в океан через реки или оставаться в почве в виде инертного углерода. Углерод, хранящийся в почве, может оставаться там до тысяч лет, прежде чем смывается в реки эрозией или выбрасывается в атмосферу в результате дыхания почвы. В период с 1989 по 2008 год дыхание почвы увеличивалось примерно на 0,1% в год. В 2008 году общее количество CO. 2, выбрасываемое за счет дыхания почвы, составляет примерно 98 миллиардов тонн, что примерно в 10 раз больше углерода, чем сейчас люди выбрасывают в атмосферу каждый год за счет сжигания ископаемого топлива. перенос из почвы в атмосфере, поскольку дыхание в степени компенсируется поступлением углерода в почву). Повышение вероятности увеличения скорости разложения органических веществ, что привело к увеличению CO. 2. Продолжительность связывания углерода в почве зависит от местных климатических условий, и, следовательно, изменения в ходе изменений климата.
| Бассейн | Количество. ( гигатонны) |
|---|---|
| Атмосфера | 720 |
| Океан (всего) | 38400 |
| Всего неорганических | 37400 |
| Всего же | 1000 |
| Поверхностный слой | 670 |
| Глубокий слой | 36,730 |
| Литосфера | |
| Осадочные карбонаты | >60,000,000 |
| Керогены | 15000000 |
| Земная биосфера (всего) | 2000 |
| Живая биомасса | 600-1000 |
| Мертвая биомасса | 1200 |
| Водные биосфера | 1-2 |
| Ископаемое топливо (всего) | 4,130 |
| Уголь | 3,510 |
| Нефть | 230 |
| Газ | 140 |
| Другое (торф ) | 250 |
Океан можно концептуально разделить на поверхностный слой, внутри которого часто встречается вода (от ежедневного до ежегодного) контакт с атмосферой и глубоким слоем ниже типичного al смешанный слой несколько сотен метров или меньше, в пределах которого время между последовательными контактами может составлять столетия. Растворенный неорганический углерод (DIC) на поверхностном слое быстро обменивается с атмосферой, поддерживая равновесие. Частично из-за того, что в нем DIC примерно на 15% выше, но, главным образом, из-за его большего объема, глубоководный океан содержит больше углерода - это самый большой резервуар активно циркулирующего углерода в мире, более в 50 раз Атмосфера сотворения мира: обмен данными между двумя слоями, вызванный термохалинной циркуляцией, происходит медленно.
Углерод попадает в океан в основном через атмосферный двуокись углерода, небольшая часть превращается в карбонат. Он также может попадать в океан через реки в виде растворенного органического углерода. Он преобразуется организмом в органический организм фотосинтеза и может либо обмениваться пищевой цепочкой, либо осаждаться в более глубокие, более богатые углеродом океанов в виде мертвых мягких тканей или раковин в виде кальция. карбонат. Он циркулирует в этом слое в течение длительных периодов времени, прежде чем осядет в виде отложений или, в конечном итоге, вернется в поверхностные воды через термохалинную циркуляцию. Океаны являются содержащими (~ pH 8,2), поэтому подкисление CO. 2 смещает pH океана в сторону нейтрального.
Поглощение CO. 2 океаном является одной из наиболее форм важного углерода, которая ограничивает антропогенное повышение содержания двуокиси углерода в атмосфере. Однако этот процесс ограничен рядом факторов. Поглощение CO. 2 делает воду более кислой, что влияет на биосистемы океана. Прогнозируемая скорость увеличения кислотности океана может замедлить биологическое оса карбонатов кальция, тем самым уменьшив способность поглощать CO. 2.
Диаграмма, показывающая относительные размеры (в гигатоннах)) основных резервуаров хранение на Земле. Кумулятивные изменения (до 2014 года) от использования землепользования и ископаемого использования Google для сравнения. Геологический углеродного цикла происходит процесс по сравнению с другими частями глобального цикла. Это один из наиболее важных факторов, определяющих количество углерода в атмосфере и, следовательно, глобальную температуру.
Большая часть углерода Земли инертно хранится в литосфере. Большая часть углерода, хранящегося в мантии Земли, хранилась там, когда Земля формировалась. Часть его отложилась в виде органического углерода из биосферы. Из углерода, хранящегося в геосфере, около 80% составляет известняк и его производные, которые возникают в результате осаждения карбоната кальция, хранящегося в панцирях морских организмов. Остальные 20% хранятся в виде керогенов, образовавшихся в результате осаждения и захоронения наземных организмов под действием высокой температуры и давления. Органический, сохраняющийся в геосфере, может оставаться там миллионы лет.
Углерод может покинуть геосферные границы. Углекислый газ выделяется во время метаморфизма карбонатных пород, когда они погружаются в земную мантию. Этот углекислый газ может выбрасывать атмосферу через вулканы и горячие точки. Он также может быть удален людьми путем прямого извлечения керогенов в виде ископаемого топлива. После сжигания ископаемого топлива сжигается энергия.
Кристалл двигателя, когда течет вода На диаграмме справа:
Хотя глубокий углеродный цикл не так хорошо изучен, как движение углерода через атмосферу, земную биосферу, океан и геосферу, он тем не менее, это невероятно важный процесс. Глубокий углеродный цикл тесно связан с движением углерода на поверхности и в атмосфере Земли. Если бы этого процесса не было, углерод остался бы в атмосфере, где он накапливался бы до чрезвычайно высоких уровней в течение длительных периодов времени. Следовательно, позволяя углероду возвращаться на Землю, глубокий углеродный цикл играет решающую роль в поддержании земных условий, необходимых для существования жизни.
Рисунок, изображающий движение океанических плит, несущих углеродные соединения, через мантию Кроме того, этот процесс также важен просто из-за огромных количеств углерода, которые он переносит через планету. Фактически, изучение состава базальтовой магмы и измерение потока углекислого газа из вулканов показывает, что количество углерода в мантии на самом деле в несколько раз больше, чем на поверхности Земли. тысячи. Бурение и физическое наблюдение углеродных процессов в глубинах Земли, очевидно, чрезвычайно сложно, поскольку нижняя мантия и ядро простираются от 660 до 2 891 км и от 2 891 до 6 371 км вглубь Земли соответственно. Соответственно, мало что окончательно известно о роли углерода в недрах Земли. Тем не менее, несколько свидетельств, многие из которых получены в результате лабораторного моделирования глубинных условий Земли, указали на механизмы движения элемента вниз в нижнюю мантию, а также на формы, которые принимает углерод при экстремальных температурах и давлениях в указанном слое. Кроме того, такие методы, как сейсмология, привели к лучшему пониманию потенциального присутствия углерода в ядре Земли.
Углерод в основном входит в мантию в виде карбонатных осадков на тектонических плитах океанической коры, которые втягивает углерод в мантию после субдукции. О циркуляции углерода в мантии, особенно в глубинах Земли, известно немного, но многие исследования пытались расширить наше понимание движения и форм элемента в этом регионе. Например, исследование 2011 года показало, что круговорот углерода простирается до нижней мантии. В ходе исследования были проанализированы редкие сверхглубокие алмазы на участке в Джуина, Бразилия, и было определено, что валовой состав некоторых алмазных включений соответствует ожидаемому результату плавления базальта и кристаллизация при более низких температурах и давлениях мантии. Таким образом, результаты исследования показывают, что части базальтовой океанической литосферы действуют как основной механизм переноса углерода в глубокие недра Земли. Эти субдуцированные карбонаты могутвзаимодействовать с силикатами нижней мантии , в итоге формируется сверхглубокие алмазы, похожему найденному.
Диаграмма тетраэдрической связи углерода с кислородом Однако карбонаты, спускающиеся в нижнюю мантию, встречаются с другими судорогами в дополнение к формированию алмазов. В 2011 году карбонаты подверглись воздействию окружающей среды, аналогичной окружающей среде на 1800 км вглубь Земли, в пределах нижней мантии. Это привело к образованию магнезита, сидерита и разновидностей графита. Другие эксперименты - а также петрологические наблюдения - подтверждают это утверждение, что магнезит на самом деле является наиболее стабильной карбонатной фазой в большей части мантии. Во многом это связано с его высокой температурой плавления. Следовательно, пришли к выводу, что карбонаты подвергаются восстановлению по мере их опускания в мантии, прежде чем стабилизируются на глубине средой с низкой летучестью кислородом. Магний, железо и другие металлические соединения как буферы на протяжении всего процесса. Присутствуют восстановленные элементарные формы углерода, такие как графит, указывает на то, что соединения углерода восстанавливаются по мере того, как они спускаются в мантию.
Полиморфизм изменяет стабильность карбонатных соединений на разных глубинах Земли. Чтобы проиллюстрировать это, лабораторное моделирование и расчеты по теории функционала плотности показывают, что тетраэдрически координированные карбонаты наиболее стабильны на глубинах, приближенных к границе ядра-мантия. Исследование 2015 года показывает, что высокое давление манжеты вызывает переходные углеродные связи с sp 2 на sp 3гибридизированные орбитали, в результате чего углерод тетраэдрически связывается с кислородом. CO 3 тригональные группы не могут образовывать полимеризуемые сети, в то время как тетраэдрические CO 4, что означает увеличение координационного числа углерода и, следовательно, могут резкие изменения в свойствах карбонатных соединений. в нижней мантии. Предварительные теоретические исследования показывают, что высокое давление вызывает увеличение вязкости карбонатного расплава; Низкая подвижность расплава в результате его повышенной вязкости вызывает большие отложения углерода в мантии.
Рисунок, изображающий выделение углерода посредством различных процессов Соответственно, мозг может оставаться в нижней мантии в течение длительных периодов времени, но большие углерода часто возвращаются в литосферу. Этот процесс, называемый дегазированием углерода, является результатом декомпрессионного плавления карбонизированной мантии, а также мантийных плюмов, переносящих углеродных соединений вверх по направлению к коре. Углерод окисляется при подъеме к горячим точкам вулкана, где выделяется в виде CO 2. Это происходит так, что атом углерода соответствует степени окисления базальтов, возникающих в таких областях.
Углерод в этой области показывает, что в этой области показаны большие возможности. запасы углерода. Сдвиговые (S) волны, движущиеся через внутреннее ядро путешествуют со скоростью около процентов от скорости, ожидаемой для сплавов с высоким содержанием железа. Представляется, что это ядро представляет собой сплав кристаллического железа и небольшое количество никеля. Фактически, исследование с использованием ячеек с алмазными наковальнями для воспроизведения условий в ядре Земли показывают, что карбид железа (Fe 7C3) соответствует скорости волны и плотности внутреннего ядра. Таким образом, модель карбида железа может служить доказательством того, что ядро содержит до 67% углерода Земли. Кроме того, другое исследование показало, что в условиях давления и температуры внутреннего ядра Земли углеродного ядра формируется в железе и образует стабильную фазу с тем же составом Fe 7C3, хотя и со структурой, отличной от ранее упомянутой. Таким образом, некоторое количество углерода, небольшое количество углерода, неизвестно, недавние исследования показывают, что присутствие карбидов может вызвать некоторые геофизические наблюдения.
Антропогенные изменения в глобальном углеродном цикле 2009–2018 гг. Схематическое изображение общего глобального цикла, вызванного антропогенной деятельностью, в среднем за десятилетие 2009–2018 гг. 2018. См. Легенды для стрелок и Неопределенность в скорости роста атмосферного CO2 очень мала (± 0,02 ГтС / год) и не учитывается на рисунке. Антропогенное возмущение происходит в верхней части цикла активного углерода, при этом потоки и запасы представлены на заднем плане для всех чисел, а валовые потоки океана обновляются до 90 ГтС / год. Запасы углерода в прибрежных водах взяты из литературного прибрежных морских отложений. Начало с промышленной революции, и особенно с конца Вторая мировая война, деятельность человека особенно нарушила глобальный углеродный цикл за счет перераспределения огромного количества углерода из геосферы. Люди также продолжали функции естественных компонентов земной биосферы, изменяя растительность и другие виды землепользования. Искусственные (синтетические) пластиковые соединения были разработаны и производятся в массовом порядке, которые сохраняются в атмосфере в течение десятилетий или тысячелетий как сильные загрязнители. Изменение климата приводит к изменению климата и вынуждает человека к дальнейшим непрямым изменениям нового цикла, как следствие различных положительных и отрицательных отзывов.
С момента изобретения сельского хозяйства люди напрямую и постепенно влияют на углеродный цикл в масштабах веков за счет изменения состава растительности в биосфере суши. За несколько столетий прямые и последние антропогенные землепользование и изменение земного покрова (LUCC) привели к утрате биоразнообразия, что снижает устойчивость к стрессам окружающей среды и снижает их способность уменьшить углерод из атмосферы. Более того, это часто приводит к выбросу углерода из наземных экосистем в атмосферу.
Вырубка лесов для сельскохозяйственных целей удаляет большое количество углерода, и заменяет их, как правило, сельскохозяйственными или городскими районами. Оба этих альтернативных типа почвенного покрова накапливают сравнительно небольшое количество углерода, так что в итоге переходный период заключается в том, что в атмосфере остается больше углерода. Воздействие на атмосферу в атмосфере и молекулярный цикл можно намеренно и / или естественным образом повернуть вспять с помощью лесовосстановления.
Ежегодных глобальных выбросов углерода (в гигатоннах). Самые большие и наиболее быстро растущее влияние человека на углеродный цикл и биосферу - это добыча и сжигание ископаемого топлива, которое напрямую переносит углерод из геосферы в атмосферу. Диоксид углерода также образуется и высвобождается во время кальцинирования известняка для производства клинкера. Клинкер является промышленным прекурсором цемента.
По состоянию на 2020 год всего было извлечено около 450 гигатонн ископаемого углерода; количество, приближающееся к количеству углерода, содержащемуся во всей живой земной биомассе Земли. В настоящее время уровень вещества примерно вдвое уровень роста растительностью и океанами. Океаны функционируют как более крупный поглотитель, удаляя часть выбрасываемого ископаемого углерода в течение примерно столетия. Значительная часть (20-30%, на основе связанных моделей ) добавленного углерода, по прогнозам, будет оставаться в атмосфере в атмосфере. столетий. к тысячелетиям. Таким образом, извлекается ископаемое углерода, приводящее к парниковым газам в атмосфере, создается МГЭИК, исследователями атмосферы и океана как долгосрочное обязательство общества жить в меняющемся климате, в конечном итоге, в более теплом мире.
Небольшие количества искусственных химикатов. Это происходит из-за того, что они были специально созданы людьми для очень медленной деградации, что позволяет им оставаться в качестве загрязнителей в атмосфере после выброса.
Например, хлорфторуглерод, гидрофторуглерод и перфторуглерод газы нашли широкое применение в задней промышленности. Накопление относительно концентраций (частей на триллион) этих газов в атмосфере составляет около 10% от общего прямого радиационного воздействия всех долгоживущих парниковых газов; что включает в себя воздействие более высоких концентраций двуокиси углерода и метана. Хлорфторуглероды также вызывают разрушение озонового слоя в стратосфере . В рамках Монреальского протокола и Киотского протокола продолжаются международные усилия по контролю за быстрым ростом промышленного производства и использования этих экологически опасных газов. Для некоторых приложений были разработаны и постепенно внедряются более щадящие альтернативы, такие как гидрофторолефины.
Текущие тенденции изменения климата приводят к повышению температуры океана и кислотность, таким образом изменяя морские экосистемы. Кроме того, кислотные дожди и загрязненные стоки сельского хозяйства и промышленности изменяют химический состав океана. Такие могут иметь драматические последствия для высокочувствительных экосистем, таких как коралловые рифы, тем самым ограничивая способность поглощать углерод из атмосферы в региональном масштабе и сокращая биоразнообразие океанов в глобальном масштабе.
Выбросы метана в Арктике, косвенно вызванные антропогенным глобальным потеплением, также влияют на углеродный цикл и способствуют дальнейшему потеплению.
Более высокие температуры и уровни CO. 2 в атмосфере увеличивают скорость разложения в почве, таким образом, быстрее возвращая CO. 2, хранящийся в растительном материале, в атмосфере. Это также может увеличить к увеличению валовой первичной продукции. Увеличивайте скорость фотосинтеза, позволяя растениям более эффективно использовать воду, потому что им больше не нужно оставлять свои устьица открытыми на такие длительные периоды времени, чтобы поглотить такое же количество углекислого газа. Этот тип удобрения двуокисью углерода влияет в основном на растения C3, потому что растения C4 уже могут эффективно концентрировать CO. 2. Другие антропогенные изменения, такие как загрязнение воздуха, например, повреждают растения и способность почвы удалять углерод из атмосферы. Многие методы ведения сельского хозяйства и землепользования приводят к более высокой скорости эрозии, вымыванию углерода из почвы и снижению продуктивности растений.
Эпифиты на электрических проводах. Этот вид растений потребляет CO. 2 и воду из атмосферы для жизни и роста.
CO. 2 в атмосфере Земли, если половина выбросов глобального потепления не поглощается.. (НАСА компьютерное моделирование ).
Человеческая деятельность со времен индустриальной эры изменила баланс в естественном углеродном цикле. Единицы измерения - гигатонны.]]
 | На Викискладе есть средства массовой информации, связанные с углеродным циклом. |
