Океанический углеродный цикл (или морской углеродный цикл ) состоит из процессов обмена углеродом между различными резервуарами в океане, а также между атмосферой, недрами Земли и морским дном . Углеродный цикл — это результат взаимодействия множества сил в различных временных и пространственных масштабах, которые циркулируют углерод по планете, обеспечивая глобальную доступность углерода. Океанический углеродный цикл является центральным процессом глобального углеродного цикла и содержит как неорганический углерод (углерод, не связанный с живым существом, например углекислый газ), так и органический углерод (углерод, который включен или был включен в живое существо). . Часть морского углеродного цикла преобразует углерод между неживой и живой материей.
Три основных процесса (или насоса), составляющих морской углеродный цикл, переносят атмосферный углекислый газ (CO 2 ) в недра океана и распределяют его по океанам. Этими тремя насосами являются: (1) насос растворимости, (2) карбонатный насос и (3) биологический насос. Общий активный запас углерода на поверхности Земли в течение периода менее 10 000 лет составляет примерно 40 000 гигатонн С (Гт С, гигатонна равна одному миллиарду тонн, или вес примерно 6 миллионов синих китов ), и около 95% (~ 38 000 Гт C) хранится в океане, главным образом, в виде растворенного неорганического углерода . [1] [2] Видообразование [ необходимы разъяснения ] растворенного неорганического углерода в морском углеродном цикле является основным регулятором кислотно-щелочной химии в океанах.
Земные растения и водоросли ( первичные производители ) ответственны за наибольшие ежегодные потоки углерода. Хотя количество запасаемого углерода в морской биоте (~3 ГтС) очень мало по сравнению с наземной растительностью (~610 ГтС), количество обмениваемого углерода (потока) этими группами практически одинаково – около 50 ГтС каждая. [1] Морские организмы связывают циклы углерода и кислорода посредством таких процессов, как фотосинтез . [1] Морской углеродный цикл также биологически связан с циклами азота и фосфора почти постоянным стехиометрическим соотношением C:N:P 106:16:1, также известным как соотношение Редфилда Кетчама Ричардса (RKR) , [3 ] в котором говорится, что организмы имеют тенденцию поглощать азот и фосфор, включая новый органический углерод. Аналогичным образом, органические вещества , разлагаемые бактериями, выделяют фосфор и азот.
На основе публикаций НАСА , Всемирной метеорологической ассоциации, МГЭИК и Международного совета по исследованию моря , а также ученых из NOAA , Океанографического института Вудс-Хоул , Океанографического института Скриппса , CSIRO и Национальной лаборатории Ок-Ридж , человеческая воздействие на морской углеродный цикл является значительным. [4] [5] [6] [7] До промышленной революции океан был чистым источником CO 2 в атмосферу, тогда как сейчас большая часть углерода, попадающего в океан, поступает из атмосферного углекислого газа (CO 2 ). [8] Сжигание ископаемого топлива и производство цемента изменили баланс углекислого газа между атмосферой и океанами, [6] вызвав закисление океанов. [8] [9] Изменение климата, вызванное избытком CO 2 в атмосфере, привело к повышению температуры океана и атмосферы ( глобальное потепление ). [10] Замедление темпов глобального потепления, произошедшее в 2000–2010 годах [11], можно объяснить наблюдаемым увеличением содержания тепла в верхних слоях океана . [12] [13]
Углеродные соединения можно разделить на органические и неорганические, растворенные или дисперсные, в зависимости от их состава. Органический углерод образует основу ключевых компонентов органических соединений, таких как белки , липиды , углеводы и нуклеиновые кислоты . Неорганический углерод встречается главным образом в простых соединениях, таких как диоксид углерода, угольная кислота, бикарбонат и карбонат (CO 2 , H 2 CO 3 , HCO 3 - , CO 3 2- соответственно).
Морской углерод далее разделяется на твердую и растворенную фазы. Эти пулы оперативно определяются путем физического разделения: растворенный углерод проходит через фильтр с размером пор 0,2 мкм, а твердые частицы углерода — нет.
В океанах встречаются два основных типа неорганического углерода. Растворенный неорганический углерод (DIC) состоит из бикарбоната (HCO 3 - ), карбоната (CO 3 2- ) и диоксида углерода (включая растворенный CO 2 и угольную кислоту H 2 CO 3 ). DIC может быть преобразован в твердый неорганический углерод (PIC) путем осаждения CaCO 3 (биологическим или абиотическим путем). DIC также может быть преобразован в твердый органический углерод (POC) посредством фотосинтеза и хемоавтотрофии (т.е. первичного производства). ДВС увеличивается с глубиной по мере того, как частицы органического углерода тонут и выдыхаются. Свободный кислород уменьшается по мере увеличения ДВС-синдрома, поскольку кислород потребляется во время аэробного дыхания.
Частицы неорганического углерода (PIC) — это еще одна форма неорганического углерода, обнаруженная в океане. Большая часть PIC представляет собой CaCO 3 , входящий в состав раковин различных морских организмов, но также может образовываться при путассу . Морские рыбы также выделяют карбонат кальция во время осморегуляции . [14]
Некоторые из неорганических видов углерода в океане, такие как бикарбонат и карбонат , вносят основной вклад в щелочность , естественный буфер океана, который предотвращает резкие изменения кислотности (или pH ). Морской углеродный цикл также влияет на скорость реакции и растворения некоторых химических соединений, регулирует количество углекислого газа в атмосфере и температуру Земли. [15]
Как и неорганический углерод, в океане встречаются две основные формы органического углерода (растворенный и твердый). Растворенный органический углерод (РОУ) с практической точки зрения определяется как любая органическая молекула, которая может пройти через фильтр с размером пор 0,2 мкм. DOC может превращаться в твердый органический углерод посредством гетеротрофии, а также обратно в растворенный неорганический углерод (DIC) посредством дыхания.
Молекулы органического углерода, улавливаемые фильтром, называются твердыми частицами органического углерода (POC). ПОК состоит из организмов (мертвых или живых), их фекалий и детрита . ПОУ может быть преобразовано в РОУ , например, путем дезагрегации молекул и экссудации фитопланктоном . POC обычно превращается в DIC посредством гетеротрофии и дыхания.
Полная статья: Насос растворимости
Океаны хранят самый большой запас реактивного углерода на планете в виде DIC, который попадает в результате растворения атмосферного углекислого газа в морскую воду – насоса растворимости. [15] Водный CO 2 , угольная кислота , бикарбонат-ионы и концентрации карбонат-ионов включают растворенный неорганический углерод (DIC). ДИК циркулирует по всему океану посредством термохалинной циркуляции , что способствует огромной емкости хранения ДИК в океане. [16] Приведенные ниже химические уравнения показывают реакции, которым подвергается CO 2 после того, как он попадает в океан и превращается в водную форму.
Угольная кислота быстро диссоциирует на свободные ионы водорода (технически гидроксоний ) и бикарбонат.
Свободный ион водорода встречается с карбонатом, уже присутствующим в воде в результате растворения CaCO 3 , и реагирует с образованием большего количества ионов бикарбоната.
Растворенные вещества в приведенных выше уравнениях, в основном бикарбонаты, составляют карбонатную щелочную систему, вносящую основной вклад в щелочность морской воды. [9]
Карбонатный насос, иногда называемый карбонатным противонасосом, начинается с того, что морские организмы на поверхности океана производят твердый неорганический углерод (PIC) в форме карбоната кальция ( кальцита или арагонита , CaCO 3 ). Этот CaCO 3 образует твердые части тела, такие как панцири . [15] Образование этих оболочек увеличивает содержание CO 2 в атмосфере за счет образования CaCO 3 [9] в следующей реакции с упрощенной стехиометрией: [17]
Кокколитофоры , почти повсеместная группа фитопланктона, производящая раковины из карбоната кальция, вносят основной вклад в карбонатный насос. [15] Из-за своей распространенности кокколитофоры оказывают существенное влияние на химию карбонатов, в поверхностных водах, в которых они обитают, и в океане под ними: они обеспечивают крупный механизм нисходящего транспорта CaCO 3 . [19] Поток CO 2 из воздуха в море , вызванный морским биологическим сообществом , может быть определен по соотношению осадков – пропорции углерода из карбоната кальция по сравнению с долей углерода из органического углерода в твердых частицах, опускающихся на дно океана (PIC/POC). ). [18] Карбонатный насос действует как отрицательная обратная связь с CO 2 , поступающим в океан насосом растворимости. Это происходит с меньшей величиной, чем насос растворимости.
Полная статья: Биологический насос
Органический углерод в виде частиц, созданный в результате биологического производства, может быть вынесен из верхних слоев океана в потоке, обычно называемом биологическим насосом, или вдыхаться (уравнение 6) обратно в неорганический углерод. В первом случае растворенный неорганический углерод биологически превращается в органическое вещество посредством фотосинтеза (уравнение 5) и других форм автотрофии [15] , которое затем опускается и частично или полностью переваривается гетеротрофами. [20] Частицы органического углерода можно классифицировать в зависимости от того, насколько легко организмы могут расщеплять их для употребления в пищу, на лабильные , полулабильные или тугоплавкие. Фотосинтез фитопланктона является основным источником лабильных и полулабильных молекул и косвенным источником большинства тугоплавких молекул. [21] [22] Лабильные молекулы присутствуют в низких концентрациях вне клеток (в пикомолярном диапазоне) и имеют период полураспада всего несколько минут, когда они свободны в океане. [23] Они потребляются микробами в течение нескольких часов или дней после производства и обитают в поверхностных слоях океанов, [22] где они составляют большую часть потока нестабильного углерода. [24] Полулабильные молекулы, которые гораздо труднее потреблять, способны достигать глубины сотен метров под поверхностью, прежде чем метаболизироваться. [25] Тугоплавкое РОВ в основном состоит из сильно сопряженных молекул, таких как полициклические ароматические углеводороды или лигнин . [21] Огнеупорное РОВ может достигать глубины более 1000 м и циркулирует по океанам на протяжении тысячелетий. [26] [22] [27] В течение года гетеротрофы поглощают около 20 гигатонн фотосинтетически фиксированного лабильного и полулабильного углерода , тогда как потребляется менее 0,2 гигатонн тугоплавкого углерода. [22] Морское растворенное органическое вещество (РОВ) может хранить столько же углерода, сколько и текущий запас CO 2 в атмосфере , [27] но промышленные процессы изменяют баланс этого цикла. [28]
Вклады в морской углеродный цикл многочисленны, но основной вклад в чистом выражении поступает из атмосферы и рек. [1] Гидротермальные источники обычно поставляют углерод в количестве, равном тому, которое они потребляют. [15]
До промышленной революции океан был источником CO 2 в атмосфере [8] , уравновешивая воздействие выветривания горных пород и земных частиц органического углерода; теперь он стал поглотителем избытка атмосферного CO 2 . [30] Углекислый газ поглощается из атмосферы на поверхности океана со скоростью обмена, которая варьируется локально [31] , но в среднем океаны имеют чистое поглощение CO 2 2,2 Pg C в год. [31] Поскольку растворимость углекислого газа увеличивается при понижении температуры, холодные районы могут содержать больше CO 2 и при этом оставаться в равновесии с атмосферой; Напротив, повышение температуры поверхности моря снижает способность океанов поглощать углекислый газ. [32] [9] Северная Атлантика и Северные океаны имеют самое высокое поглощение углерода на единицу площади в мире, [33] а в Северной Атлантике глубокая конвекция переносит примерно 197 Тг в год неупорного углерода на глубину. [34]
Исследование 2020 года выявило значительно более высокий чистый поток углерода в океаны по сравнению с предыдущими исследованиями. В новом исследовании использовались спутниковые данные для учета небольшой разницы температур между поверхностью океана и глубиной в несколько метров, где проводятся измерения. [35] [36]
Скорость обмена CO 2 между океаном и атмосферой зависит от концентрации углекислого газа, уже присутствующего как в атмосфере, так и в океане, температуры, солености и скорости ветра. [37] Этот обменный курс можно аппроксимировать законом Генри и рассчитать как S = kP, где растворимость ( S) углекислого газа пропорциональна количеству газа в атмосфере или его парциальному давлению . [1]
Поскольку потребление углекислого газа океаном ограничено, приток CO 2 также можно описать фактором Ревелля . [32] [9] Фактор Ревелля представляет собой отношение изменения содержания углекислого газа к изменению содержания растворенного неорганического углерода, которое служит индикатором растворения углекислого газа в перемешанном слое с учетом насоса растворимости. Фактор Ревелла представляет собой выражение, характеризующее термодинамическую эффективность пула DIC по поглощению CO 2 в бикарбонат. Чем ниже коэффициент Ревелля, тем выше способность океанской воды поглощать углекислый газ. Хотя Ревелль в свое время подсчитал коэффициент около 10, данные исследования 2004 года показали, что коэффициент Ревелля варьируется от примерно 9 в тропических регионах низких широт до 15 в южном океане недалеко от Антарктиды. [38]
Реки также могут переносить органический углерод в океан посредством выветривания или эрозии алюмосиликатных (уравнение 7) и карбонатных пород (уравнение 8) на суше.
или разложением жизни (уравнение 5, например, растительный и почвенный материал). [1] Реки вносят в океаны примерно одинаковое количество (~0,4 ГтУ/год) DIC и DOC. [1] По оценкам, примерно 0,8 ГтУ (DIC + DOC) ежегодно переносится из рек в океан. [1] Реки, впадающие в Чесапикский залив ( реки Саскуэханна , Потомак и Джеймс ), вносят примерно 0,004 Гт (6,5 x 10 10 молей) DIC в год. [39] Общий перенос углерода реками составляет примерно 0,02% от общего количества углерода в атмосфере. [40] Хотя это кажется небольшим, в длительных временных масштабах (от 1000 до 10 000 лет) углерод, попадающий в реки (и, следовательно, не попадающий в атмосферу), служит стабилизирующей обратной связью для парникового потепления. [41]
Ключевыми результатами морской углеродной системы являются сохранение твердых частиц органических веществ (POC) и карбоната кальция (PIC), а также обратное выветривание . [1] Хотя существуют регионы с локальными потерями CO 2 в атмосферу и гидротермальными процессами, чистых потерь в цикле не происходит. [15]
Седиментация является долгосрочным поглотителем углерода в океане, а также крупнейшей потерей углерода из океанической системы. [42] Глубоководные морские отложения и геологические образования важны, поскольку они обеспечивают тщательную запись жизни на Земле и являются важным источником ископаемого топлива. [42] Океанический углерод может выходить из системы в виде детрита, который тонет и захоранивается на морском дне, не будучи полностью разложенным или растворенным. Отложения на поверхности дна океана составляют 1,75x10 15 кг углерода в глобальном углеродном цикле [43]. Самое большее, 4% твердых частиц органического углерода из эвфотической зоны Тихого океана, где происходит первичное производство с помощью света , захоронено в морские отложения. [42] Таким образом, подразумевается, что, поскольку в океан поступает больше органического вещества, чем того, что захоранивается, большая часть его израсходована или потребляется внутри.
Исторически отложения с самым высоким содержанием органического углерода часто обнаруживались в районах с высокой продуктивностью поверхностных вод или с низким содержанием кислорода в придонной воде. [44] 90% захоронения органического углерода происходит в отложениях дельт , континентальных шельфов и верхних склонов; [45] это частично связано с коротким временем воздействия из-за меньшего расстояния до морского дна и состава органического вещества, которое уже отложено в этой среде. [46] Захоронение органического углерода также чувствительно к климатическим условиям: скорость накопления органического углерода была на 50% выше во время ледникового максимума по сравнению с межледниковьем . [47]
POC разлагается в результате ряда микробных процессов, таких как метаногенез и сульфатредукция, перед захоронением на морском дне. [48] [49] Деградация ВОУ также приводит к микробному производству метана, который является основным газовым гидратом на окраинах континентов. [50] Лигнин и пыльца по своей природе устойчивы к разложению , а некоторые исследования показывают, что неорганические матрицы также могут защищать органические вещества. [51] Скорость сохранения органического вещества зависит от других взаимозависимых переменных, которые нелинейно изменяются во времени и пространстве. [52] Хотя разложение органического вещества происходит быстро в присутствии кислорода, микробы, использующие различные химические вещества (посредством окислительно-восстановительных градиентов), могут разлагать органическое вещество в бескислородных отложениях. [52] Глубина захоронения, на которой прекращается разложение, зависит от скорости седиментации, относительного содержания органического вещества в отложениях, типа захороненного органического вещества и множества других переменных. [52] Хотя разложение органического вещества может происходить в бескислородных отложениях, когда бактерии используют окислители, отличные от кислорода ( нитрат , сульфат , Fe 3+ ), разложение имеет тенденцию заканчиваться до полной минерализации . [53] Это происходит из-за преимущественного распада лабильных молекул по сравнению с преломляющими молекулами. [53]
Захоронение органического углерода является источником энергии для подземной биологической среды и может регулировать содержание кислорода в атмосфере в длительных временных масштабах (> 10 000 лет). [47] Захоронение может иметь место только в том случае, если органический углерод попадает на морское дно, в результате чего континентальные шельфы и прибрежные окраины становятся основным хранилищем органического углерода из первичной продукции на суше и в океане. Фьорды , или скалы, образовавшиеся в результате ледниковой эрозии, также были идентифицированы как области значительного захоронения углерода, уровень которого в сто раз превышает средний показатель по океану. [54] Частицы органического углерода захоронены в океанических отложениях, создавая путь между быстродоступным пулом углерода в океане и его хранилищем в геологических временных масштабах. Когда углерод связывается на морском дне, он считается голубым углеродом . Скорость захоронения можно рассчитать как разницу между скоростью оседания органического вещества и скоростью его разложения.
Осаждение карбоната кальция важно, поскольку оно приводит к потере щелочности, а также к выделению CO 2 (уравнение 4), и, следовательно, изменение скорости сохранения карбоната кальция может изменить парциальное давление CO 2 в земной атмосфере. атмосфера. [15] CaCO 3 перенасыщен в подавляющем большинстве поверхностных вод океана и недонасыщен на глубине, [9] это означает , что раковины с большей вероятностью растворятся по мере погружения на глубины океана. CaCO 3 также может растворяться в результате метаболического растворения (т.е. может использоваться в пищу и выводиться из организма), и поэтому глубоководные отложения океана содержат очень мало карбоната кальция. [15] Осадки и захоронение карбоната кальция в океане удаляют частицы неорганического углерода из океана и в конечном итоге образуют известняк . [15] Во временных масштабах, превышающих 500 000 лет, климат Земли регулируется потоком углерода в литосферу и из нее . [55] Породы, образовавшиеся на морском дне океана, в результате тектоники плит возвращаются на поверхность и выветриваются или погружаются в мантию , при этом углерод выделяется вулканами . [1]
Океаны поглощают 15–40% антропогенного CO 2 , [56] [57] , и на сегодняшний день примерно 40% углерода от сжигания ископаемого топлива было поглощено океанами. [58] Поскольку фактор Ревелля увеличивается с увеличением CO 2 , меньшая часть антропогенного потока будет поглощаться океаном в будущем. [59] Текущий годовой прирост атмосферного CO 2 составляет примерно 4 гигатонны углерода. [60] Это вызывает изменение климата, которое приводит к концентрации углерода и процессам обратной связи между углеродом и климатом, которые изменяют циркуляцию океана , а также физические и химические свойства морской воды , что изменяет поглощение CO 2 . [61] [62] Чрезмерный вылов рыбы и пластиковое загрязнение океанов способствуют ухудшению состояния крупнейшего в мире поглотителя углерода. [63] [64]
Полная статья: Закисление океана
pH океанов снижается из-за поглощения атмосферного CO 2 . [65] Увеличение растворенного диоксида углерода снижает доступность карбонат-иона, снижая состояние насыщения CaCO 3 , что термодинамически затрудняет создание оболочки CaCO 3 . [66] Карбонат-ионы преимущественно связываются с ионами водорода с образованием бикарбоната, [9] таким образом, снижение доступности карбонат-ионов увеличивает количество несвязанных ионов водорода и уменьшает количество образующегося бикарбоната (уравнения 1–3). pH — это измерение концентрации ионов водорода, где низкий pH означает, что в организме больше несвязанных ионов водорода. Таким образом, pH является индикатором образования карбонатов ( формата присутствующего углерода) в океанах и может использоваться для оценки того, насколько здоров океан. [66]
В список организмов, которые могут бороться с закислением океана, входят кокколитофороры и фораминиферы (основа морской пищевой цепи во многих районах), источники пищи человека, такие как устрицы и мидии , [67] и, пожалуй, самая заметная структура, построенная организмы – коралловые рифы. [66] Большая часть поверхностных вод останется перенасыщенной по отношению к CaCO 3 (как кальциту, так и арагониту) в течение некоторого времени при текущих траекториях выбросов, [66] но организмы, которым требуется карбонат, вероятно, будут заменены во многих областях. [66] Коралловые рифы находятся под давлением чрезмерного вылова рыбы, загрязнения нитратами и потепления вод; закисление океана создаст дополнительную нагрузку на эти важные структуры. [66]
Полная статья: Железное удобрение
Железное удобрение — это аспект геоинженерии , который целенаправленно манипулирует климатической системой Земли, обычно в аспектах углеродного цикла или радиационного воздействия. В настоящее время интерес геоинженерии представляет возможность ускорения биологического насоса для увеличения экспорта углерода с поверхности океана. Этот увеличенный экспорт теоретически может удалить избыток углекислого газа из атмосферы для хранения в глубинах океана. Продолжаются исследования относительно искусственного оплодотворения. [68] Из-за масштабов океана и быстрого реагирования гетеротрофных сообществ на увеличение первичной продукции трудно определить, приводит ли ограничение удобрений к увеличению экспорта углерода. [68] Однако большая часть сообщества не считает такой подход разумным и жизнеспособным. [69]
В мире существует более 16 миллионов плотин [70] , которые изменяют транспорт углерода из рек в океаны. [71] Используя данные базы данных Global Reservoirs and Dams, которая содержит около 7000 водоемов, в которых удерживается 77% общего объема воды, удерживаемой плотинами (8000 км 3 ), подсчитано, что поступление углерода в океан снизился на 13% с 1970 г. и, по прогнозам, достигнет 19% к 2030 г. [72] Избыточный углерод, содержащийся в водоемах, может выбрасывать в атмосферу дополнительно ~0,184 Гт углерода в год [73] и дополнительно ~0,2 ГтC будет быть погребенным в отложениях. [72] До 2000 года на бассейны рек Миссисипи , Нигер и Ганг приходилось 25–31% всех захоронений углерода в резервуарах. [72] После 2000 года бассейны рек Парана (где находится 70 плотин) и Замбези (где расположено крупнейшее водохранилище) превысили захоронение Миссисипи. [72] Другие крупные источники захоронения углерода, вызванного строительством плотин, происходят на реках Дунай , Амазонка , Янцзы , Меконг , Енисей и Токантинс . [72]
{{cite journal}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link)