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 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 в результате вулканизма . В масштабах миллионов лет карбонатно-силикатный цикл является ключевым фактором в контроле климата Земли, поскольку он регулирует уровень углекислого газа и, следовательно, глобальную температуру. [3]

Скорость выветривания чувствительна к факторам, которые меняют степень обнажения земли. Эти факторы включают уровень моря , топографию , литологию и изменения растительности . [4] Более того, эти геоморфические и химические изменения работали в тандеме с солнечными воздействиями, будь то из-за орбитальных изменений или эволюции звезд, и определяли глобальную температуру поверхности . Кроме того, карбонатно-силикатный цикл считается 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 средством контроля уровня углекислого газа в течение длительного времени. [3] Его 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

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

Неорганический круговорот начинается с производства углекислоты (H 2 CO 3 ) из дождевой воды и газообразного углекислого газа. [6] Благодаря этому процессу обычный дождь имеет pH около 5,6. [7] Угольная кислота — 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. [8] 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 характерна для общего силикатного выветривания минералов силиката кальция. [9] Химический путь следующий:

Речной сток переносит эти продукты в океан, где морские кальцифицирующие организмы используют Ca 2+ и HCO 3 − для построения своих оболочек и скелетов. Этот процесс называется осаждением карбонатов :

Для выветривания силикатных пород необходимы две молекулы CO 2 ; морская кальцификация высвобождает одну молекулу обратно в атмосферу. Карбонат кальция (CaCO 3 ), содержащийся в раковинах и скелетах, после гибели морского организма тонет и откладывается на дне океана.

Заключительный этап процесса включает движение морского дна. В зонах субдукции карбонатные осадки погребены и вытеснены обратно в мантию . Некоторое количество карбоната может быть перенесено глубоко в мантию, где условия высокого давления и температуры позволяют ему метаморфически соединяться с SiO 2 с образованием CaSiO 3 и CO 2 , которые выбрасываются изнутри в атмосферу через вулканизм, термические 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 баланс неорганического углерода . 99,6% всего углерода на Земле (что соответствует примерно 10,8 миллиардам тонн углерода) изолируется в долговременном каменном резервуаре. И, по сути, весь углерод какое-то время находился в форме карбоната. Напротив, в биосфере существует только 0,002% углерода. [8]

Отзывы

Изменения поверхности планеты, такие как отсутствие вулканов или повышение уровня моря, которые могли бы уменьшить площадь поверхности суши, подверженной выветриванию, могут изменить скорость, с которой происходят различные процессы в этом цикле. [8] На протяжении десятков и сотен миллионов лет уровни углекислого газа в атмосфере могут меняться из-за естественных возмущений в цикле [10] [11] [12] но, в более общем смысле, он служит критической петлей отрицательной обратной связи между уровень углекислого газа и изменения климата. [6] [9] Например, если CO 2 накапливается в атмосфере, парниковый эффект будет способствовать повышению температуры поверхности, что, в свою очередь, приведет к увеличению количества осадков и силикатного выветривания, что приведет к удалению углерода из атмосферы. Таким образом, в длительных временных масштабах карбонатно-силикатный цикл оказывает стабилизирующее воздействие на климат Земли, поэтому его назвали земным термостатом. [5] [13]

Изменения в истории Земли

Аспекты карбонатно-силикатного цикла менялись на протяжении истории Земли в результате биологической эволюции и тектонических изменений. В целом образование карбонатов опережает 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 производят органические кислоты , которые усиливают выветривание . Эти кислоты выделяются корневыми и микоризными грибами , а также микробной гнилью растений . Корневое дыхание и окисление органических веществ почвы также производят углекислый газ , который превращается в углекислоту , что усиливает выветривание. [16]

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 выветривания силиката и сокращения выбросов углекислого газа . [17] Погода на морском дне связана как с солнечной яркостью, так и с концентрацией углекислого газа. [18] Однако это стало проблемой для разработчиков моделей, которые пытались связать скорость газовыделения и субдукции с соответствующими темпами изменения морского дна. Для таких вопросов трудно получить правильные, несложные прокси-данные. Например, керны отложений, по которым ученые могут сделать выводы об уровне моря в прошлом, не идеальны, поскольку уровень моря меняется в результате чего-то большего, чем просто корректировка морского дна. [19] Недавние исследования по моделированию изучили роль выветривания морского дна на ранней эволюции жизни, показав, что относительно быстрые темпы создания морского дна способствовали снижению уровня углекислого газа в умеренной степени. [20]

Наблюдения за так называемым глубоким временем показывают, что Земля имеет относительно нечувствительную обратную связь с выветриванием горных пород, что допускает большие колебания температуры. Палеоклиматические данные показывают, что в атмосфере примерно в два раза больше углекислого газа, и глобальные температуры на 5–6 °C превышают нынешние температуры. [21] Однако другие факторы, такие как изменения в орбитальном/солнечном воздействии, способствуют глобальному изменению температуры в палеозаписи.

Выбросы CO 2 от деятельности человека неуклонно растут, и последующая концентрация CO 2 в системе Земли достигла беспрецедентного уровня за очень короткий промежуток времени. [22] Избыток углерода 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- , образуя больше ионов бикарбоната и уменьшая количество доступных ионов карбоната, что представляет собой препятствие для процесса осаждения карбоната углерода. [23] Другими словами, 30% избыточного углерода, выбрасываемого в атмосферу, поглощается океанами. Более высокие концентрации углекислого газа в океанах толкают процесс осаждения карбонатов в противоположном направлении (влево), производя меньше CaCO 3 . Этот процесс, наносящий вред организмам, строящим раковины, называется закислением океана . [24]

Цикл на других планетах

Не следует предполагать, что на всех планетах земной группы возникнет карбонатно-силикатный цикл . Во-первых, карбонатно-силикатный цикл требует наличия водного цикла. Поэтому он разрушается на внутренней границе обитаемой зоны Солнечной системы . Даже если планета изначально имела жидкую воду на поверхности, если она станет слишком теплой, она подвергнется безудержному парниковому эффекту , потеряв поверхностную воду. Без необходимой дождевой воды не произойдет выветривания с образованием углекислоты из газообразного CO 2 . Кроме того, на внешнем крае CO 2 может конденсироваться, что приводит к уменьшению парникового эффекта и снижению температуры поверхности. В результате атмосфера рухнет на полярные шапки. [5]

Марс – такая планета. Расположенная на краю обитаемой зоны Солнечной системы, ее поверхность слишком холодна, чтобы жидкая вода могла образоваться 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 кажущуюся недостаточность приходящей солнечной радиации, некоторые предположили, что мог существовать цикл, подобный карбонатно-силикатному циклу Земли – аналогичный отступлению от периодов Земли-снежка . [25] С помощью моделирования было показано, что газообразные CO 2 и H 2 O, действовавшие как парниковые газы, не могли сохранять тепло Марса во время его ранней истории, когда Солнце было слабее, потому что CO 2 конденсировался в облаках. [26] Несмотря на то, что облака CO 2 не отражают то же самое, что водяные облака на Земле, [27] в прошлом не могло быть значительной части карбонатно-силикатного цикла.

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

На приливно-зависимых экзопланетах расположение субзвездной точки будет определять выброс углекислого газа из литосферы . [28]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Юри, ХК (1952). Планеты: их происхождение и развитие. Лекции памяти г-жи Хепса Эли Силлиман.
  2. ^ Аб Бернер, Роберт; Ласага, Антонио; Гаррелс, Роберт (1983). «Карбонатно-силикатный геохимический цикл и его влияние на углекислый газ в атмосфере за последние 100 миллионов лет». Американский научный журнал . 283 (7): 641–683. Бибкод : 1983AmJS..283..641B. дои : 10.2475/ajs.283.7.641 .
  3. ^ abcd Уокер, Джеймс К.Г.; Хейс, П.Б.; Кастинг, Дж. Ф. (1981). «Механизм отрицательной обратной связи для долгосрочной стабилизации температуры поверхности Земли». Журнал геофизических исследований: Океаны . 86 (С10): 9776–9782. Бибкод : 1981JGR....86.9776W. дои : 10.1029/JC086iC10p09776. ISSN  2156-2202.
  4. ^ Уокер, Джеймс К.Г. (1993). «Биогеохимические циклы углерода в иерархии временных масштабов». Биогеохимия глобальных изменений: радиационно-активные микроэлементы. Избранные доклады десятого международного симпозиума по биогеохимии окружающей среды . Бостон, Массачусетс: Спрингер. стр. 3–28. дои : 10.1007/978-1-4615-2812-8_1. ISBN 978-1-4613-6215-9.
  5. ^ abc Салливан, Вудрафф Т.; Баросс, Джон А. (2007). «Планетарные атмосферы и жизнь». Планеты и жизнь . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. стр. 91–116. ISBN 978-0-521-53102-3.
  6. ^ Аб Бонан, Гордон (2013). Экологическая климатология: концепции и приложения (2-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. стр. 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: Инструментарий ACS по науке о климате». Американское химическое общество .
  9. ^ аб Кэтлинг, Дэвид К.; Кастинг, Джеймс Ф. (2017). Эволюция атмосферы на обитаемых и безжизненных мирах . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. стр. 299–326. ISBN 978-0-521-84412-3.
  10. ↑ Бернер, Роберт А. (1 апреля 1991 г.). «Модель атмосферного CO2 в фанерозойское время». Американский научный журнал . 291 (4): 339–376. Бибкод : 1991AmJS..291..339B. дои : 10.2475/ajs.291.4.339 .
  11. ↑ Бернер, Роберт А. (29 января 1998 г.). «Углеродный цикл и углекислый газ в фанерозое: роль наземных растений». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б: Биологические науки . 353 (1365): 75–82. дои : 10.1098/rstb.1998.0192. ПМК 1692179 . 
  12. ^ Бернер, Роберт А.; Бирлинг, Дэвид Дж.; Дадли, Роберт; Робинсон, Дженнифер М.; Уайлдман-младший, Ричард А. (2003). «Кислород атмосферы фанерозоя». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 31 (31): 105–134. Бибкод : 2003AREPS..31..105B. doi :10.1146/annurev.earth.31.100901.141329.
  13. ^ ДиВенере, Вик. «Углеродный цикл и климат Земли». Колумбийский университет.
  14. ^ Риджвелл, А; Зибе, Р. (2005). «Роль глобального карбонатного цикла в регулировании и эволюции системы Земли». Письма о Земле и планетологии . 234 (3–4): 299–315. дои : 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 воздействия наземных экосистем, климата и углекислого газа на выветривание в течение геологического времени: процессный подход в глобальном масштабе». Философские труды Королевского общества B: Биологические науки . 367 (1588): 565–582. дои : 10.1098/rstb.2011.0251. ISSN  0962-8436. ПМЦ 3248708 . ПМИД  22232768. 
  16. ^ Бернер, Роберт А. (1992). «Выветривание, растения и долгосрочный углеродный цикл». Geochimica et Cosmochimica Acta . 56 (8): 3225–3231. Бибкод : 1992GeCoA..56.3225B. дои : 10.1016/0016-7037(92)90300-8 . ISSN  0016-7037.
  17. ^ Раймо, Морин Э.; Раддиман, Уильям Ф.; Фрёлих, Филип Н. (1988). «Влияние позднекайнозойского горообразования на геохимические циклы океана». Геология . 16 (7): 649. Бибкод : 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.). «Контроль выветривания морского дна в отношении атмосферного CO2 и глобального климата. Ссылки автора на открытую накладную панель» . Geochimica et Cosmochimica Acta . 61 (5): 965–973. дои : 10.1016/S0016-7037(96)00385-7.
  19. ^ Бернер, Роберт А.; Ласага, Антонио К. (март 1989 г.). «Моделирование геохимического углеродного цикла». Научный американец . 260 (3): 74–81. Бибкод : 1989SciAm.260c..74B. doi : 10.1038/scientificamerican0389-74.
  20. ^ Криссансен-Тоттон, Джошуа; Арни, Джада Н.; Кэтлинг, Дэвид К. (17 апреля 2018 г.). «Ограничение климата и pH океана ранней Земли с помощью геологической модели углеродного цикла». ПНАС . 115 (16): 4105–4110. arXiv : 1804.00763 . Бибкод : 2018PNAS..115.4105K. дои : 10.1073/pnas.1721296115 . ПМЦ 5910859 . ПМИД  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 углеродного цикла». Природные коммуникации . 8 : 15423. Бибкод : 2017NatCo...815423K. doi : 10.1038/ncomms15423. ПМЦ 5458154 . ПМИД  28530231. 
  22. ^ Основная группа авторов; Р.К. Пачаури; Л. А. Мейер, ред. (2014). МГЭИК, 2014 г.: Изменение климата, 2014 г.: Сводный доклад. Вклад рабочих групп I, II и III в пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата. Женева, Швейцария: МГЭИК.
  23. ^ «Закисление океана». Углерод океана и биогеохимия . Океанографический институт Вудс-Хоул (WHOI).
  24. ^ «Углеродный цикл». Земная обсерватория . НАСА. 16 июня 2011 г.
  25. ^ Баталья, Наташа Э.; Коппарапу, Рави Кумар; Хакк-Мисра, Джейкоб; Кастинг, Джеймс Ф. (2016). «Климатические циклы на раннем Марсе, вызванные карбонатно-силикатным циклом». Письма о Земле и планетологии . 455 : 7–13. arXiv : 1609.00602 . Бибкод : 2016E&PSL.455....7B. дои : 10.1016/j.epsl.2016.08.044. S2CID  119257332.
  26. ^ Кастинг, Дж. Ф. (1991). «Конденсация CO2 и климат раннего Марса». Икар . 94 (1): 1–13. Бибкод : 1991Icar...94....1K. дои : 10.1016/0019-1035(91)90137-I. ПМИД  11538088.
  27. ^ Забудьте, Франсуа; Пьеррембер, Раймонд Т. (1997). «Нагревание раннего Марса облаками углекислого газа, рассеивающими инфракрасное излучение». Наука . 278 (5341): 1273–1276. Бибкод : 1997Sci...278.1273F. дои : 10.1126/science.278.5341.1273. ПМИД  9360920.
  28. ^ Эдсон, Адам Р.; Кастинг, Джеймс Ф.; Поллард, Дэвид; Ли, Сукён ; Бэннон, Питер Р. (2012). «Карбонатно-силикатный цикл и обратная связь CO2/климат на планетах земной группы, находящихся в приливной зависимости». Астробиология . 12 (6): 562–571. Бибкод : 2012AsBio..12..562E. дои : 10.1089/ast.2011.0762. ISSN  1531-1074. ПМИД  22775488.

Внешние ссылки