Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен из карбонатно-силикатного цикла )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Этот рисунок описывает геологические аспекты и процессы карбонатно-силикатного цикла в рамках долгосрочного углеродного цикла.

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] Двуокись углерода удаляется из атмосферы во время захоронения выветрившихся минералов и возвращается в атмосферу в результате 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. [2]

Однако скорость выветривания чувствительна к факторам, которые влияют на то, сколько земли подвергается воздействию. Эти факторы включают изменения уровня моря , топографии , литологии и растительности . [3] Кроме того, эти геоморфические и химические изменения работали в тандеме с солнечным воздействием, будь то из-за изменений орбиты или звездной эволюции, чтобы определить глобальную температуру поверхности. Кроме того, карбонатно-силикатный цикл считается возможным решением парадокса слабого молодого Солнца . [1] [2]

Обзор цикла [ править ]

Эта схема показывает взаимосвязь между различными физическими и химическими процессами, составляющими карбонатно-силикатный цикл.

Карбонатно-силикатный цикл является основным средством контроля над уровнем углекислого газа в течение длительного времени. [2] 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 . [4]

Физико-химические процессы [ править ]

Микроскопические оболочки, обнаруженные в кернах отложений, могут использоваться для определения прошлых климатических условий, включая температуру океана и аспекты химии атмосферы.
Часть серии о
Цикл углерода
По регионам
  • Наземный
  • морской
  • Атмосферный
  • Глубокий карбон
  • Почва
  • Вечная мерзлота
  • бореальный лес
  • Геохимия
Углекислый газ
  • В атмосфере
  • Закисление океана
  • Удаление
  • Спутниковые измерения
Типы углерода
  • Общий углерод (TC)
  • Общий органический углерод (TOC)
  • Общий неорганический углерод (TIC)
  • Растворенный органический углерод (DOC)
  • Растворенный неорганический углерод (DIC)
  • Твердый органический углерод (POC)
  • Основное производство
    • морской
  • Черный углерод
  • Синий углерод
Метаболические пути
  • Фотосинтез
  • Хемосинтез
  • Цикл Кальвина
  • Обратный цикл Кребса
  • Фиксация углерода
    • C3
    • C4
  • Углеродное дыхание
    • Почва
    • Фото
Угольные насосы
  • Биологический насос
  • Насос растворимости
  • Липидный насос
  • Морской снег
  • Микробная петля
  • Вирусный шунт
  • Желейный насос
  • Китовый насос
  • Континентальный шельфовый насос
Связывание углерода
  • Биосеквестрация
  • Поглотитель углерода
  • Хранение углерода в почве
  • Хранение углекислого газа в океане
Метан
  • Атмосферный метан
  • Метаногенез
  • Выбросы метана
    • Арктический
    • Водно-болотные угодья
  • Аэробное производство
  • Гипотеза клатратской пушки
  • Клатрат диоксида углерода
Биогеохимический
  • Морские циклы
  • Питательный цикл
  • Карбонатно-силикатный цикл
  • Глубина компенсации карбоната
  • Коэффициент Редфилда
Другой
  • Прокси реконструкции климата
  • Глубокая углеродная обсерватория
  • Глобальный углеродный проект
  • Улавливание и хранение углерода
  • Территориализация углеродного управления
  • Сеть наблюдения за общим содержанием углерода
  • C4MIP
  • v
  • т
  • е

Неорганический цикл начинается с производства угольной кислоты (H 2 CO 3 ) из дождевой воды и газообразного диоксида углерода. [5] Углекислота является слабой кислотой , но в течение длительного времени она может растворять силикатные породы (а также карбонатные породы). Большая часть земной коры (и мантии) состоит из силикатов. [6] 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 растворенный кремнезем. Эта реакционная структура является типичным представителем силикатного выветривания минералов силиката кальция. [7] 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 :

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 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 посредством вулканизма, термальных источников 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. [6]

Отзывы [ править ]

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. [6] В течение десятков и сотен миллионов лет уровни углекислого газа в атмосфере могут изменяться из-за естественных возмущений в цикле [8] [9] [10], но в более общем плане он служит критической петлей отрицательной обратной связи между уровни углекислого газа и изменения климата. [5] [7] Например, если CO 2Накапливаясь 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 долгого времени карбонатно-силикатный цикл оказывает стабилизирующее влияние на климат Земли, поэтому его называют термостатом Земли. [4] [11]

Изменения в истории Земли [ править ]

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. [12] Биологические процессы в почвах могут значительно увеличить скорость выветривания. [13] Растения производят органические кислоты , усиливающие 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. [14]

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 углекислого газа . [15] Погода на морском дне связана как со светимостью Солнца, так и с концентрацией углекислого газа. [16]Однако это стало проблемой 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 определить прошлые уровни моря, не идеальны, потому что уровни моря меняются в результате не только корректировки морского дна. [17] Недавние исследования в области моделирования исследовали роль выветривания морского дна на ранней эволюции жизни, показав, что относительно быстрые темпы создания морского дна помогли снизить уровень углекислого газа в умеренной степени. [18]

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. [19] Однако другие факторы, такие как изменения в орбитальном / солнечном воздействии, 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. [20] 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. [21]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 . [22]

Цикл на других планетах [ править ]

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 краю CO 2 может конденсироваться, что снижает парниковый эффект.и снижение температуры поверхности. В результате атмосфера схлопнется в полярные шапки. [4]

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. [23] Используя моделирование, было показано, что газообразные CO 2 и H 2 O, действующие как парниковые газы, не могли сохранять Марс в тепле на раннем этапе его истории, когда солнце было слабее, потому что CO 2конденсируется в облака. [24] Несмотря на то, что облака CO 2 не отражаются так же, как водяные облака на Земле, [25] 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 . [26]

См. Также [ править ]

  • Цикл углерода
  • Обратное выветривание
  • Daisyworld
  • Гипотеза Гайи
  • Сбежавший парниковый эффект
  • Основные ледниковые периоды
  • Земля снежка
  • Озеро Ниос
  • Подкисление океана
  • Парадокс слабого молодого Солнца

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Бернер, Роберт; Лазага, Антонио; Гаррелс, Роберт (1983). «Карбонатно-силикатный геохимический цикл и его влияние на двуокись углерода в атмосфере за последние 100 миллионов лет». Американский журнал науки . 283 (7): 641–683. Bibcode : 1983AmJS..283..641B . DOI : 10,2475 / ajs.283.7.641 .
  2. ^ a b c d 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 . 
  3. ^ 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.
  4. ^ a b c 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.
  5. ^ 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.
  6. ^ a b c "Геология и климат: инструментарий ACS Climate Science" . Американское химическое общество .
  7. ^ 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.
  8. ↑ 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 .
  9. ↑ 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 . 
  10. ^ 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 .
  11. ^ DiVenere, Vic. «Углеродный цикл и климат Земли» . Колумбийский университет.
  12. ^ 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 . 
  13. ^ Тейлор, Лайла L .; 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 .   
  14. ^ 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 . 
  15. ^ 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 . 
  16. ^ 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 .
  17. ^ 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 .
  18. ^ 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 .  
  19. ^ 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 .  
  20. ^ Основная команда писателей; РК Пачаури; Л.А. Мейер, ред. (2014). МГЭИК, 2014 г .: Изменение климата, 2014 г .: Сводный отчет. Вклад рабочих групп I, II и III в Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата . Женева, Швейцария: МГЭИК.
  21. ^ «Окисление океана» . Углерод океана и биогеохимия . Океанографический институт Вудс-Хоул (WHOI).
  22. ^ «Углеродный цикл» . Обсерватория Земли . НАСА. 2011-06-16.
  23. ^ Batalha, Наташа E .; Коппарапу, Рави Кумар; Хакк-Мишра, Иаков; Кастинг, Джеймс Ф. (2016). «Цикл климата на раннем Марсе, вызванный 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 . 
  24. ^ Кастинг, JF (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 . 
  25. ^ Забудьте, 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 . 
  26. ^ 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 [ править ]

  • Понимание долгосрочного углеродного цикла: выветривание горных пород - жизненно важный сток углерода Джон Мейсон, Skeptical Science