Карбонат-силикатных геохимический цикл , также известный как неорганический углерод цикл , описывает долгосрочную трансформацию силикатных пород в карбонатные породы от атмосферных воздействий и седиментации , и преобразование карбонатных пород обратно в силикатные породы метаморфизма и вулканизмом . [1] [2] [3] 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. [3]
Однако скорость выветривания чувствительна к факторам, которые влияют на то, сколько земли подвергается воздействию. Эти факторы включают изменения уровня моря , топографии , литологии и растительности . [4] Кроме того, эти геоморфные и химические изменения работали в тандеме с солнечным воздействием, будь то из-за орбитальных изменений или звездной эволюции, чтобы определить глобальную температуру поверхности. Кроме того, карбонатно-силикатный цикл считается возможным решением парадокса слабого молодого Солнца . [2] [3]
Обзор цикла
Карбонатно-силикатный цикл является основным средством контроля над уровнем углекислого газа в течение длительного времени. [3] Это можно рассматривать как ветвь углеродного цикла , который также включает цикл органического углерода , в котором биологические процессы превращают углекислый газ и воду в органические вещества и кислород посредством фотосинтеза . [5]
Физико-химические процессы
Неорганический цикл начинается с производства угольной кислоты (H 2 CO 3 ) из дождевой воды и газообразного диоксида углерода. [6] Углекислота - 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. [7] 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 2 + , иона бикарбоната HCO 3 - и растворенного кремнезема. Эта реакционная структура типична для силикатного выветривания минералов силиката кальция в целом. [8] Химический путь следующий:
Речной сток переносит эти продукты в океан, где морские кальцифицирующие организмы используют Ca 2+ и HCO 3 - для создания своих раковин и скелетов, процесс, называемый осаждением карбоната :
Для выветривания силикатных пород необходимы две молекулы CO 2 ; морская кальцификация выбрасывает 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 предполагает движение 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 выбрасываются из недр в атмосферу через вулканизм, термальные источники в океане или содовые источники , которые представляют собой природные источники, содержащие углекислый газ или газированную воду:
Этот последний шаг возвращает вторую молекулу CO 2 в атмосферу и закрывает бюджет неорганического углерода . 99,6% всего углерода на Земле (что составляет примерно 10 8 миллиардов тонн углерода) секвестрируется в долговременном резервуаре горных пород. И практически весь углерод провел время в форме карбоната. Напротив, в биосфере существует только 0,002% углерода. [7]
Отзывы
Изменения на поверхности планеты, такие как отсутствие вулканов или повышение уровня моря, которые уменьшили бы площадь поверхности суши, подверженной выветриванию, могут изменить скорость, с которой происходят различные процессы в этом цикле. [7] В течение десятков и сотен миллионов лет уровни углекислого газа в атмосфере могут изменяться из-за естественных возмущений в цикле [9] [10] [11], но в более общем плане он служит критической петлей отрицательной обратной связи между уровни углекислого газа и изменения климата. [6] [8] 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 течение длительного времени карбонатно-силикатный цикл оказывает стабилизирующее влияние на климат Земли, поэтому его называют термостатом Земли. [5] [12]
Изменения в истории 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 карбонатного биоминерализации вблизи докембрия - кембрийский граница позволило бы более эффективное удаление продуктов выветривания из океана. [13] Биологические процессы в почвах могут значительно увеличить скорость выветривания. [14] Растения производят органические кислоты, которые усиливают выветривание . Эти кислоты выделяются корневыми и микоризными грибами , а также микробными гнилями растений . Корневая дыхания и окисления из органической почвы независимо от того , также производят углекислый газ , который превращается в угольную кислоту , которая увеличивает атмосферных воздействий. [15]
Тектоника может вызвать изменения в карбонатно-силикатном цикле. Например, считается , что поднятие крупных горных хребтов, таких как Гималаи и Анды , положило начало позднекайнозойскому ледниковому периоду из-за увеличения скорости силикатного выветривания и снижения уровня углекислого газа . [16] Погода на морском дне связана как со светимостью Солнца, так и с концентрацией углекислого газа. [17] Однако это представляло проблему для разработчиков моделей, которые пытались связать скорость дегазации и субдукции с соответствующими темпами изменения морского дна. Правильные, несложные прокси-данные трудно получить для таких вопросов. Например, керны отложений, по которым ученые могут определить прошлые уровни моря, не идеальны, потому что уровни моря меняются в результате не только изменения уровня морского дна. [18] Недавние исследования в области моделирования исследовали роль выветривания морского дна в ранней эволюции жизни, показав, что относительно быстрые темпы создания морского дна помогли снизить уровень углекислого газа до умеренной степени. [19]
Наблюдения так называемого глубокого времени показывают, что Земля имеет относительно нечувствительную обратную связь выветривания горных пород, допускающую большие колебания температуры. Палеоклиматические записи показывают, что в атмосфере примерно в два раза больше углекислого газа, глобальные температуры достигли на 5-6 ° C выше, чем нынешние температуры. [20] Однако другие факторы, такие как изменения орбитального / солнечного воздействия, способствуют глобальному изменению температуры в палеозаписи.
Выбросы CO 2 людьми неуклонно возрастают, и, как следствие, концентрация CO 2 в системе Земля достигла беспрецедентных уровней за очень короткое время. [21] 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 2- с образованием большего количества ионов бикарбоната и уменьшением количества доступных карбонат-ионов, что представляет собой препятствие для процесса осаждения карбоната углерода. [22] 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 . [23]
Цикл на других планетах
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 краю обитаемой зоны Солнечной системы . Даже если планета начинается с жидкой воды на поверхности, если она становится слишком теплой, она претерпевает неконтролируемую теплицу , теряя воду на поверхности. Без необходимой дождевой воды не будет происходить выветривания с образованием углекислоты из газообразного CO 2 . Кроме того, на внешнем крае CO 2 может конденсироваться, что снижает парниковый эффект и снижает температуру поверхности. В результате атмосфера схлопнется в полярные шапки. [5]
Марс - такая планета. Расположенная на краю обитаемой зоны Солнечной системы, ее поверхность слишком холодна для образования жидкой воды без парникового эффекта. С его тонкой атмосферой средняя температура поверхности Марса 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. [24] С помощью моделирования было показано, что газообразные CO 2 и H 2 O, действующие как парниковые газы, не могли сохранять Марс в тепле на его ранней истории, когда солнце было слабее, потому что CO 2 конденсировался в облака. [25] Несмотря на то, что облака CO 2 не отражаются так же, как водяные облака на Земле, [26] они не могли иметь большой карбонатно-силикатный цикл в прошлом.
Напротив, Венера расположена на внутреннем крае обитаемой зоны и имеет среднюю температуру поверхности 737 К (464 ° C). После потери воды из-за фотодиссоциации и утечки водорода Венера перестала удалять углекислый газ из атмосферы, а вместо этого начала накапливать его и испытывать безудержный парниковый эффект.
На экзопланетах , закрытых приливом , расположение субзвездной точки будет определять выброс углекислого газа из литосферы . [27]
Смотрите также
- Углеродный цикл
- Обратное выветривание
- Daisyworld
- Гипотеза Гайи
- Сбежавший парниковый эффект
- Основные ледниковые периоды
- Земля снежка
- Озеро Ниос
- Подкисление океана
- Парадокс слабого молодого Солнца
Рекомендации
- Перейти ↑ Urey, HC (1952). Планеты: их происхождение и развитие. Лекции в память миссис Хепса Эли Силлиман.
- ^ а б Бернер, Роберт; Лазага, Антонио; Гаррелс, Роберт (1983). «Карбонатно-силикатный геохимический цикл и его влияние на атмосферный углекислый газ за последние 100 миллионов лет». Американский журнал науки . 283 (7): 641–683. Bibcode : 1983AmJS..283..641B . DOI : 10,2475 / ajs.283.7.641 .
- ^ а б в г Уокер, Джеймс К.Г.; Hays, PB; Кастинг, Дж. Ф. (1981). «Механизм отрицательной обратной связи для долговременной стабилизации температуры поверхности Земли». Журнал геофизических исследований: океаны . 86 (C10): 9776–9782. Bibcode : 1981JGR .... 86.9776W . DOI : 10.1029 / JC086iC10p09776 . ISSN 2156-2202 .
- ^ Уокер, Джеймс CG (1993). «Биогеохимические циклы углерода в иерархии временных масштабов». Биогеохимия глобальных изменений: радиационно-активные следовые газы. Избранные доклады десятого Международного симпозиума по биогеохимии окружающей среды . Бостон, Массачусетс: Спрингер. С. 3–28. DOI : 10.1007 / 978-1-4615-2812-8_1 . ISBN 978-1-4613-6215-9.
- ^ а б в Салливан, Вудрафф Т .; Баросс, Джон А. (2007). «Планетарные атмосферы и жизнь». Планеты и жизнь . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. С. 91–116. ISBN 978-0-521-53102-3.
- ^ а б Бонан, Гордон (2013). Экологическая климатология: концепции и приложения (2-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. С. 105–128. ISBN 978-0-521-69319-6.
- ^ а б в «Геология и климат: инструментарий ACS Climate Science Toolkit» . Американское химическое общество .
- ^ а б Кэтлинг, Дэвид С .; Кастинг, Джеймс Ф. (2017). Эволюция атмосферы в обитаемых и безжизненных мирах . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. С. 299–326. ISBN 978-0-521-84412-3.
- ^ Бернер, Роберт А. (1 апреля 1991 г.). «Модель атмосферного CO 2 за фанерозойское время». Американский журнал науки . 291 (4): 339–376. Bibcode : 1991AmJS..291..339B . DOI : 10,2475 / ajs.291.4.339 .
- ^ Бернер, Роберт А. (29 января 1998 г.). «Круговорот углерода и углекислый газ в фанерозое: роль наземных растений» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия B: Биологические науки . 353 (1365): 75–82. DOI : 10.1098 / rstb.1998.0192 . PMC 1692179 .
- ^ Бернер, Роберт А .; Бирлинг, Дэвид Дж .; Дадли, Роберт; Робинсон, Дженнифер М .; Уайлдман-младший, Ричард А. (2003). «Фанерозойский атмосферный кислород». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 31 (31): 105–134. Bibcode : 2003AREPS..31..105B . DOI : 10.1146 / annurev.earth.31.100901.141329 .
- ^ DiVenere, Vic. «Углеродный цикл и климат Земли» . Колумбийский университет.
- ^ Риджуэлл, А; Зибе, Р. (2005). «Роль глобального карбонатного цикла в регулировании и эволюции системы Земли». Письма о Земле и планетологии . 234 (3–4): 299–315. DOI : 10.1016 / j.epsl.2005.03.006 . ISSN 0012-821X .
- ^ Тейлор, Лайла Л .; Banwart, Steve A .; Вальдес, Пол Дж .; Лик, Джонатан Р .; Бирлинг, Дэвид Дж. (2012). «Оценка воздействия наземных экосистем, климата и углекислого газа на выветривание в течение геологического времени: глобальный процесс, основанный на подходе» . Философские труды Королевского общества B: биологические науки . 367 (1588): 565–582. DOI : 10,1098 / rstb.2011.0251 . ISSN 0962-8436 . PMC 3248708 . PMID 22232768 .
- ^ Бернер, Роберт А. (1992). «Выветривание, растения и долгосрочный углеродный цикл». Geochimica et Cosmochimica Acta . 56 (8): 3225–3231. Bibcode : 1992GeCoA..56.3225B . DOI : 10.1016 / 0016-7037 (92) 90300-8 . ISSN 0016-7037 .
- ^ Raymo, Maureen E .; Руддиман, Уильям Ф .; Froelich, Филип Н. (1988). «Влияние позднекайнозойского горообразования на геохимические циклы океана». Геология . 16 (7): 649. Bibcode : 1988Geo .... 16..649R . DOI : 10.1130 / 0091-7613 (1988) 016 <0649: iolcmb> 2.3.co; 2 . ISSN 0091-7613 .
- ^ Брэди, Патрик; Гисласон, Сигурдур Р. (март 1997 г.). «Контроль за выветриванием морского дна, атмосферным CO2 и глобальным климатом. Автор ссылается на открытую накладную панель». Geochimica et Cosmochimica Acta . 61 (5): 965–973. DOI : 10.1016 / S0016-7037 (96) 00385-7 .
- ^ Бернер, Роберт А .; Лазага, Антонио К. (март 1989 г.). «Моделирование геохимического цикла углерода». Scientific American . 260 (3): 74–81. Bibcode : 1989SciAm.260c..74B . DOI : 10.1038 / Scientificamerican0389-74 .
- ^ Криссансен-Тоттон, Джошуа; Arney, Giada N .; Кэтлинг, Дэвид К. (17 апреля 2018 г.). «Ограничение климата и pH океана на ранней Земле с помощью геологической модели углеродного цикла» . PNAS . 115 (16): 4105–4110. arXiv : 1804.00763 . Bibcode : 2018PNAS..115.4105K . DOI : 10.1073 / pnas.1721296115 . PMC 5910859 . PMID 29610313 .
- ^ Криссансен-Тоттон, Джошуа; Кэтлинг, Дэвид К. (22 мая 2017 г.). «Ограничение чувствительности климата и выветривания континентального и морского дна с использованием модели обратного геологического цикла углерода» . Nature Communications . 8 : 15423. Bibcode : 2017NatCo ... 815423K . DOI : 10.1038 / ncomms15423 . PMC 5458154 . PMID 28530231 .
- ^ Основная команда писателей; РК Пачаури; Л.А. Мейер, ред. (2014). IPCC, 2014: Climate Change 2014: Synthesis Report. Вклад рабочих групп I, II и III в Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата . Женева, Швейцария: МГЭИК.
- ^ «Подкисление океана» . Углерод океана и биогеохимия . Океанографический институт Вудс-Хоул (WHOI).
- ^ «Углеродный цикл» . Обсерватория Земли . НАСА. 2011-06-16.
- ^ Баталья, Наташа Е .; Коппарапу, Рави Кумар; Хакк-Мишра, Иаков; Кастинг, Джеймс Ф. (2016). «Климатические циклы на раннем Марсе, вызванные карбонатно-силикатным циклом». Письма о Земле и планетологии . 455 : 7–13. arXiv : 1609.00602 . Bibcode : 2016E & PSL.455 .... 7B . DOI : 10.1016 / j.epsl.2016.08.044 . S2CID 119257332 .
- ^ Кастинг, Дж. Ф. (1991). «Конденсация СО2 и климат раннего Марса». Икар . 94 (1): 1–13. Bibcode : 1991Icar ... 94 .... 1K . DOI : 10.1016 / 0019-1035 (91) 90137-I . PMID 11538088 .
- ^ Забудь, Франсуа; Пьерумберт, Раймонд Т. (1997). «Нагрев раннего Марса облаками из углекислого газа, рассеивающими инфракрасное излучение». Наука . 278 (5341): 1273–1276. Bibcode : 1997Sci ... 278.1273F . DOI : 10.1126 / science.278.5341.1273 . PMID 9360920 .
- ^ Эдсон, Адам Р .; Кастинг, Джеймс Ф .; Поллард, Дэвид; Ли, Сукён; Бэннон, Питер Р. (2012). «Карбонатно-силикатный цикл и обратная связь CO2 / климата на планетах земной группы, заблокированных приливом». Астробиология . 12 (6): 562–571. Bibcode : 2012AsBio..12..562E . DOI : 10.1089 / ast.2011.0762 . ISSN 1531-1074 . PMID 22775488 .
Внешние ссылки
- Понимание долгосрочного углеродного цикла: выветривание горных пород - жизненно важный сток углерода Джон Мейсон, Skeptical Science