В океанической биогеохимии , то растворимость насос представляет собой физико-химический процесс , который транспортирует уголь в качестве растворенного неорганического углерода (DIC) от поверхности океана к его внутренней части .
Обзор [ править ]
| Часть серии о |
| Цикл углерода |
|---|
 |
Насос растворимости приводится в действие совпадением двух процессов в океане:
- Растворимость в двуокиси углерода является сильной обратной функцией температуры морской воды (т.е. растворимости больше в более холодной воде)
- Термохалинная циркуляция обусловлена образованием глубокой воды в высоких широтах , где морская вода, как правило , холоднее и плотнее
Поскольку глубоководная вода (то есть морская вода внутри океана) образуется при тех же поверхностных условиях, которые способствуют растворимости углекислого газа, она содержит более высокую концентрацию растворенного неорганического углерода, чем можно было бы ожидать исходя из средних поверхностных концентраций. Следовательно, эти два процесса действуют вместе, перекачивая углерод из атмосферы в глубь океана.
Одним из следствий этого является то, что когда глубокая вода поднимается вверх в более теплых экваториальных широтах, она сильно выделяет углекислый газ в атмосферу из-за пониженной растворимости газа.
У насоса растворимости есть биологический аналог, известный как биологический насос . Обзор обоих насосов см. В Raven & Falkowski (1999). [1]
Растворимость углекислого газа [ править ]
Двуокись углерода , как и другие газы, растворяется в воде. Однако, в отличие от многих других газов ( например, кислорода ), он вступает в реакцию с водой и образует баланс нескольких ионных и неионных частиц (вместе известных как растворенный неорганический углерод или DIC). Это растворенный свободный диоксид углерода (CO 2 (водн.) ), Угольная кислота (H 2 CO 3 ), бикарбонат (HCO 3 - ) и карбонат (CO 3 2- ), и они взаимодействуют с водой следующим образом:
Баланс этих карбонатных разновидностей (который в конечном итоге влияет на растворимость диоксида углерода) зависит от таких факторов, как pH , как показано на графике Бьеррума . В морской воде это регулируется балансом заряда ряда положительных (например, Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ ) и отрицательных (например, самого CO 3 2– , Cl - , SO 4 2– , Br -) ионы. Обычно баланс этих видов оставляет чистый положительный заряд. Что касается карбонатной системы, этот избыточный положительный заряд сдвигает баланс карбонатных разновидностей в сторону отрицательных ионов для компенсации. Результатом этого является снижение концентрации свободного диоксида углерода и разновидностей углекислоты, что, в свою очередь, приводит к поглощению диоксида углерода из атмосферы в океане для восстановления баланса. Таким образом, чем больше дисбаланс положительного заряда, тем выше растворимость диоксида углерода. В терминах химии карбонатов этот дисбаланс называется щелочностью .
С точки зрения измерения ключевое значение имеют четыре основных параметра: общий неорганический углерод (TIC, T CO2 или C T ), общая щелочность (T ALK или A T ), pH и pCO 2 . Измерение любых двух из этих параметров позволяет определять широкий спектр pH-зависимых видов (включая вышеупомянутые виды). Этот баланс можно изменить с помощью ряда процессов. Например, воздух-море поток СО 2 , в растворения / осаждения из CaCO 3, или биологическая активность, такая как фотосинтез / дыхание . Каждый из них по-разному влияет на каждый из четырех основных параметров, и вместе они оказывают сильное влияние на глобальные циклы. Чистый и локальный заряд океанов остается нейтральным во время любого химического процесса.
Антропогенные изменения [ править ]
Сгорания из ископаемого топлива , изменений в землепользовании, а также производства цемента , привели к потоку СО 2 в атмосферу. В настоящее время считается , что около одной трети (примерно 2 гигатонны углерода в год) [2] [3] антропогенных выбросов CO 2 поступает в океан. Насос растворимости является основным механизмом, управляющим этим потоком, в результате чего антропогенный CO 2 достигает глубин океана через высокоширотные участки глубоководных образований (особенно в Северной Атлантике). В конечном итоге большая часть CO 2, выбрасываемого в результате деятельности человека, растворяется в океане [4]. однако скорость, с которой океан поглотит его в будущем, менее определена.
В исследовании углеродного цикла до конца 21 века Cox et al. (2000) [5] предсказали, что скорость поглощения CO 2 начнет насыщаться с максимальной скоростью на уровне 5 гигатонн углерода в год к 2100 году. Частично это произошло из -за нелинейностей в карбонатной системе морской воды, но также из-за изменение климата . Потепление океана снижает растворимость CO 2 в морской воде, замедляя реакцию океана на выбросы. Потепление также увеличивает стратификацию океана, изолируя поверхность океана от более глубоких вод. Кроме того, изменения термохалинной циркуляции океана (в частности, замедление)[6] может уменьшать перенос растворенного CO 2 в глубину океана. Однако масштабы этих процессов все еще остаются неопределенными, что не позволяет сделать хорошие долгосрочные оценки судьбы насоса растворимости.
Хотя поглощение океаном антропогенного CO 2 из атмосферы снижает изменение климата, оно вызывает закисление океана, что, как считается, будет иметь негативные последствия для морских экосистем. [7]
См. Также [ править ]
- Щелочность
- Биологический насос
- Континентальный шельфовый насос
- Закисление океана
- Термохалинное кровообращение
- Общий неорганический углерод
Ссылки [ править ]
- Перейти ↑ Raven, JA and PG Falkowski (1999). Океанические поглотители атмосферного CO 2 . Plant Cell Environ. 22 , 741-755.
- ^ Такахаши, Таро; Сазерленд, Стюарт С.; Суини, Колм; Пуассон, Ален; Мецль, Николас; Тилбрук, Бронте; Бейтс, Николас; Ваннинкхоф, Рик; Фили, Ричард А .; Сабина, Кристофер; Олафссон, Джон; Нодзири, Юкихиро (2002). «Глобальный поток CO2 в море и воздухе на основе климатологического pCO2 поверхности океана, а также сезонных биологических и температурных эффектов». Deep Sea Research Part II: Актуальные исследования в океанографии . 49 (9–10): 1601–1622. Bibcode : 2002DSRII..49.1601T . DOI : 10.1016 / S0967-0645 (02) 00003-6 .
- ^ Орр, Дж. К., Э. Майер-Реймер, У. Миколаевич, П. Монфрей, Дж. Л. Сармиенто, Дж. Р. Тоггвейлер, Н. К. Тейлор, Дж. Палмер, Н. Грубер, К. Л. Сабин, К. Ле Кере, Р. М. Ки и Дж. Бутин (2001). Оценки антропогенного поглощения углерода по четырем трехмерным моделям глобального океана. Global Biogeochem. Циклы 15 , 43-60.
- ^ Арчер, Д. (2005). Судьба ископаемого топлива CO 2 в геологическое время. J. Geophys. Res. , 110 , DOI : 10,1029 / 2004JC002625 .
- ^ Кокс, PM, Беттс, RA, Джонс, CD, Сполл, SA и Totterdell, IJ (2000). Ускорение глобального потепления из-за обратной связи углеродного цикла в связанной модели климата. Nature , 408 , 184–187.
- ^ Bryden, HL, Longworth, HR и Cunningham, SA (2005). Замедление атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции на 25 ° северной широты. Nature , 438 , 655-657.
- ^ Орр, JC et al. (2005). Антропогенное закисление океана в XXI веке и его влияние на кальцифицирующие организмы. Nature 437 , 681-686.
