lovesouthernsocial.com

Углеродные циклы - это перемещения элемента углерода в различных средах.

Отредактированное и измененное изображение Митчелла Грайста доступно на Unsplash.

Углеродные циклы - это перемещения углерода элемента в различных средах, включая горные породы, почвы, океаны и растения. Это предотвращает его полное накопление в атмосфере и стабилизирует температуру Земли. В геологии существует два типа углеродного цикла: медленный, который занимает сотни тысяч лет, и быстрый, который занимает от десятков до 100 тысяч лет.

углерод

Углерод - это химический элемент, который в изобилии содержится в горных породах и, в меньшей степени, в почве, океане, овощах, атмосфере, организме живых существ и объектов. Он выкован в звездах, являясь четвертым по численности элементом во Вселенной и необходим для поддержания жизни на Земле, какой мы ее знаем. Однако он также является одной из причин серьезной проблемы: изменения климата.

В очень длительных временных масштабах (от миллионов до десятков миллионов лет) движение тектонических плит и изменения скорости проникновения углерода внутрь Земли могут изменять глобальную температуру. Земля претерпела это изменение за последние 50 миллионов лет, от чрезвычайно жаркого климата мелового периода (примерно 145-65 миллионов лет назад) до ледникового климата плейстоцена (примерно от 1,8 миллиона до 11500 лет назад).

медленный цикл

В результате серии химических реакций и тектонической активности углероду требуется от 100 до 200 миллионов лет, чтобы перемещаться между скалами, почвой, океаном и атмосферой в медленно протекающем углеродном цикле. В среднем за один год через медленный цикл проходит от десяти до 100 миллионов тонн углерода. Для сравнения, выбросы углерода человеком в атмосферу составляют порядка 10 миллиардов тонн, в то время как быстрый углеродный цикл перемещается с десяти до 100 миллиардов углерода в год.

Движение углерода из атмосферы в литосферу (горные породы) начинается с дождя. Атмосферный углерод в сочетании с водой образует угольную кислоту, которая оседает на поверхности через дождь. Эта кислота растворяет горные породы в процессе, называемом химическим выветриванием, высвобождая ионы кальция, магния, калия или натрия. Эти ионы переносятся в реки и из рек в океан.

• Каково происхождение пластика, загрязняющего океаны?
• Подкисление океана: серьезная проблема для планеты

В океане ионы кальция соединяются с ионами бикарбоната с образованием карбоната кальция, активного ингредиента антацидов. В океане большая часть карбоната кальция вырабатывается организмами, создающими раковины (кальцифицирующими) (такими как кораллы) и планктоном (такими как кокколитофориды и фораминиферы). После смерти эти организмы опускаются на морское дно. Со временем слои ракушек и отложений уплотняются и превращаются в породы, накапливающие углерод, в результате чего образуются осадочные породы, такие как известняк.

Таким образом образуется около 80% карбонатных пород. Остальные 20% содержат углерод, происходящий от разложения живых существ (органический углерод). Тепло и давление сжимают богатый углеродом органический материал в течение миллионов лет, образуя осадочные породы, такие как сланцы. В особых случаях, когда органическое вещество от мертвых растений накапливается быстро, без времени для разложения, слои органического углерода становятся нефтью, углем или природным газом, а не осадочными породами, такими как сланцы.

В медленном цикле углерод возвращается в атмосферу в результате вулканической активности. Это потому, что когда поверхности земли Земли и океанской коры сталкиваются, одна погружается под другую, и порода, которую она несет, тает под воздействием сильной жары и давления. Нагретая порода рекомбинирует с образованием силикатных минералов, выделяя углекислый газ.

• Двуокись углерода: что такое СО2?

Когда вулканы извергаются, они выбрасывают газ в атмосферу и покрывают землю кремнистой породой, начиная цикл заново. Вулканы выбрасывают от 130 до 380 миллионов метрических тонн углекислого газа в год. Для сравнения, люди выбрасывают около 30 миллиардов тонн углекислого газа в год - в 100–300 раз больше, чем вулканы, сжигающие ископаемое топливо.

• Спирт или бензин?

Если уровень углекислого газа в атмосфере повышается из-за повышенной вулканической активности, например, температура повышается, что приводит к увеличению количества дождя, который растворяет больше породы, создавая больше ионов, которые в конечном итоге откладывают больше углерода на дне океана. Чтобы сбалансировать медленный углеродный цикл, требуется несколько сотен тысяч лет.

Однако медленный цикл также содержит немного более быстрый компонент: океан. На поверхности, где воздух встречается с водой, углекислый газ растворяется и выходит из океана в постоянном обмене с атмосферой. Попадая в океан, углекислый газ реагирует с молекулами воды с выделением водорода, делая океан более кислым. Водород реагирует с карбонатом в результате выветривания горных пород с образованием ионов бикарбоната.

До наступления индустриальной эпохи океан выбрасывал в атмосферу углекислый газ в равновесии с углеродом, полученным океаном во время износа горных пород. Однако по мере увеличения концентрации углерода в атмосфере океан теперь удаляет из атмосферы больше углерода, чем выделяет. За тысячелетия океан будет поглощать до 85% дополнительного углерода, который люди вводят в атмосферу, сжигая ископаемое топливо, но этот процесс идет медленно, поскольку он связан с движением воды от поверхности океана к его глубинам.

Между тем ветры, течения и температура контролируют скорость, с которой океан удаляет углекислый газ из атмосферы. (См. «Углеродный баланс океана» в обсерватории Земли.) Вполне вероятно, что изменения температуры и течений океана помогли удалить углерод и восстановить углерод в атмосфере за несколько тысяч лет, когда ледниковые периоды начались и закончились.

Быстрый углеродный цикл

Время, необходимое углероду для прохождения быстрого углеродного цикла, измеряется в течение всей жизни. Быстрый углеродный цикл - это в основном движение углерода через формы жизни на Земле или в биосфере. Ежегодно через быстрый углеродный цикл проходит от 1 000 до 100 000 миллионов метрических тонн углерода.

Углерод играет важную роль в биологии из-за его способности образовывать множество связей - до четырех на атом - в, казалось бы, бесконечном множестве сложных органических молекул. Многие органические молекулы содержат атомы углерода, которые образовали прочные связи с другими атомами углерода, объединяясь в длинные цепи и кольца. Такие углеродные цепи и кольца являются основой живых клеток. Например, ДНК состоит из двух переплетенных молекул, построенных вокруг углеродной цепи.

Связи в длинных углеродных цепочках содержат много энергии. Когда токи разделяются, запасенная энергия высвобождается. Эта энергия делает молекулы углерода отличным источником топлива для всего живого.

Растения и фитопланктон являются основными компонентами быстрого круговорота углерода. Фитопланктон (микроскопические организмы в океане) и растения забирают углекислый газ из атмосферы, поглощая его своими клетками. Используя энергию солнца, растения и планктон объединяют углекислый газ (CO2) и воду с образованием сахара (CH2O) и кислорода. Химическая реакция выглядит так:

CO2 + H2O + энергия = CH2O + O2

Может случиться так, что углерод покидает растение и возвращается в атмосферу, но все они связаны с одной и той же химической реакцией. Растения расщепляют сахар, чтобы получить энергию, необходимую для роста. Животные (в том числе люди) едят растения или планктон и расщепляют сахар растений для получения энергии. Растения и планктон погибают и гниют (поедаются бактериями) или сгорают. Во всех случаях кислород соединяется с сахаром с выделением воды, углекислого газа и энергии. Основная химическая реакция протекает так:

CH2O + O2 = CO2 + H2O + энергия

Во всех четырех процессах диоксид углерода, выделяющийся в результате реакции, обычно попадает в атмосферу. Быстрый углеродный цикл настолько тесно связан с жизнью растений, что вегетационный период можно увидеть по тому, как углекислый газ плавает в атмосфере. Зимой в северном полушарии, когда мало наземных растений растет, а многие гниют, концентрация углекислого газа в атмосфере увеличивается. Весной, когда растения снова начинают расти, концентрация падает. Как будто Земля дышит.

Изменения в углеродном цикле

При отсутствии изменений быстрый и медленный углеродные циклы поддерживают относительно постоянную концентрацию углерода в атмосфере, на суше, в растениях и в океане. Но когда что-то меняет количество углерода в одном резервуаре, эффект распространяется и на другие.

В прошлом углеродный цикл изменялся в ответ на изменение климата. Вариации орбиты Земли изменяют количество энергии, которую Земля получает от Солнца, и приводят к циклу ледниковых периодов и теплых периодов, таких как текущий климат Земли. (См. Милютин Миланкович). Ледниковые периоды возникли, когда лето в Северном полушарии охладилось и на Земле скопился лед, что, в свою очередь, замедлило углеродный цикл. Между тем, несколько факторов, включая более низкие температуры и усиленный рост фитопланктона, могли увеличить количество углерода, удаленного океаном из атмосферы. Падение атмосферного углерода вызвало дальнейшее охлаждение. Точно так же в конце последнего ледникового периода, 10 000 лет назад, содержание углекислого газа в атмосфере резко увеличилось по мере повышения температуры.

Изменения орбиты Земли происходят постоянно, в предсказуемых циклах. Примерно через 30 000 лет орбита Земли сместится достаточно, чтобы уменьшить количество солнечного света в Северном полушарии до уровней, которые привели к последнему ледниковому периоду.

Сегодня изменения в углеродном цикле происходят из-за людей. Мы нарушаем углеродный цикл, сжигая ископаемое топливо и вырубая леса.

Вырубка лесов высвобождает углерод, хранящийся в стволах, стеблях и листьях - биомассу. При расчистке леса удаляются растения, которые в противном случае поглощали бы углерод из атмосферы по мере роста. Во всем мире наблюдается тенденция к замене лесов монокультурами и пастбищами, которые накапливают меньше углерода. Мы также открываем почву, которая выводит углерод из разлагающихся растений в атмосферу. В настоящее время люди ежегодно выбрасывают в атмосферу чуть менее миллиарда тонн углерода из-за изменений в землепользовании.

Без вмешательства человека углерод из ископаемого топлива будет медленно просачиваться в атмосферу в результате вулканической активности в течение миллионов лет в медленном углеродном цикле. Сжигая уголь, нефть и природный газ, мы ускоряем этот процесс, ежегодно выбрасывая в атмосферу огромное количество углерода (углерод, на накопление которого уходили миллионы лет). Делая это, мы переводим углерод из медленного цикла в быстрый. В 2009 году люди выбросили в атмосферу около 8,4 миллиарда тонн углерода в результате сжигания ископаемого топлива.

С начала промышленной революции, когда люди начали сжигать ископаемое топливо, концентрация углекислого газа в атмосфере увеличилась примерно с 280 частей на миллион до 387 частей на миллион, то есть на 39%. Это означает, что на каждый миллион молекул в атмосфере 387 из них сейчас составляют углекислый газ - самая высокая концентрация за два миллиона лет. Концентрация метана увеличилась с 715 частей на миллиард в 1750 году до 1774 частей на миллиард в 2005 году, что является самой высокой концентрацией по крайней мере за 650 000 лет.

Последствия изменения углеродного цикла

Изображение: углеродные циклы - НАСА

Весь этот лишний углерод должен куда-то уйти. К настоящему времени наземные и океанические растения поглотили 55% лишнего углерода в атмосфере, в то время как около 45% остается в атмосфере. В конце концов, почва и океаны поглощают большую часть дополнительного углекислого газа, но до 20% могут оставаться в атмосфере в течение многих тысяч лет.

Избыток углерода в атмосфере согревает планету и помогает наземным растениям расти в размерах. Избыток углерода в океане делает воду более кислой, подвергая риску морскую жизнь. Подробнее об этой теме читайте в статье: «Подкисление Мирового океана: серьезная проблема для планеты».

Атмосфера

Примечательно, что в атмосфере остается так много углекислого газа, потому что CO2 является наиболее важным газом для регулирования температуры Земли. Двуокись углерода, метан и галоидоуглероды - это парниковые газы, которые поглощают широкий спектр энергии, включая инфракрасную энергию (тепло), излучаемую Землей, а затем повторно излучают ее. Переизлученная энергия распространяется во всех направлениях, но некоторая часть возвращается на Землю, нагревая поверхность. Без парниковых газов Земля замерзла бы до -18 ° C. С большим количеством парниковых газов Земля будет похожа на Венеру, где атмосфера поддерживает температуру около 400 ° C.

Поскольку ученые знают, какие длины волн энергии поглощает каждый парниковый газ и их концентрацию в атмосфере, они могут рассчитать, насколько каждый газ способствует глобальному потеплению. Углекислый газ вызывает около 20% парникового эффекта Земли; водяной пар составляет около 50%; и облака составляют 25%. Остальное вызвано мелкими частицами (аэрозолями) и более мелкими парниковыми газами, такими как метан.

• Можно ли перерабатывать аэрозольные баллончики?

Концентрация водяного пара в воздухе контролируется температурой Земли. Более высокие температуры испаряют больше воды из океанов, увеличивают воздушные массы и повышают влажность. При охлаждении водяной пар конденсируется и выпадает в виде дождя, мокрого снега или снега.

С другой стороны, углекислый газ остается газом в более широком диапазоне атмосферных температур, чем вода. Молекулы углекислого газа обеспечивают начальный нагрев, необходимый для поддержания концентрации водяного пара. Когда концентрация углекислого газа падает, Земля охлаждается, часть водяного пара выпадает из атмосферы, а нагрев теплицы, вызываемый водяным паром, падает. Аналогичным образом, когда концентрация углекислого газа повышается, температура воздуха повышается, и больше водяного пара испаряется в атмосферу, что усиливает нагрев теплицы.

Таким образом, хотя углекислый газ вносит меньший вклад в парниковый эффект, чем водяной пар, ученые обнаружили, что углекислый газ является газом, определяющим температуру. Двуокись углерода контролирует количество водяного пара в атмосфере и, следовательно, величину парникового эффекта.

Растущие концентрации углекислого газа уже вызывают нагревание планеты. В то время как парниковые газы растут, с 1880 года средняя глобальная температура повысилась на 0,8 градуса по Цельсию (1,4 градуса по Фаренгейту).

Это повышение температуры - это еще не все потепление, которое мы увидим, исходя из текущих концентраций углекислого газа. Отопление теплицы происходит не сразу, потому что океан поглощает тепло. Это означает, что температура Земли повысится как минимум еще на 0,6 градуса по Цельсию (1 градус по Фаренгейту) из-за уже присутствующего в атмосфере углекислого газа. Степень повышения температуры выше этого отчасти зависит от того, сколько углерода люди выбрасывают в атмосферу в будущем.

Океан

Около 30% углекислого газа, выбрасываемого людьми в атмосферу, попало в океан в результате прямого химического обмена. При растворении углекислого газа в океане образуется углекислый газ, который увеличивает кислотность воды. Вернее, слегка щелочной океан становится чуть менее щелочным. С 1750 года pH поверхности океана упал на 0,1, то есть изменение кислотности на 30%.

Подкисление океана влияет на морские организмы двумя способами. Во-первых, угольная кислота реагирует с карбонат-ионами в воде с образованием бикарбоната. Однако именно эти ионы карбоната необходимы животным, строящим панцири, таким как кораллы, для создания панцирей из карбоната кальция. При меньшем количестве карбоната животным нужно тратить больше энергии на постройку своего панциря. В результате раковины становятся тоньше и хрупче.

Во-вторых, чем больше кислой воды, тем лучше она растворяет карбонат кальция.В долгосрочной перспективе эта реакция позволит океану поглощать избыток углекислого газа, потому что более кислая вода растворяет больше породы, выделяет больше карбонат-ионов и увеличивает способность океана поглощать углекислый газ. Тем временем, однако, более кислая вода растворяет карбонатные раковины морских организмов, делая их изъеденными и слабыми.

Более теплые океаны - продукт парникового эффекта - также могут уменьшить численность фитопланктона, который лучше всего растет в холодных, богатых питательными веществами водах. Это может ограничить способность океана извлекать углерод из атмосферы в ходе быстрого углеродного цикла.

С другой стороны, углекислый газ необходим для роста растений и фитопланктона. Увеличение содержания углекислого газа может увеличить рост за счет удобрения тех немногих видов фитопланктона и океанических растений (например, морских водорослей), которые поглощают углекислый газ непосредственно из воды. Однако большинству видов не помогает повышенная доступность углекислого газа.

Земля

Растения на суше поглотили примерно 25% углекислого газа, который люди выбрасывают в атмосферу. Количество углерода, поглощаемого растениями, сильно варьируется от года к году, но в целом с 1960-х годов растения в мире увеличили количество поглощаемого ими углекислого газа. Только часть этого увеличения произошла в результате выбросов ископаемого топлива.

Благодаря большему количеству атмосферного углекислого газа, доступному для преобразования в растительное вещество при фотосинтезе, растения смогли вырасти в размерах. Это увеличение роста известно как углеродное удобрение. Модели предсказывают, что растения могут вырасти на 12–76 процентов больше, если удвоится содержание углекислого газа в атмосфере, если ничто другое, например нехватка воды, не ограничивает их рост. Однако ученые не знают, насколько углекислый газ увеличивает рост растений в реальном мире, потому что растениям для роста нужно больше, чем углекислый газ.

Растениям также нужны вода, солнечный свет и питательные вещества, особенно азот. Если у растения нет одного из этих компонентов, оно не растет, независимо от того, в каком количестве нуждается другое. Существует предел того, сколько углерода растения могут забрать из атмосферы, и этот предел варьируется от региона к региону. Пока что кажется, что удобрение углекислым газом увеличивает рост растений до тех пор, пока растение не достигнет предела доступного количества воды или азота.

Некоторые изменения в поглощении углерода являются результатом решений о землепользовании. Сельское хозяйство стало намного более интенсивным, поэтому мы можем выращивать больше продуктов на меньших площадях. В высоких и средних широтах заброшенные земли превращаются в леса, и эти леса накапливают гораздо больше углерода, как в древесине, так и в почве, чем в сельскохозяйственных культурах. Во многих местах мы предотвращаем попадание углерода растений в атмосферу путем тушения пожаров. Это позволяет древесному материалу (который накапливает углерод) накапливаться. Все эти решения по землепользованию помогают растениям поглощать углерод, выделяемый людьми в Северном полушарии.

Однако в тропиках происходит вырубка лесов, часто в результате пожаров, в результате чего выделяется углекислый газ. В 2008 году на вырубку лесов пришлось около 12% всех выбросов углекислого газа человеком.

Самые большие изменения в земном углеродном цикле, вероятно, произойдут из-за изменения климата. Углекислый газ увеличивает температуру, продлевая вегетационный период и повышая влажность. Оба фактора привели к дополнительному росту растений. Однако более высокие температуры также вызывают стресс у растений. С более продолжительным и теплым вегетационным периодом растениям нужно больше воды, чтобы выжить. Ученые уже видят доказательства того, что растения в Северном полушарии летом медленно растут из-за высоких температур и нехватки воды.

Сухие растения и растения, испытывающие водный стресс, также более восприимчивы к пожарам и насекомым, когда вегетационный период становится длиннее. На крайнем севере, где повышение температуры оказывает наибольшее влияние, леса уже начали сжигать больше, выбрасывая углерод из растений и почвы в атмосферу. Тропические леса также могут быть чрезвычайно подвержены высыханию. При меньшем количестве воды тропические деревья замедляют свой рост и поглощают меньше углерода или умирают и выбрасывают накопленный углерод в атмосферу.

Потепление, вызванное увеличением количества парниковых газов, также может «поджечь» почву, ускоряя темпы утечки углерода в некоторых местах. Это особенно беспокоит крайний север, где тает мерзлый грунт - вечная мерзлота. Вечная мерзлота содержит богатые отложения углерода из растительного материала, которые накапливались за тысячи лет, потому что холод замедляет гниение. Когда почва нагревается, органическое вещество разлагается, и углерод в форме метана и углекислого газа попадает в атмосферу.

Текущие исследования показывают, что вечная мерзлота в Северном полушарии содержит 1,672 миллиарда тонн (петаграмм) органического углерода. Если только 10% этой вечной мерзлоты растает, она может выпустить в атмосферу достаточно дополнительного углекислого газа, чтобы повысить температуру на 0,7 градуса по Цельсию (1,3 градуса по Фаренгейту) в 2100 году.

Изучение углеродного цикла

Многие вопросы, на которые ученым еще предстоит ответить об углеродном цикле, связаны с тем, как он меняется. Атмосфера сейчас содержит больше углерода, чем когда-либо, по крайней мере, за два миллиона лет. Каждый резервуар в цикле будет меняться по мере того, как углерод проходит цикл.

Каковы будут эти изменения? Что произойдет с растениями при повышении температуры и изменении климата? Удалит ли они из атмосферы больше углерода, чем вернут? Станут ли они менее продуктивными? Сколько дополнительного углерода растает в атмосфере из-за вечной мерзлоты и насколько это усилит потепление? Изменяет ли циркуляция океана или потепление скорость поглощения углерода океаном? Станет ли жизнь в океане менее продуктивной? Насколько сильно закислит океан и какие последствия это будет иметь?

Роль НАСА в ответе на эти вопросы заключается в обеспечении глобальных спутниковых наблюдений и соответствующих полевых наблюдений. К началу 2011 года два типа спутниковых инструментов собирали информацию, касающуюся углеродного цикла.

Спектрорадиометры со средним разрешением (MODIS), управляемые спутниками НАСА Terra и Aqua, измеряют количество углеродных растений и фитопланктона, превращающихся в материю по мере их роста. Эта мера называется чистой первичной продуктивностью. Датчики MODIS также измеряют, сколько пожаров произошло и где они горят.

Два спутника Landsat обеспечивают подробный обзор океанских рифов, того, что растет на суше и как меняется земной покров. Можно увидеть рост города или превращение леса в ферму. Эта информация имеет решающее значение, поскольку на землепользование приходится треть всех выбросов углерода в атмосферу.

Будущие спутники НАСА продолжат эти наблюдения, а также будут измерять углекислый газ и метан в атмосфере, высоте и структуре растительности.

Все эти меры помогут нам увидеть, как глобальный углеродный цикл меняется с течением времени. Они помогут нам оценить, какое влияние мы оказываем на углеродный цикл, выбрасывая углерод в атмосферу или находя способы его хранения в другом месте. Они покажут нам, как изменение климата изменяет углеродный цикл и как изменяющийся цикл изменяет климат.

Однако большинство из нас будет наблюдать изменения в углеродном цикле более личным образом. Для нас углеродный цикл - это еда, которую мы едим, электричество в наших домах, газ в наших машинах и погода над нашими головами. Поскольку мы являемся частью углеродного цикла, наши решения о том, как мы живем, зависят от этого цикла. Точно так же изменения в углеродном цикле повлияют на наш образ жизни. По мере того, как каждый из нас начинает понимать свою роль в углеродном цикле, знания позволяют нам контролировать свое личное влияние и понимать изменения, которые мы наблюдаем в окружающем нас мире.