Geokemisk cykel av kol

Den geokemiska kolcykeln  är en uppsättning processer som överför kol mellan olika geokemiska reservoarer . I jordens historia har kolcykeln förändrats ganska avsevärt, dessa förändringar har varit både långsamma gradvisa förändringar och plötsliga katastrofala händelser. Levande organismer har spelat och fortsätter att spela den viktigaste rollen i kolets kretslopp . I olika former finns kol i alla jordens skal .

Den geokemiska kolcykeln har flera viktiga egenskaper:

• Vid olika tidpunkter var olika processer avgörande i kolets kretslopp.
• Plötsliga, katastrofala förändringar i kolets kretslopp har spelat en nyckelroll i utvecklingen av kolets kretslopp i jordens historia.
• Kolets geokemiska cykel sker alltid genom atmosfären och hydrosfären . Således kan även de mest djupgående processer påverka miljön och biosfären .

Den geokemiska registreringen av kolcykeln har studerats ojämnt längs den geologiska tidsskalan. Den mest fullständigt studerade i detta avseende är kvartärperioden , den senaste och kortaste geologiska perioden, eftersom, å ena sidan, historien om kolcykeln i den är mest fullständigt registrerad av glaciärerna i Arktis och Antarktis . Å andra sidan ägde betydande förändringar i kolkretsloppet rum under denna tid, och de är oupplösligt kopplade till klimatförändringar .

När man studerar förändringar i elements geokemiska cykler är det nödvändigt att ta hänsyn till fenomenens tidsskala. Vissa processer kan införa subtila förändringar som blir avgörande över långa geologiska tidsperioder. Andra förändringar kan vara katastrofala och inträffa på mycket kort tid. Samtidigt är begreppet tid, egenskaperna "lång" och "långsam" i detta sammanhang relativa. Ett exempel på en geologiskt ögonblicklig händelse i den geokemiska kolcykeln är det sena paleocena termiska maximumet .

Former av kol

Kol finns i naturen i flera grundläggande former:

• den reducerade formen i form av metan och andra kolväten finns i manteln , skorpan , atmosfären och hydrosfären
• i neutralt tillstånd som kol , grafit , diamant och karbid i skorpan och manteln
• i oxiderad form som koldioxid , karbonater och föroreningar i silikater i manteln, skorpan och atmosfären och hydrosfären
• i form av komplexa organiska föreningar koncentreras kol i biosfären , marken och havet.

Överföringen av kol mellan olika geokemiska reservoarer sker genom atmosfären och haven. Samtidigt finns kol i atmosfären i form av koldioxid och metan.

Kol i atmosfären

I atmosfären finns kol i form av koldioxid (CO 2 ), kolmonoxid (CO), metan (CH 4 ) och några andra kolväten [1] . Halten av CO 2 är nu ~0,04% (ökad med 31% jämfört med den förindustriella eran), metan ~1,7 ppm (ökad med 149%), två storleksordningar mindre än CO 2 ; CO-halt ~0,1 ppm. Metan och koldioxid skapar växthuseffekten , det gör inte kolmonoxid.

För atmosfäriska gaser används begreppet gaslivslängd i atmosfären , detta är den tid under vilken lika mycket gas kommer in i atmosfären som den finns i atmosfären. Livslängden för metan beräknas till 10-14 år, och livslängden för koldioxid beräknas till 3-5 år. CO oxiderar till CO 2 på några månader.

Metan kommer in i atmosfären som ett resultat av anaerob nedbrytning av växtrester. De viktigaste källorna till metan i den moderna atmosfären är träsk och tropiska skogar.

Den moderna atmosfären innehåller en stor mängd syre , och metanet i den oxideras snabbt. Så nu är den dominerande cykeln CO 2 -cykeln , men i jordens tidiga historia var situationen fundamentalt annorlunda och metancykeln dominerade, medan koldioxidcykeln var av underordnad betydelse. Atmosfärisk koldioxid är en kolkälla för andra geosfärer nära ytan.

Kol i havet

Havet är en extremt viktig reservoar av kol. Den totala mängden av grundämnet i den är 100 gånger mer än vad som finns i atmosfären. Havet genom ytan kan utbyta koldioxid med atmosfären, och även, genom utfällning och upplösning av karbonater, med jordens sedimentära täckning. Kol löst i havet finns i tre huvudformer:

• oorganiskt kol
  • löst CO 2
  • HCO3 - _
  • CO 3 2−
• organiskt kol koncentrerat i oceaniska organismer

Hydrosfären kan delas in i tre geokemiska reservoarer: det ytnära lagret, djupa vatten och ett lager av reaktiva marina sediment som kan byta ut koldioxid med vatten. Dessa reservoarer skiljer sig i sin responstid på yttre förändringar i kolets kretslopp.

Kol i jordskorpan

Kolhalten i jordskorpan är cirka 0,27 %. Med tillkomsten av den industriella tidsåldern började mänskligheten använda kol från denna reservoar och överföra det till atmosfären. Akademikern Vernadsky jämförde denna process med en kraftfull geologisk kraft, liknande erosion eller vulkanism.

Kolreservoarer

Med tanke på kolets kretslopp är det vettigt att börja med uppskattningar av mängden kol som är koncentrerad i olika terrestra reservoarer. I det här fallet kommer vi att överväga systemets tillstånd för 1850, före starten av den industriella eran, när massiva utsläpp av fossila bränslen förbränningsprodukter till atmosfären började.

Det finns lite kol i atmosfären jämfört med havet och jordskorpan, men atmosfärisk koldioxid är mycket aktiv, det är byggmaterialet för jordens biosfär.

Metan är inte stabil i den moderna oxiderande atmosfären; i den övre atmosfären, med deltagande av hydroxyljoner , reagerar den med syre och bildar samma koldioxid och vatten. De huvudsakliga producenterna av metan är anaeroba bakterier som bearbetar det organiska materialet som bildas till följd av fotosyntesen . Det mesta av metanet kommer in i atmosfären från träsk.

För gaser i atmosfären introduceras begreppet livslängd, detta är den tid under vilken en massa gas kommer in i atmosfären, lika med massan av denna gas i atmosfären. För CO 2 beräknas livslängden till 5 år. Märkligt nog, men livslängden för metan som är instabil i atmosfären är mycket längre - cirka 15 år. Faktum är att atmosfärisk koldioxid är involverad i en extremt aktiv cirkulation med den terrestra biosfären och världshavet, medan metan i atmosfären bara sönderfaller.

Kolflöden mellan reservoarer

Det finns snabba och långsamma kolcykler. Det långsamma flödet av kolcykeln är förknippat med lagring av kol i bergarter och kan fortsätta i hundratals miljoner år. Cirka 80 % av kolhaltiga bergarter bildades i världshavet från avlagringar av delar av organismer som innehåller kalciumkarbonat. [3]

Längden på den snabba kolcykeln bestäms av organismens livslängd . Det representerar utbytet av kol direkt mellan biosfären (levande organismer under andning, näring och utsöndring, samt döda organismer under nedbrytning) och atmosfären och hydrosfären. [5]

(Siffror efter "+"-tecknet indikerar antropogen påverkan .)

Förändringar i kolets kretslopp

Prekambrisk historia

I de tidigaste stadierna av jordens utveckling minskade atmosfären, och innehållet av metan och koldioxid var mycket högre än nu. Dessa gaser har en betydande växthuseffekt, och detta förklarar Faint Young Sun Paradox , som består i diskrepansen mellan uppskattningar av solens uråldriga ljusstyrka och närvaron av vatten på planetens yta.

I Proterozoikum skedde en kardinal förändring i kolets kretslopp: från metancykeln till koldioxidcykeln. Fotosyntetiska bakterier började producera syre, som ursprungligen användes för att oxidera atmosfäriska kolväten, järn löst i haven och andra reducerade faser. När dessa resurser var uttömda började syrehalten i atmosfären öka. Samtidigt minskade halten av växthusgaser i atmosfären och den proterozoiska istiden började.

Den proterozoiska istiden, som ägde rum på gränsen mellan proterozoikum och vendian, var en av de starkaste istiderna i jordens historia. Paleomagnetiska data indikerar att de flesta av de kontinentala jordskorpblocken vid den tiden var belägna på ekvatoriska breddgrader, och spår av glaciation hittades på nästan alla av dem. Det fanns flera nedisningar under den proterozoiska istiden, som alla åtföljdes av betydande förändringar i den isotopiska kolsammansättningen av sedimentära bergarter. Med början av glaciationen får sedimentkolet en kraftigt lättare sammansättning, man tror att orsaken till denna förändring är massutrotningen av marina organismer som selektivt absorberade den lätta isotopen av kol. Under de interglaciala perioderna vände isotopsammansättningen på grund av den snabba utvecklingen av liv, som ackumulerade en betydande del av den lätta kolisotopen och ökade förhållandet 13 C / 12 C i havsvatten.

När det gäller den proterozoiska glaciationen antas det att orsaken till glaciärernas reträtt (generellt sett är glaciationen stabil och utan ytterligare faktorer kan existera på obestämd tid) kan vara vulkaniska utsläpp av växthusgaser till atmosfären.

Phanerosa

I fanerozoikum innehöll atmosfären en betydande mängd syre och hade en oxidativ karaktär. Koldioxidcykeln i kolcykeln var dominerande.

Direkta data om pre-kvartära kolkoncentrationer i atmosfären och havet finns inte tillgängliga. Kolcykelns historia vid denna tidpunkt kan spåras av den isotopiska sammansättningen av kol i sedimentära bergarter och deras relativa förekomst. Av dessa data följer att i fanerozoikum upplevde kolets kretslopp långsiktiga förändringar som korrelerar med bergsbyggnadsepoker . Under aktiveringen av tektoniska rörelser intensifieras avsättningen av karbonatstenar och dess isotopsammansättning blir tyngre, vilket motsvarar en ökning av avlägsnandet av kol från en skorpkälla som innehåller huvudsakligen viktat kol. Därför tror man att de huvudsakliga förändringarna i kolcykeln inträffade på grund av ökad erosion av kontinenterna till följd av bergsbyggande.

Kvartärperiod

Historien om förändringar av innehållet av CO 2 och CH 4 i atmosfären under kvartärperioden är relativt väl känd från studiet av istäckena på Grönland och Antarktis (en historia på upp till cirka 800 tusen år finns registrerad i glaciärer), bättre än för någon period av jordens historia. Kvartärperioden (de sista 2,6 Ma) skiljer sig från andra geologiska perioder genom cykliska epoker av glaciationer och interglacialer . Dessa klimatförändringar är starkt korrelerade med förändringar i kolets kretslopp. Men även i detta mest studerade fall finns det ingen fullständig klarhet om orsakerna till cykliska förändringar och förhållandet mellan geokemiska förändringar och klimatiska.

Kvartärperioden präglades av flera successiva istider. Atmosfärens innehåll av CO 2 och CH 4 varierade i enlighet med temperaturvariationer och sinsemellan. Samtidigt följer följande observationer från denna paleoklimatiska rekord:

1. Alla glacial-interglaciala cykler under de senaste miljoner åren har en periodicitet på cirka 100 tusen år, i tidsintervallet för 1-2,6 miljoner år sedan är en periodicitet på cirka 41 tusen år typisk.
2. Varje istid åtföljs av en minskning av atmosfärens koncentration av CO 2 och CH 4 (karakteristiska halter är 200 ppm respektive 400 ppb )
3. Interglaciala perioder börjar med en kraftig, geologiskt momentan ökning av CO 2 - och CH 4 -koncentrationerna .
4. Under interglaciala perioder finns det en CH 4 koncentrationsgradient mellan norra och södra halvklotet . Luftsammansättningarna som erhålls från glaciärerna på Grönland är systematiskt 40–50 ppb större än de antarktiska. Under istider sjunker och planar metanhalterna i båda hemisfärerna ut.
5. Under istider minskar innehållet i den lätta kolisotopen.

Vissa av dessa fakta kan förklaras av modern vetenskap, men frågan om orsak och verkan är naturligtvis ännu obesvarad.

Utvecklingen av glaciation leder till en minskning av arean och massan av den terrestra biosfären. Eftersom alla växter selektivt absorberar en lätt kolisotop från atmosfären, kommer allt detta lätta kol in i atmosfären när glaciärer framskrider, och genom det ut i havet. Baserat på den moderna massan av den terrestra biosfären, dess genomsnittliga isotopsammansättning och liknande data om havet och atmosfären, och att känna till förändringen i havets isotopsammansättning under istider från resterna av marina organismer, förändringen i massan av den terrestra biosfären under istider kan beräknas. Sådana uppskattningar gjordes och uppgick till 400 gigaton jämfört med den moderna massan. Således förklarades förändringen i den isotopiska sammansättningen av kol.

Alla kvartära glaciationer utvecklades mer på norra halvklotet, där det finns stora kontinentala vidder. Det södra halvklotet domineras av hav och det finns nästan inga stora träsk - källor till metan. Träskarna är koncentrerade till den tropiska zonen och den norra boreala zonen.

Utvecklingen av glaciation leder till en minskning av de norra träsken - en av de viktigaste källorna till metan (och samtidigt absorbenter av CO 2 ). Därför, under interglaciala perioder, när kärrområdet är maximalt på norra halvklotet, är koncentrationen av metan större. Detta förklarar närvaron av en metankoncentrationsgradient mellan hemisfärerna under interglaciala perioder.

Antropogen påverkan på kolets kretslopp

Mänskliga aktiviteter har medfört nya förändringar i kolkretsloppet. Med tillkomsten av den industriella tidsåldern började människor i allt större utsträckning bränna fossila bränslen : kol, olja och gas, ackumulerade under miljontals år av jordens existens. Mänskligheten har medfört betydande förändringar i markanvändningen: hugg ner skogar , dränerade träsk och översvämmade tidigare torra marker. Men hela planetens historia består av storslagna händelser, därför, när vi talar om förändringen i kolcykeln av människan, är det nödvändigt att balansera omfattningen och varaktigheten av denna påverkan med händelserna i det förflutna.

Koldioxid är den viktigaste antropogena växthusgasen, dess koncentration i atmosfären har avsevärt överskridit dess naturliga intervall under de senaste 650 tusen åren [7] .

Sedan 1850 har koncentrationen av CO 2 i atmosfären ökat med 31 %, och metan med 149 %, vilket är förknippat av ett antal forskare med antropogen påverkan, och enligt FN:s IPCC , upp till en tredjedel av den totala antropogena CO 2 utsläpp är resultatet av avskogning . [åtta]

Ett antal arbeten tyder på en ökning av växthusgaser på grund av slutet av den lilla istiden på 1500-talet, efterföljande uppvärmning och utsläpp av tillhörande reserver av växthusgaser. Samtidigt, på grund av havets uppvärmning, frigörs å ena sidan löst CO 2 , och å andra sidan smälter och bryts metanklatrater ner, vilket leder till att det släpps ut i havet och atmosfären.

Se även

• Koldioxid i jordens atmosfär
• Sen paleocen termiskt maximum
• Klimat
• Isotoper av kol
• Stokastisk resonans
• Global uppvärmning

Anteckningar

1. ↑ Andrews J. et al. En introduktion till miljökemi. London: Blackwell Science. 1996. 209 sid.
2. ↑ Tabell 1  (nedlänk) Falkowski, P.; Scholes, RJ; Boyle, E.; Canadell, J.; Canfield, D.; Elser, J.; Gruber, N.; Hibbard, K.; Högberg, P.; Linder, S.; MacKenzie, FT; Moore b, 3; Pedersen, T.; Rosenthal, Y.; Seitzinger, S.; Smetacek, V.; Steffen, W. The Global Carbon Cycle: A Test of Our Knowledge of Earth as a System  //  Science : journal. - 2000. - Vol. 290 , nr. 5490 . - S. 291-296 . - doi : 10.1126/science.290.5490.291 . - . — PMID 11030643 .
3. ↑ The Carbon Cycle: Feature Articles . Hämtad 17 december 2012. Arkiverad från originalet 16 juni 2012. (obestämd)
4. ↑ Elements - vetenskapsnyheter: Marin fisk ger ett anmärkningsvärt bidrag till bildandet av karbonater . Hämtad 13 december 2016. Arkiverad från originalet 9 december 2016. (obestämd)
5. ↑ The Carbon Cycle: Feature Articles . Hämtad 17 december 2012. Arkiverad från originalet 30 december 2012. (obestämd)
6. ↑ The Carbon Cycle: Feature Articles . Hämtad 17 december 2012. Arkiverad från originalet 18 juli 2012. (obestämd)
7. ↑ Arkiverad kopia (länk ej tillgänglig) . Hämtad 28 april 2013. Arkiverad från originalet 30 oktober 2012. (obestämd) 
8. ↑ https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/ar4-wg1-chapter7-1.pdf Arkiverad 3 augusti 2019 på Wayback Machine IPCC fjärde utvärderingsrapport, arbetsgrupp I-rapport "The Wayback Machine Physical Science Basis”, avsnitt 7.3.3.1.5 (s. 527)

Litteratur

• Odum Y. Ekologi: I 2 volymer / övers. från engelska. — M.:. Mir, 1986. - T. 1. - S. 225-229.
• Shilov I. A. Ekologi. - M .: Högre skola, 1997. - S. 49-50.
• Cirkulation av ämnen // Stora sovjetiska encyklopedin  : [i 30 volymer]  / kap. ed. A. M. Prokhorov . - 3:e uppl. - M .  : Soviet Encyclopedia, 1969-1978.
• Encyclopedia of wildlife. / Kap. redaktör: acad. Chubaryan A. O .. - M . : Exlibris, 2006. - V. 5. - S. 10. - 160 sid.
• Robert Hazen . Symfoni nr 6 Carbon och evolutionen av nästan allt = Robert M. Hazen. Symfoni i C: Kol och utvecklingen av (nästan) allt / Anastasia Naumenko. - M . : Alpina facklitteratur, 2021. - 410 sid. - ISBN 978-5-00139-283-5 .

Länkar

• Kolkretslopp  // Encyclopedia " Krugosvet ".
• Kolets kretslopp i naturen . (obestämd)

Ordböcker och uppslagsverk	Stor dansk Stor katalanska Stor norsk runt världen Britannica (online)
I bibliografiska kataloger	GND : 4164552-2 J9U : 987007283487105171 LCCN : sh85020105 NKC : ph225447