Океанический углеродный цикл (или морской углеродный цикл ) состоит из процессов, которые обмениваются углеродом между различными пулами в океане, а также между атмосферой, недрами Земли и морским дном . Углеродный цикл является результатом множества взаимодействующих сил в различных временных и пространственных масштабах, которые циркулируют углерод по планете, гарантируя, что углерод доступен во всем мире. Океанический углеродный цикл является центральным процессом в глобальном углеродном цикле и содержит как неорганический углерод (углерод, не связанный с живым существом, такой как 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), которые составляют морской углеродный цикл, переносят атмосферный углекислый газ (CO 2 ) в недра океана и распределяют его по океанам. Эти три насоса: (1) насос растворимости, (2) карбонатный насос и (3) биологический насос. Общий активный пул углерода на поверхности Земли в течение менее 10 000 лет составляет примерно 40 000 гигатонн C (Гт C, гигатонна равна одному миллиарду тонн или весу приблизительно 6 миллионов синих китов ), и около 95% (~38 000 Гт C) хранится в океане, в основном в виде растворенного неорганического углерода . [1] [2] Видообразование [ необходимо разъяснение ] растворенного неорганического углерода в морском углеродном цикле является основным регулятором кислотно-щелочной химии в океанах.
Растения и водоросли Земли ( первичные производители ) ответственны за самые большие годовые потоки углерода. Хотя количество углерода, хранящегося в морской биоте (~3 Гт С), очень мало по сравнению с наземной растительностью (~610 Гт С), количество углерода, обмениваемого (поток) этими группами, почти одинаково — около 50 Гт С каждая. [1] Морские организмы связывают циклы углерода и кислорода посредством таких процессов, как фотосинтез . [1] Морской цикл углерода также биологически связан с циклами азота и фосфора почти постоянным стехиометрическим соотношением C:N:P, равным 106:16:1, также известным как соотношение Редфилда-Кетчума-Ричардса (RKR) , [3] которое гласит, что организмы, как правило, поглощают азот и фосфор, включая новый органический углерод. Аналогичным образом, органическое вещество, разлагаемое бактериями, выделяет фосфор и азот.
На основании публикаций NASA , Всемирной метеорологической ассоциации, IPCC и Международного совета по исследованию моря , а также ученых из NOAA , Океанографического института Вудс-Хоул , Института океанографии Скриппса , CSIRO и Национальной лаборатории Оук-Ридж , влияние человека на морской углеродный цикл является значительным. [4] [5] [6] [7] До промышленной революции океан был чистым источником CO2 в атмосферу, тогда как сейчас большая часть углерода, попадающего в океан, поступает из атмосферного диоксида углерода (CO2 ) . [8]
В последние десятилетия океан действовал как поглотитель антропогенного CO 2 , поглощая около четверти CO 2 , произведенного людьми посредством сжигания ископаемого топлива и изменений в землепользовании. [9] Таким образом, океан действовал как буфер, несколько замедляя рост уровня CO 2 в атмосфере . Однако это поглощение антропогенного CO 2 также вызвало закисление океанов . [8] [10] Изменение климата , в результате этого избытка CO 2 в атмосфере, привело к повышению температуры океана и атмосферы. [11] Замедление темпов глобального потепления, происходящее с 2000 по 2010 год [12], может быть связано с наблюдаемым увеличением содержания тепла в верхних слоях океана . [13] [14]
Углеродные соединения можно разделить на органические и неорганические, а также растворенные и твердые в зависимости от их состава. Органический углерод образует основу ключевых компонентов органических соединений, таких как – белки , липиды , углеводы и нуклеиновые кислоты . Неорганический углерод в основном содержится 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 твердые частицы и растворенные фазы. Эти пулы операционно определяются физическим разделением — растворенный углерод проходит через фильтр 0,2 мкм, а твердый углерод — 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 как растворенный CO 2 , так и угольную кислоту H 2 CO 3 ). DIC может быть преобразован в твердый неорганический углерод (PIC) путем осаждения CaCO 3 (биологически или абиотически). DIC также может быть преобразован в твердый органический углерод (POC) путем фотосинтеза и хемоавтотрофии (т. е. первичного производства). DIC увеличивается с глубиной, поскольку органические частицы углерода погружаются и вдыхаются. Свободный кислород уменьшается по мере увеличения DIC, поскольку кислород потребляется во время аэробного дыхания.
Частицы неорганического углерода (PIC) — это другая форма неорганического углерода, обнаруженная в океане. Большая часть PIC — это CaCO3 , который составляет раковины различных морских организмов, но также может образовываться в ходе осморегуляции . Морские рыбы также выделяют карбонат кальция во время осморегуляции . [15]
Некоторые из неорганических видов углерода в океане, такие как бикарбонат и карбонат , являются основными факторами щелочности , естественного буфера 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. [16]
Как и неорганический углерод, в океане встречаются две основные формы органического углерода (растворенная и твердая). Растворенный органический углерод (DOC) определяется как любая органическая молекула, которая может проходить через фильтр 0,2 мкм. DOC может быть преобразован в твердый органический углерод посредством гетеротрофии, а также может быть преобразован обратно в растворенный неорганический углерод (DIC) посредством дыхания.
Те молекулы органического углерода, которые улавливаются фильтром, определяются как твердые частицы органического углерода (POC). POC состоит из организмов (мертвых или живых), их фекалий и детрита . POC может быть преобразован в DOC посредством дезагрегации молекул и экссудации фитопланктоном , например. POC обычно преобразуется в DIC посредством гетеротрофии и дыхания .
Полная статья: Насос растворимости
Океаны хранят крупнейший пул реактивного углерода на планете в виде DIC, который вводится в результате растворения атмосферного углекислого газа в морской воде — насос растворимости. [16] Водный CO2 , угольная кислота , бикарбонат-ионы и карбонат-ионы содержат растворенный неорганический углерод (DIC). DIC циркулирует по всему океану посредством термохалинной циркуляции , что способствует огромной емкости хранения DIC в океане. [17] Приведенные ниже химические уравнения показывают реакции, которым подвергается CO2 после того, как он попадает в океан и преобразуется в свою водную форму.
Угольная кислота быстро диссоциирует на свободный ион водорода (технически гидроксоний ) и бикарбонат.
Свободный ион водорода встречается с карбонатом, уже присутствующим в воде из-за растворения CaCO 3 , и реагирует с образованием большего количества иона бикарбоната.
Растворенные вещества в приведенных выше уравнениях, в основном бикарбонат, составляют систему карбонатной щелочности, которая вносит основной вклад в щелочность морской воды. [10]
Карбонатный насос, иногда называемый карбонатным встречным насосом, начинается с того, что морские организмы на поверхности океана производят твердый неорганический углерод (PIC) в форме карбоната кальция ( кальцит или арагонит , CaCO 3 ). Этот CaCO 3 формирует твердые части тела, такие как раковины . [16] Образование этих раковин увеличивает содержание CO 2 в атмосфере из-за образования CaCO 3 [10] в следующей реакции с упрощенной стехиометрией: [18]
Кокколитофориды , почти вездесущая группа фитопланктона, которая производит раковины из карбоната кальция, являются основными участниками карбонатного насоса. [16] Благодаря своей распространенности кокколитофориды оказывают значительное влияние на химию карбоната, как в поверхностных водах, где они обитают, так и в океане ниже: они обеспечивают большой механизм для нисходящего транспорта CaCO 3 . [20] Поток CO 2 из воздуха в море , вызванный морским биологическим сообществом, может быть определен соотношением осадков — долей углерода из карбоната кальция по сравнению с долей органического углерода в твердых частицах, опускающихся на дно океана (PIC/POC). [19] Карбонатный насос действует как отрицательная обратная связь по CO 2, забираемому в океан насосом растворимости. Он происходит с меньшей величиной, чем насос растворимости.
Полная статья: Биологический насос
Частицы органического углерода, созданные в результате биологического производства, могут быть экспортированы из верхнего слоя океана в потоке, обычно называемом биологическим насосом, или вдыхаться (уравнение 6) обратно в неорганический углерод. В первом случае растворенный неорганический углерод биологически преобразуется в органическое вещество посредством фотосинтеза (уравнение 5) и других форм автотрофии [16] , которое затем тонет и частично или полностью переваривается гетеротрофами. [21] Частицы органического углерода можно классифицировать на основе того, насколько легко организмы могут расщеплять их для получения пищи, как лабильные , полулабильные или тугоплавкие. Фотосинтез фитопланктоном является основным источником лабильных и полулабильных молекул и является косвенным источником большинства тугоплавких молекул. [22] [23] Лабильные молекулы присутствуют в низких концентрациях вне клеток (в пикомолярном диапазоне) и имеют период полураспада всего несколько минут в свободном состоянии в океане. [24] Они потребляются микробами в течение нескольких часов или дней после производства и находятся на поверхности океанов, [23] где они вносят большую часть лабильного потока углерода. [25] Полулабильные молекулы, которые гораздо труднее потреблять, способны достигать глубин в сотни метров под поверхностью, прежде чем будут метаболизированы. [26] Тугоплавкие РОВ в основном состоят из высококонъюгированных молекул, таких как полициклические ароматические углеводороды или лигнин . [22] Тугоплавкие РОВ могут достигать глубин более 1000 м и циркулируют в океанах в течение тысяч лет. [27] [23] [28] В течение года гетеротрофы поглощают приблизительно 20 гигатонн фотосинтетически фиксированного лабильного и полулабильного углерода , тогда как потребляется менее 0,2 гигатонны тугоплавкого углерода. [23] Растворенное органическое вещество морской воды (РОВ) может хранить столько же углерода, сколько содержится в атмосфере в настоящее время , [ 28] но промышленные процессы изменяют баланс этого цикла. [29]
Вклады в морской углеродный цикл многочисленны, но основной вклад в чистом выражении вносят атмосфера и реки. [1] Гидротермальные источники обычно поставляют углерод в количестве, равном количеству, которое они потребляют. [16]
До промышленной революции океан был источником CO 2 для атмосферы [8], уравновешивая воздействие выветривания горных пород и земных частиц органического углерода; теперь он стал поглотителем избыточного атмосферного CO 2 . [31] Углекислый газ поглощается из атмосферы на поверхности океана со скоростью обмена, которая меняется локально и со временем [32], но в среднем океаны имеют чистое поглощение около 2,9 Пг (эквивалентно 2,9 миллиардам метрических тонн) углерода из атмосферного CO 2 в год. [33] Поскольку растворимость углекислого газа увеличивается при понижении температуры, холодные области могут содержать больше CO 2 и по-прежнему находиться в равновесии с атмосферой; Напротив, повышение температуры поверхности моря снижает способность океанов поглощать углекислый газ. [34] [10] В Северной Атлантике и Северном океане наблюдается самое высокое поглощение углерода на единицу площади в мире, [35] а в Северной Атлантике глубокая конвекция переносит приблизительно 197 Тг в год неогнеупорного углерода на глубину. [36]
Скорость поглощения CO 2 океаном увеличивается со временем, поскольку концентрация CO 2 в атмосфере увеличивается из-за антропогенных выбросов. Однако поглощение углерода океаном может быть более чувствительным к изменению климата, чем считалось ранее, а потепление океана и изменения циркуляции из-за изменения климата могут привести к тому, что океан будет поглощать меньше CO 2 из атмосферы в будущем, чем ожидалось. [37]
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. [38] Эта скорость обмена может быть приблизительно выражена законом Генри и может быть рассчитана как S = kP, где растворимость (S) углекислого газа пропорциональна количеству газа в атмосфере или его парциальному давлению . [1]
Поскольку океаническое поглощение углекислого газа ограничено, приток CO 2 также можно описать с помощью фактора Ревелля . [34] [10] Фактор Ревелля представляет собой отношение изменения углекислого газа к изменению растворенного неорганического углерода, которое служит индикатором растворения углекислого газа в смешанном слое с учетом насоса растворимости. Фактор Ревелля представляет собой выражение для характеристики термодинамической эффективности бассейна DIC для поглощения CO 2 в бикарбонат. Чем ниже фактор Ревелля, тем выше способность океанской воды поглощать углекислый газ. В то время как Ревелль вычислил фактор около 10 в свое время, в данных исследования 2004 года фактор Ревелля варьировался от приблизительно 9 в низкоширотных тропических регионах до 15 в южном океане около Антарктиды. [39]
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 примерно равные количества (~0,4 ГтС/год) DIC и DOC в океаны. [1] Подсчитано, что приблизительно 0,8 ГтС (DIC + DOC) ежегодно переносится из рек в океан. [1] Реки, впадающие в Чесапикский залив ( реки Саскуэханна , Потомак и Джеймс ), вносят приблизительно 0,004 Гт (6,5 x 10 10 моль) DIC в год. [40] Общий перенос углерода реками составляет приблизительно 0,02% от общего углерода в атмосфере. [41] Хотя это кажется небольшим, в длительных временных масштабах (от 1000 до 10 000 лет) углерод, который попадает в реки (и, следовательно, не попадает в атмосферу), служит стабилизирующей обратной связью для парникового потепления. [42]
Основными продуктами морской углеродной системы являются сохранение твердых органических веществ (POC) и карбоната кальция (PIC), а также обратное выветривание . [1] Хотя существуют регионы с локальной потерей CO2 в атмосферу и гидротермальными процессами, чистой потери в цикле не происходит. [16]
Седиментация — это долгосрочный сток углерода в океане, а также крупнейшая потеря углерода из океанической системы. [43] Глубоководные морские отложения и геологические формации важны, поскольку они обеспечивают полную летопись жизни на Земле и являются важным источником ископаемого топлива. [43] Океанический углерод может покидать систему в виде детрита, который тонет и захороняется на морском дне, не будучи полностью разложенным или растворенным. Поверхностные отложения океанического дна составляют 1,75x10 15 кг углерода в глобальном углеродном цикле. [44] Самое большее, 4% органического углерода в виде частиц из эвфотической зоны в Тихом океане, где происходит первичное производство с использованием света , захоронено в морских отложениях. [43] Затем подразумевается, что, поскольку в океан поступает больше органического вещества, чем то, что захоронено, большая его часть используется или потребляется внутри.
Исторически сложилось так, что отложения с самым высоким содержанием органического углерода часто находили в районах с высокой производительностью поверхностных вод или в районах с низкой концентрацией кислорода в придонной воде. [45] 90% захоронения органического углерода происходит в отложениях дельт , континентальных шельфов и верхних склонов; [46] это частично объясняется коротким временем воздействия из-за более короткого расстояния до морского дна и состава органического вещества, которое уже отложено в этих средах. [47] Захоронение органического углерода также чувствительно к климатическим моделям: скорость накопления органического углерода была на 50% выше во время ледникового максимума по сравнению с межледниковьями . [48]
POC разлагается серией микробных процессов, таких как метаногенез и сульфатредукция, перед захоронением на морском дне. [49] [50] Деградация POC также приводит к микробному производству метана, который является основным газовым гидратом на континентальных окраинах. [51] Лигнин и пыльца по своей природе устойчивы к деградации , и некоторые исследования показывают, что неорганические матрицы также могут защищать органическое вещество. [52] Скорость сохранения органического вещества зависит от других взаимозависимых переменных, которые нелинейно изменяются во времени и пространстве. [53] Хотя разложение органического вещества происходит быстро в присутствии кислорода, микробы, использующие различные химические виды (через окислительно-восстановительные градиенты), могут разлагать органическое вещество в бескислородных отложениях. [53] Глубина захоронения, на которой останавливается деградация, зависит от скорости седиментации, относительного содержания органического вещества в осадке, типа захороненного органического вещества и бесчисленного множества других переменных. [53] Хотя разложение органического вещества может происходить в бескислородных отложениях, когда бактерии используют окислители, отличные от кислорода ( нитрат , сульфат , Fe3 + ), разложение, как правило, заканчивается до полной минерализации . [54] Это происходит из-за предпочтительного разложения лабильных молекул по сравнению с рефрактерными молекулами. [54]
Захоронение органического углерода является источником энергии для подземных биологических сред и может регулировать кислород в атмосфере в длительных временных масштабах (> 10 000 лет). [48] Захоронение может иметь место только в том случае, если органический углерод поступает на морское дно, делая континентальные шельфы и прибрежные окраины основным хранилищем органического углерода из наземного и океанического первичного производства. Фьорды или скалы, созданные ледниковой эрозией, также были идентифицированы как области значительного захоронения углерода, со скоростью в сто раз превышающей среднюю для океана. [55] Частицы органического углерода захоронены в океанических отложениях, создавая путь между быстродоступным пулом углерода в океане к его хранению в геологических временных масштабах. После того, как углерод секвестрируется на морском дне, он считается синим углеродом . Скорость захоронения можно рассчитать как разницу между скоростью, с которой органическое вещество погружается, и скоростью, с которой оно разлагается.
Осаждение карбоната кальция важно, поскольку оно приводит к потере щелочности, а также к высвобождению CO 2 (уравнение 4), и, следовательно, изменение скорости сохранения карбоната кальция может изменить парциальное давление CO 2 в атмосфере Земли. [16] CaCO 3 перенасыщен в подавляющем большинстве поверхностных вод океана и недонасыщен на глубине, [10] что означает, что ракушки с большей вероятностью растворятся по мере погружения в глубины океана. CaCO 3 также может растворяться посредством метаболического растворения (т. е. может использоваться в качестве пищи и выводиться из организма), и, таким образом, в глубоководных отложениях океана содержится очень мало карбоната кальция. [16] Осаждение и захоронение карбоната кальция в океане удаляет из океана твердые частицы неорганического углерода и в конечном итоге образует известняк . [16] В масштабах времени, превышающих 500 000 лет, климат Земли смягчается потоком углерода в литосферу и из нее . [56] Породы, образовавшиеся на дне океана, возвращаются на поверхность в результате тектоники плит и подвергаются выветриванию или погружению в мантию , а углерод выделяется вулканами . [1]
Океаны поглощают около 25–31% антропогенного CO 2 . [57] [58] Поскольку фактор Ревелла увеличивается с ростом CO 2 , меньшая доля антропогенного потока будет поглощаться океаном в будущем. [59] Текущее ежегодное увеличение атмосферного CO 2 составляет приблизительно 4–5 гигатонн углерода, [60] около 2–3 частей на миллион CO 2 в год. [61] [62] Это вызывает изменение климата, которое управляет концентрацией углерода и процессами обратной связи между углеродом и климатом, которые изменяют циркуляцию океана и физические и химические свойства морской воды , что изменяет поглощение CO 2 . [63] [64] Чрезмерный вылов рыбы и загрязнение океанов пластиком способствуют ухудшению состояния крупнейшего в мире поглотителя углерода. [65] [66]
Полная статья: Закисление океана
Уровень pH океанов снижается из-за поглощения атмосферного CO 2 . [67] Рост растворенного углекислого газа снижает доступность карбонатного иона, снижая состояние насыщения CaCO 3 , тем самым делая термодинамически более сложным создание оболочки CaCO 3 . [68] Ионы карбоната предпочтительно связываются с ионами водорода, образуя бикарбонат, [10] таким образом, снижение доступности карбонатного иона увеличивает количество несвязанных ионов водорода и уменьшает количество образованного бикарбоната (уравнения 1–3). pH является измерением концентрации ионов водорода, где низкий pH означает, что есть больше несвязанных ионов водорода. Таким образом, pH является индикатором карбонатного состава ( формата присутствующего углерода) в океанах и может использоваться для оценки того, насколько здоров океан. [68]
Список организмов, которые могут страдать из-за закисления океана, включает кокколитофориды и фораминиферы (основа морской пищевой цепи во многих областях), источники пищи для человека, такие как устрицы и мидии , [69] и, возможно, наиболее заметную структуру, построенную организмами – коралловые рифы. [68] Большая часть поверхностных вод останется перенасыщенной по отношению к CaCO3 ( как кальциту, так и арагониту) в течение некоторого времени при текущих траекториях выбросов, [68] но организмы, которым требуется карбонат, вероятно, будут заменены во многих областях. [68] Коралловые рифы находятся под давлением из-за чрезмерного вылова рыбы, загрязнения нитратами и потепления вод; закисление океана добавит дополнительную нагрузку на эти важные структуры. [68]
Полная статья: Удобрение железом
Удобрение железом является аспектом геоинженерии , который целенаправленно манипулирует климатической системой Земли, как правило, в аспектах углеродного цикла или радиационного воздействия. Текущий 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. Существуют текущие исследования относительно искусственного удобрения. [70] Из-за масштабов океана и быстрого времени реакции гетеротрофных сообществ на увеличение первичной продукции трудно определить, приводит ли удобрение ограничением питательных веществ к увеличению экспорта углерода. [70] Однако большинство сообщества не считает, что это разумный или жизнеспособный подход. [71]
В мире насчитывается более 16 миллионов плотин [72] , которые изменяют транспорт углерода из рек в океаны. [73] Используя данные из базы данных Global Reservoirs and Dams, которая содержит около 7000 водохранилищ, которые удерживают 77% от общего объема воды, удерживаемой плотинами (8000 км 3 ), подсчитано, что поставка углерода в океан сократилась на 13% с 1970 года и, по прогнозам, достигнет 19% к 2030 году. [74] Избыточный углерод, содержащийся в водохранилищах, может выбрасывать дополнительно ~0,184 Гт углерода в атмосферу в год [75] и дополнительно ~0,2 ГтС будет захоронено в осадочных породах. [74] До 2000 года на бассейны рек Миссисипи , Нигер и Ганг приходилось 25–31% всего захоронения углерода в водохранилищах. [74] После 2000 года бассейны рек Парана (где находится 70 плотин) и Замбези (где находится крупнейшее водохранилище) превысили захоронение Миссисипи. [74] Другие крупные источники захоронения углерода, вызванного строительством плотин, находятся на реках Дунай , Амазонка , Янцзы , Меконг , Енисей и Токантинс . [74]
{{cite journal}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link)