stringtranslate.com

Карбонатно-силикатный цикл

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 пород в карбонатные породы путем выветривания и седиментации , а также преобразование карбонатных пород обратно в силикатные породы путем метаморфизма и вулканизма . [1] [2] [3] Углекислый газ удаляется из атмосферы во время захоронения выветренных минералов и возвращается в атмосферу через вулканизм . В масштабах миллионов лет карбонатно-силикатный цикл является ключевым фактором в управлении климатом Земли, поскольку он регулирует уровни углекислого газа и, следовательно, глобальную температуру. [3]

Скорость выветривания чувствительна к факторам, которые изменяют, насколько открыта земля. К этим факторам относятся уровень моря , топография , литология и изменения растительности . [4] Более того, эти геоморфологические и химические изменения работали в тандеме с солнечным воздействием, будь то из-за орбитальных изменений или звездной эволюции, определяя глобальную температуру поверхности . Кроме того, карбонатно-силикатный цикл считался возможным решением парадокса слабого молодого Солнца . [2] [3]

Обзор цикла

На этой схеме показана взаимосвязь между различными физическими и химическими процессами, составляющими карбонатно-силикатный цикл.

Карбонатно-силикатный цикл является основным регулятором уровня углекислого газа в течение длительного времени. [3] Его можно рассматривать как ветвь углеродного цикла , который также включает органический углеродный цикл , в котором биологические процессы преобразуют углекислый газ и воду в органические вещества и кислород посредством фотосинтеза . [5]

Физические и химические процессы

Микроскопические раковины, обнаруженные в осадочных кернах, могут быть использованы для определения прошлых климатических условий, включая температуру океана и аспекты химии атмосферы.

Неорганический цикл начинается с производства угольной кислоты (H 2 CO 3 ) из дождевой воды и газообразного диоксида углерода. [6] В результате этого процесса нормальный дождь имеет pH около 5,6. [7] Угольная кислота 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. [8] В результате эти вещества распадаются на растворенные ионы. Например, силикат кальция (CaSiO 3 ), или волластонит , реагирует с диоксидом углерода и водой, образуя ион кальция, Ca 2+ , ион бикарбоната, HCO 3 − , и растворенный кремний. Эта структура реакции является типичной для общего выветривания силикатных минералов кальция. [9] Химический путь выглядит следующим образом:

Речной сток переносит эти продукты в океан, где морские кальцифицирующие организмы используют Ca2 + и HCO3− для построения своих раковин и скелетов . Этот процесс называется осаждением карбонатов :

Для выветривания силикатных пород требуются две молекулы CO2 ; морская кальцификация высвобождает одну молекулу обратно в атмосферу. Карбонат кальция (CaCO3 ) , содержащийся в раковинах и скелетах, тонет после смерти морского организма и оседает на дне океана.

Заключительная стадия процесса включает движение морского дна. В зонах субдукции карбонатные отложения захоронены и вытеснены обратно в мантию . Некоторое количество карбоната может быть перенесено глубоко в мантию, где высокие условия давления и температуры позволяют ему метаморфически соединяться с SiO 2 с образованием CaSiO 3 и CO 2 , который высвобождается из недр в атмосферу через вулканизм, термальные источники в океане или содовые источники , которые являются естественными источниками, содержащими углекислый газ или содовую воду:

Этот последний шаг возвращает вторую молекулу CO 2 в атмосферу и закрывает бюджет неорганического углерода . 99,6% всего углерода на Земле (что эквивалентно примерно 10 8 миллиардам тонн углерода) изолируется в долгосрочном резервуаре горных пород. И по сути весь углерод провел время в форме карбоната. Напротив, только 0,002% углерода существует в биосфере. [8]

Отзывы

Изменения поверхности планеты, такие как отсутствие вулканов или более высокий уровень моря, которые могут уменьшить количество поверхности суши, подверженной выветриванию, могут изменить скорости, с которыми происходят различные процессы в этом цикле. [8] В течение десятков или сотен миллионов лет уровни углекислого газа в атмосфере могут меняться из-за естественных возмущений в цикле [10] [11] [12] , но даже в более общем плане он служит критическим циклом отрицательной обратной связи между уровнями углекислого газа и изменениями климата. [6] [9] Например, если CO2 накапливается в атмосфере, парниковый эффект будет способствовать повышению температуры поверхности, что, в свою очередь, увеличит скорость выпадения осадков и выветривания силиката, что приведет к удалению углерода из атмосферы. Таким образом, в течение длительного времени карбонатно-силикатный цикл оказывает стабилизирующее воздействие на климат Земли, поэтому его называют термостатом Земли. [5] [13]

Изменения в истории Земли

Аспекты карбонатно-силикатного цикла менялись на протяжении истории Земли в результате биологической эволюции и тектонических изменений. Как правило, образование карбонатов опережало образование силикатов, эффективно удаляя углекислый газ из атмосферы. Появление карбонатной биоминерализации вблизи границы докембрия и кембрия позволило бы более эффективно удалять продукты выветривания из океана. [14] Биологические процессы в почвах могут значительно увеличить скорость выветривания. [15] Растения вырабатывают органические кислоты , которые усиливают выветривание . Эти кислоты выделяются корневыми и микоризными грибами , а также микробным разложением растений . Дыхание корней и окисление органического вещества почвы также производят углекислый газ , который преобразуется в угольную кислоту , которая усиливает выветривание. [16]

Тектоника может вызывать изменения в карбонатно-силикатном цикле. Например, считается, что подъем крупных горных хребтов, таких как Гималаи и Анды , инициировал позднекайнозойский ледниковый период из-за увеличения скорости выветривания силикатов и снижения уровня углекислого газа . [17] Погода на морском дне связана как с солнечной светимостью, так и с концентрацией углекислого газа. [18] Однако это стало проблемой для разработчиков моделей, которые пытались связать скорость дегазации и субдукции с соответствующими скоростями изменения морского дна. Для таких вопросов трудно получить надлежащие, простые косвенные данные. Например, осадочные керны, из которых ученые могут вывести прошлые уровни моря, не являются идеальными, поскольку уровень моря меняется в результате не только корректировки морского дна. [19] Недавние исследования моделирования изучили роль выветривания морского дна в ранней эволюции жизни, показав, что относительно быстрые скорости создания морского дна работали над снижением уровня углекислого газа в умеренной степени. [20]

Наблюдения за так называемым глубоким временем показывают, что Земля имеет относительно нечувствительную обратную связь выветривания горных пород, что допускает большие колебания температуры. При примерно вдвое большем количестве углекислого газа в атмосфере палеоклиматические записи показывают, что глобальные температуры достигли на 5-6 °C выше современных температур. [21] Однако другие факторы, такие как изменения в орбитальном/солнечном воздействии, способствуют глобальному изменению температуры в палеоклиматических записях.

Выбросы CO 2 в результате деятельности человека неуклонно растут, и последующая концентрация CO 2 в системе Земли достигла беспрецедентных уровней за очень короткий промежуток времени. [22] Избыточный углерод в атмосфере, растворенный в морской воде, может изменить скорость карбонатно-силикатного цикла. Растворенный CO 2 может реагировать с водой, образуя ионы бикарбоната, HCO 3 − , и ионы водорода, H + . Эти ионы водорода быстро реагируют с карбонатом, CO 3 2- , производя больше ионов бикарбоната и уменьшая доступные ионы карбоната, что представляет собой препятствие для процесса осаждения карбоната углерода. [23] Иными словами, 30% избыточного углерода, выбрасываемого в атмосферу, поглощается океанами. Более высокие концентрации углекислого газа в океанах работают на то, чтобы подтолкнуть процесс осаждения карбоната в противоположном направлении (влево), производя меньше CaCO 3 . Этот процесс, который вредит организмам, строящим раковины, называется закислением океана . [24]

Цикл на других планетах

Не следует предполагать, что карбонатно-силикатный цикл появится на всех планетах земной группы . Для начала, карбонатно-силикатный цикл требует наличия водного цикла. Поэтому он нарушается на внутреннем крае обитаемой зоны Солнечной системы . Даже если планета изначально имеет жидкую воду на поверхности, если она становится слишком теплой, она подвергнется неуправляемому парниковому эффекту , теряя поверхностную воду. Без необходимой дождевой воды не будет происходить выветривания для производства углекислоты 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. [5]

Марс — такая планета. Расположенный на краю обитаемой зоны Солнечной системы, его 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, казалось бы, недостаточное поступающее солнечное излучение, некоторые предположили, что мог существовать цикл, аналогичный карбонатно-силикатному циклу Земли — подобно отступлению от периодов Земли-снежка . [25] С помощью модельных исследований было показано, что газообразные CO 2 и H 2 O, действующие как парниковые газы, не могли поддерживать тепло Марса в его ранней истории, когда Солнце было слабее, потому что CO 2 конденсировался в облака. [26] Несмотря на то, что облака CO 2 не отражают так же, как водяные облака на Земле, [27] в прошлом у него не могло быть большого количества карбонатно-силикатного цикла.

Напротив, Венера расположена на внутреннем краю обитаемой зоны и имеет среднюю температуру поверхности 737 К (464 °C). Потеряв воду из-за фотодиссоциации и утечки водорода , Венера перестала удалять углекислый газ из своей атмосферы и вместо этого начала его накапливать, испытывая неуправляемый парниковый эффект .

На экзопланетах , находящихся в приливном захвате , местоположение субзвездной точки будет определять выброс углекислого газа из литосферы . [28]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Юри, ХК (1952). Планеты: их происхождение и развитие. Лекции памяти миссис Хепсы Эли Силлиман.
  2. ^ ab Бернер, Роберт; Ласага, Антонио; Гаррелс, Роберт (1983). «Карбонатно-силикатный геохимический цикл и его влияние на содержание углекислого газа в атмосфере за последние 100 миллионов лет». American Journal of Science . 283 (7): 641–683. Bibcode : 1983AmJS..283..641B. doi : 10.2475/ajs.283.7.641 .
  3. ^ abcd Walker, James CG; Hays, PB; Kasting, JF (1981). «Механизм отрицательной обратной связи для долгосрочной стабилизации температуры поверхности Земли». Journal of Geophysical Research: Oceans . 86 (C10): 9776–9782. Bibcode : 1981JGR....86.9776W. doi : 10.1029/JC086iC10p09776. ISSN  2156-2202.
  4. ^ Walker, James CG (1993). "Биогеохимические циклы углерода в иерархии временных шкал". Биогеохимия глобальных изменений: радиационно активные следовые газы. Избранные доклады Десятого международного симпозиума по экологической биогеохимии . Бостон, Массачусетс: Springer. стр. 3–28. doi :10.1007/978-1-4615-2812-8_1. ISBN 978-1-4613-6215-9.
  5. ^ abc Салливан, Вудрафф Т.; Баросс, Джон А. (2007). «Планетные атмосферы и жизнь». Планеты и жизнь . Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press. стр. 91–116. ISBN 978-0-521-53102-3.
  6. ^ ab Bonan, Gordon (2013). Экологическая климатология: концепции и приложения (2-е изд.). Нью-Йорк: Cambridge University Press. С. 105–128. ISBN 978-0-521-69319-6.
  7. ↑ Агентство по охране окружающей среды (9 февраля 2016 г.). «Что такое кислотный дождь?».
  8. ^ abc "Геология и климат: набор инструментов ACS Climate Science". Американское химическое общество .
  9. ^ ab Catling, David C.; Kasting, James F. (2017). Эволюция атмосферы в обитаемых и безжизненных мирах . Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press. стр. 299–326. ISBN 978-0-521-84412-3.
  10. ^ Бернер, Роберт А. (1 апреля 1991 г.). «Модель атмосферного CO2 в течение фанерозоя». American Journal of Science . 291 (4): 339–376. Bibcode : 1991AmJS..291..339B. doi : 10.2475/ajs.291.4.339 .
  11. ^ Бернер, Роберт А. (29 января 1998 г.). «Углеродный цикл и углекислый газ в фанерозое: роль наземных растений». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences . 353 (1365): 75–82. doi :10.1098/rstb.1998.0192. PMC 1692179 . 
  12. ^ Бернер, Роберт А.; Бирлинг, Дэвид Дж.; Дадли, Роберт; Робинсон, Дженнифер М.; Уайлдман, младший, Ричард А. (2003). «Фанерозойский атмосферный кислород». Annual Review of Earth and Planetary Sciences . 31 (31): 105–134. Bibcode : 2003AREPS..31..105B. doi : 10.1146/annurev.earth.31.100901.141329.
  13. ^ ДиВенер, Вик. «Углеродный цикл и климат Земли». Колумбийский университет.
  14. ^ Риджвелл, А.; Зибе, Р. (2005). «Роль глобального карбонатного цикла в регуляции и эволюции системы Земли». Earth and Planetary Science Letters . 234 (3–4): 299–315. doi :10.1016/j.epsl.2005.03.006. ISSN  0012-821X.
  15. ^ Тейлор, Лайла Л.; Банварт, Стив А.; Вальдес, Пол Дж.; Лик, Джонатан Р.; Бирлинг, Дэвид Дж. (2012). «Оценка влияния наземных экосистем, климата и углекислого газа на выветривание в течение геологического времени: подход, основанный на глобальных процессах». Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences . 367 (1588): 565–582. doi :10.1098/rstb.2011.0251. ISSN  0962-8436. PMC 3248708 . PMID  22232768. 
  16. ^ Бернер, Роберт А. (1992). «Выветривание, растения и долгосрочный цикл углерода». Geochimica et Cosmochimica Acta . 56 (8): 3225–3231. Bibcode : 1992GeCoA..56.3225B. doi : 10.1016/0016-7037(92)90300-8 . ISSN  0016-7037.
  17. ^ Raymo, Maureen E.; Ruddiman, William F.; Froelich, Philip N. (1988). "Влияние позднекайнозойского горообразования на океанические геохимические циклы". Geology . 16 (7): 649. Bibcode : 1988Geo....16..649R. doi : 10.1130/0091-7613(1988)016<0649:iolcmb>2.3.co;2. ISSN  0091-7613.
  18. ^ Брэди, Патрик; Гисласон, Сигурдур Р. (март 1997 г.). «Влияние выветривания морского дна на уровень CO2 в атмосфере и глобальный климат. Ссылки автора открывают панель наложения». Geochimica et Cosmochimica Acta . 61 (5): 965–973. doi :10.1016/S0016-7037(96)00385-7.
  19. ^ Бернер, Роберт А.; Ласага, Антонио К. (март 1989 г.). «Моделирование геохимического цикла углерода». Scientific American . 260 (3): 74–81. Bibcode : 1989SciAm.260c..74B. doi : 10.1038/scientificamerican0389-74.
  20. ^ Криссансен-Тоттон, Джошуа; Арни, Джиада Н.; Кэтлинг, Дэвид К. (17 апреля 2018 г.). «Ограничение климата и pH океана ранней Земли с помощью модели геологического цикла углерода». PNAS . 115 (16): 4105–4110. arXiv : 1804.00763 . Bibcode : 2018PNAS..115.4105K . doi : 10.1073/pnas.1721296115 . PMC 5910859. PMID  29610313. 
  21. ^ 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. 
  22. ^ Основная группа авторов; RK Pachauri; LA Meyer, ред. (2014). МГЭИК, 2014: Изменение климата 2014: Сводный отчет. Вклад рабочих групп I, II и III в Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата. Женева, Швейцария: МГЭИК.
  23. ^ "Окисление океана". Углерод океана и биогеохимия . Океанографический институт Вудс-Хоул (WHOI).
  24. ^ "Углеродный цикл". Earth Observatory . NASA. 2011-06-16.
  25. ^ Баталья, Наташа Э.; Коппарапу, Рави Кумар; Хакк-Мисра, Джейкоб; Кастинг, Джеймс Ф. (2016). «Климатические циклы на раннем Марсе, вызванные карбонатно-силикатным циклом». Earth and Planetary Science Letters . 455 : 7–13. arXiv : 1609.00602 . Bibcode : 2016E&PSL.455....7B. doi : 10.1016/j.epsl.2016.08.044. S2CID  119257332.
  26. ^ Кастинг, Дж. Ф. (1991). «Конденсация CO 2 и климат раннего Марса». Icarus . 94 (1): 1–13. Bibcode :1991Icar...94....1K. doi :10.1016/0019-1035(91)90137-I. PMID  11538088.
  27. ^ Забудьте, Франсуа; Пьерхумбер, Рэймонд Т. (1997). «Согревание раннего Марса облаками углекислого газа, рассеивающими инфракрасное излучение». Science . 278 (5341): 1273–1276. Bibcode :1997Sci...278.1273F. doi :10.1126/science.278.5341.1273. PMID  9360920.
  28. ^ Эдсон, Адам Р.; Кастинг, Джеймс Ф.; Поллард, Дэвид; Ли, Сукёнг ; Бэннон, Питер Р. (2012). «Карбонатно-силикатный цикл и обратные связи CO 2 /климата на приливно-замкнутых планетах земного типа». Астробиология . 12 (6): 562–571. Bibcode : 2012AsBio..12..562E. doi : 10.1089/ast.2011.0762. ISSN  1531-1074. PMID  22775488.

Внешние ссылки