Ciclul geochimic al carbonului

Ciclul geochimic al carbonului  este un set de procese care transferă carbon între diferite rezervoare geochimice . În istoria Pământului, ciclul carbonului s-a schimbat destul de semnificativ, aceste schimbări au fost atât schimbări lente treptate, cât și evenimente catastrofale abrupte. Organismele vii au jucat și continuă să joace rolul cel mai important în ciclul carbonului . În diferite forme, carbonul este prezent în toate învelișurile Pământului .

Ciclul geochimic al carbonului are câteva caracteristici importante:

• În momente diferite, diferite procese au fost decisive în ciclul carbonului.
• Schimbările abrupte și catastrofale ale ciclului carbonului au jucat un rol cheie în evoluția ciclului carbonului în istoria Pământului.
• Ciclul geochimic al carbonului are loc întotdeauna prin atmosferă și hidrosferă . Astfel, chiar și cele mai profunde procese pot afecta mediul și biosfera .

Înregistrarea geochimică a ciclului carbonului a fost studiată inegal pe scara de timp geologică. Cea mai pe deplin studiată în acest sens este perioada cuaternară , cea mai recentă și cea mai scurtă perioadă geologică, deoarece, pe de o parte, istoria ciclului carbonului în ea este cel mai pe deplin înregistrată de ghețarii din Arctica și Antarctica . Pe de altă parte, în această perioadă au avut loc schimbări semnificative în ciclul carbonului și sunt indisolubil legate de schimbările climatice .

Când se studiază schimbările în ciclurile geochimice ale elementelor, este necesar să se țină cont de scara de timp a fenomenelor. Unele procese pot introduce modificări subtile care devin decisive pe perioade lungi de timp geologice. Alte schimbări pot fi catastrofale și apar într-un timp foarte scurt. În același timp, conceptul de timp, caracteristicile „lung” și „lent” în acest context sunt relative. Un exemplu de eveniment geologic instantaneu în ciclul geochimic al carbonului este Maximul termic al Paleocenului târziu .

Forme de carbon

Carbonul este prezent în natură sub mai multe forme de bază:

• forma redusă sub formă de metan și alte hidrocarburi se găsește în manta , crustă , atmosferă și hidrosferă.
• în stare neutră ca cărbune , grafit , diamant și carbură în crustă și manta
• sub formă oxidată sub formă de dioxid de carbon , carbonați și impurități în silicați din manta, crustă și atmosferă și hidrosferă
• sub formă de compuși organici complecși, carbonul este concentrat în biosferă , sol și ocean.

Transferul de carbon între diferite rezervoare geochimice se realizează prin atmosferă și oceane. În același timp, carbonul din atmosferă este sub formă de dioxid de carbon și metan.

Carbonul în atmosferă

În atmosferă, carbonul este conținut sub formă de dioxid de carbon (CO 2 ), monoxid de carbon (CO), metan (CH 4 ) și alte câteva hidrocarburi [1] . Conținutul de CO 2 este acum ~0,04% (creștet cu 31% față de epoca preindustrială), metan ~1,7 ppm (creștet cu 149%), cu două ordine de mărime mai puțin decât CO 2 ; Conținut de CO ~ 0,1 ppm. Metanul și dioxidul de carbon creează efectul de seră , monoxidul de carbon nu.

Pentru gazele atmosferice se folosește conceptul de durată de viață a gazului în atmosferă , acesta este timpul în care intră în atmosferă atât de mult gaz cât este conținut în atmosferă. Durata de viață a metanului este estimată la 10-14 ani, iar durata de viață a dioxidului de carbon este estimată la 3-5 ani. CO oxidează la CO 2 în câteva luni.

Metanul intră în atmosferă ca urmare a descompunerii anaerobe a reziduurilor vegetale. Principalele surse de metan din atmosfera modernă sunt mlaștinile și pădurile tropicale.

Atmosfera modernă conține o cantitate mare de oxigen , iar metanul din ea este rapid oxidat. Astfel, acum ciclul dominant este ciclul CO 2 , cu toate acestea, în istoria timpurie a Pământului, situația era fundamental diferită și ciclul metanului domina, în timp ce ciclul dioxidului de carbon avea o importanță subordonată. Dioxidul de carbon atmosferic este o sursă de carbon pentru alte geosfere apropiate de suprafață.

Carbonul în ocean

Oceanul este un rezervor extrem de important de carbon. Cantitatea totală de element din el este de 100 de ori mai mare decât cea conținută în atmosferă. Oceanul prin suprafață poate face schimb de dioxid de carbon cu atmosfera și, de asemenea, prin precipitarea și dizolvarea carbonaților, cu învelișul sedimentar al Pământului. Carbonul dizolvat în ocean există în trei forme principale:

• carbon anorganic
  • CO2 dizolvat
  • HCO3 - _
  • CO 3 2−
• carbon organic concentrat în organismele oceanice

Hidrosfera poate fi împărțită în trei rezervoare geochimice: stratul apropiat de suprafață, ape adânci și un strat de sedimente marine reactive capabile să schimbe dioxid de carbon cu apa. Aceste rezervoare diferă în ceea ce privește timpul de răspuns la schimbările externe ale ciclului carbonului.

Carbonul din scoarța terestră

Conținutul de carbon din scoarța terestră este de aproximativ 0,27%. Odată cu apariția erei industriale, omenirea a început să folosească carbonul din acest rezervor și să-l transfere în atmosferă. Academicianul Vernadsky a comparat acest proces cu o forță geologică puternică, asemănătoare eroziunii sau vulcanismului.

Rezervoare de carbon

Având în vedere ciclul carbonului, este logic să începem cu estimări ale cantității de carbon concentrat în diferite rezervoare terestre. În acest caz, vom lua în considerare starea sistemului pentru 1850, înainte de începerea erei industriale, când au început emisiile masive de produse de ardere a combustibililor fosili în atmosferă.

Există puțin carbon în atmosferă în comparație cu oceanul și scoarța terestră, dar dioxidul de carbon atmosferic este foarte activ, este materialul de construcție pentru biosfera pământului.

Metanul nu este stabil în atmosfera oxidantă modernă; în atmosfera superioară, cu participarea ionilor de hidroxil , reacționează cu oxigenul, formând același dioxid de carbon și apă. Principalii producători de metan sunt bacteriile anaerobe care procesează materia organică formată ca urmare a fotosintezei . Cea mai mare parte a metanului intră în atmosferă din mlaștini.

Pentru gazele atmosferice se introduce conceptul de durata de viata, acesta este timpul in care o masa de gaz intră in atmosfera, egala cu masa acestui gaz din atmosfera. Pentru CO 2 durata de viață este estimată la 5 ani. Destul de ciudat, dar durata de viață a metanului instabil în atmosferă este mult mai lungă - aproximativ 15 ani. Cert este că dioxidul de carbon atmosferic este implicat într-o circulație extrem de activă cu biosfera terestră și cu oceanul mondial, în timp ce metanul din atmosferă doar se descompune.

Fluxuri de carbon între rezervoare

Există cicluri rapide și lente ale carbonului. Fluxul lent al ciclului carbonului este asociat cu stocarea carbonului în roci și poate continua timp de sute de milioane de ani. Aproximativ 80% din rocile purtătoare de carbon s-au format în Oceanul Mondial din depozitele unor părți ale organismelor care conțin carbonat de calciu. [3]

Durata ciclului rapid al carbonului este determinată de durata de viață a organismului . Reprezintă schimbul de carbon direct între biosferă (organisme vii în timpul respirației, nutriției și excreției, precum și organisme moarte în timpul descompunerii) și atmosferă și hidrosferă. [5]

(Numerele de după semnul „+” indică influență antropică .)

Modificări în ciclul carbonului

Istoria precambriană

În primele etape ale dezvoltării pământului, atmosfera se reducea, iar conținutul de metan și dioxid de carbon era mult mai mare decât acum. Aceste gaze au un efect de seră semnificativ, iar acest lucru explică Paradoxul Faint Young Sun , care constă în discrepanța dintre estimările luminozității antice a soarelui și prezența apei pe suprafața planetei.

În Proterozoic, a avut loc o schimbare cardinală a ciclului carbonului: de la ciclul metanului la ciclul dioxidului de carbon. Bacteriile fotosintetice au început să producă oxigen, care a fost folosit inițial pentru a oxida hidrocarburile atmosferice, fierul dizolvat în oceane și alte faze reduse. Când aceste resurse au fost epuizate, conținutul de oxigen din atmosferă a început să crească. În același timp, conținutul de gaze cu efect de seră din atmosferă a scăzut și a început epoca de gheață proterozoică.

Epoca de gheață proterozoică, care a avut loc la granița dintre Proterozoic și Vendian, a fost una dintre cele mai puternice glaciații din istoria Pământului. Datele paleomagnetice indică faptul că la acea vreme majoritatea blocurilor de crustă continentală erau situate la latitudini ecuatoriale, iar pe aproape toate au fost găsite urme de glaciare. Au existat mai multe glaciații în timpul erei glaciare proterozoice, toate fiind însoțite de schimbări semnificative în compoziția izotopică a carbonului rocilor sedimentare. Odată cu începutul glaciației, carbonul sedimentelor capătă o compoziție mult mai ușoară, se crede că motivul acestei schimbări este extincția în masă a organismelor marine care au absorbit selectiv izotopul de lumină al carbonului. În perioadele interglaciare, compoziția izotopică s-a inversat datorită dezvoltării rapide a vieții, care a acumulat o parte semnificativă din izotopul de carbon ușor și a crescut raportul 13 C / 12 C în apa de mare.

În cazul glaciației proterozoice, se presupune că motivul retragerii ghețarilor (în general, glaciația este stabilă și fără factori suplimentari poate exista la infinit) ar putea fi emisiile vulcanice de gaze cu efect de seră în atmosferă.

Phanerosa

În Fanerozoic , atmosfera conținea o cantitate semnificativă de oxigen și avea un caracter oxidativ. Ciclul dioxidului de carbon al ciclului carbonului a fost predominant.

Nu sunt disponibile date directe despre concentrațiile de carbon pre-cuaternar în atmosferă și ocean. Istoria ciclului carbonului în acest moment poate fi urmărită prin compoziția izotopică a carbonului din rocile sedimentare și abundența lor relativă. Din aceste date, rezultă că în Fanerozoic ciclul carbonului a experimentat schimbări pe termen lung care se corelează cu epocile de construcție a munților . În timpul activării mișcărilor tectonice, depunerea rocilor carbonatice se intensifică și compoziția sa izotopică devine mai grea, ceea ce corespunde unei creșteri a eliminării carbonului dintr-o sursă crustală care conține în principal carbon ponderat. Prin urmare, se crede că principalele modificări ale ciclului carbonului s-au produs din cauza eroziunii crescute a continentelor ca urmare a construcției munților.

Perioada cuaternară

Istoria modificărilor conținutului de CO 2 și CH 4 din atmosferă în perioada cuaternară este cunoscută relativ bine din studiul calotelor glaciare din Groenlanda și Antarctica (o istorie de până la aproximativ 800 de mii de ani este înregistrată în ghețari), mai bine decât pentru orice perioadă a istoriei Pământului. Perioada cuaternară (ultimii 2,6 Ma) diferă de alte perioade geologice prin epoci ciclice de glaciații și interglaciare . Aceste schimbări climatice sunt strâns corelate cu schimbările ciclului carbonului. Cu toate acestea, chiar și în acest caz cel mai studiat, nu există o claritate completă cu privire la cauzele schimbărilor ciclice și relația dintre schimbările geochimice cu cele climatice.

Perioada cuaternară a fost marcată de multiple glaciații succesive. Conținutul atmosferic de CO2 și CH4 a variat în funcție de variațiile de temperatură și între ele. În același timp, din această înregistrare paleoclimatică rezultă următoarele observații:

1. Toate ciclurile glaciare-interglaciare din ultimul milion de ani au o periodicitate de aproximativ 100 de mii de ani, în intervalul de timp de acum 1-2,6 milioane de ani, o periodicitate de aproximativ 41 de mii de ani este tipică.
2. Fiecare epocă glaciară este însoțită de o scădere a concentrației atmosferice de CO 2 și CH 4 (conținuturile caracteristice sunt 200 ppm , respectiv 400 ppb )
3. Perioadele interglaciare încep cu o creștere bruscă, instantanee din punct de vedere geologic, a concentrațiilor de CO2 și CH4 .
4. În perioadele interglaciare, există un gradient de concentrație de CH 4 între emisfera nordică și sudică . Compozițiile aerului obținute din ghețarii Groenlandei sunt sistematic cu 40-50 ppb mai mari decât cele antarctice. În timpul erelor glaciare, concentrațiile de metan din ambele emisfere scad și se nivelează.
5. În timpul erelor glaciare, conținutul de izotop ușor de carbon scade.

Unele dintre aceste fapte pot fi explicate de știința modernă, dar întrebarea cauzei și efectului este, desigur, încă fără răspuns.

Dezvoltarea glaciației duce la scăderea suprafeței și masei biosferei terestre. Deoarece toate plantele absorb selectiv un izotop ușor de carbon din atmosferă, atunci când ghețarii avansează, tot acest carbon ușor intră în atmosferă și prin el în ocean. Pe baza masei moderne a biosferei terestre, a compoziției sale izotopice medii și a datelor similare despre ocean și atmosferă și cunoscând modificarea compoziției izotopice a oceanului în timpul erelor glaciare de la rămășițele organismelor marine, modificarea masei biosfera terestră în timpul erelor glaciare poate fi calculată. Au fost făcute astfel de estimări și s-au ridicat la 400 de gigatone în comparație cu masa modernă. Astfel, a fost explicată modificarea compoziției izotopice a carbonului.

Toate glaciațiile cuaternare s-au dezvoltat mai mult în emisfera nordică, unde există întinderi continentale mari. Emisfera sudică este dominată de oceane și aproape că nu există mlaștini vaste - surse de metan. Mlaștinile sunt concentrate în zona tropicală și zona boreală de nord.

Dezvoltarea glaciației duce la scăderea mlaștinilor nordice - una dintre principalele surse de metan (și în același timp absorbanți de CO 2 ). Prin urmare, în perioadele interglaciare, când zona mlaștinilor este maximă în emisfera nordică, concentrația de metan este mai mare. Aceasta explică prezența unui gradient de concentrație de metan între emisfere în timpul perioadelor interglaciare.

Influența antropică asupra ciclului carbonului

Activitățile umane au adus noi schimbări în ciclul carbonului. Odată cu apariția erei industriale, oamenii au început să ardă din ce în ce mai mult combustibili fosili : cărbune, petrol și gaze, acumulate de-a lungul a milioane de ani de existență a Pământului. Omenirea a adus schimbări semnificative în utilizarea terenurilor: tăierea pădurilor , drenarea mlaștinilor și inundarea terenurilor înainte uscate. Dar întreaga istorie a planetei constă din evenimente grandioase, prin urmare, vorbind despre schimbarea ciclului carbonului de către om, este necesar să se echilibreze amploarea și durata acestui impact cu evenimentele din trecut.

Dioxidul de carbon este cel mai important gaz cu efect de seră antropic, concentrația sa în atmosferă și-a depășit semnificativ intervalul natural în ultimii 650 de mii de ani [7] .

Din 1850, concentrația de CO 2 în atmosferă a crescut cu 31%, iar metanul cu 149%, care este asociat de un număr de cercetători cu influență antropică, iar conform IPCC ONU, până la o treime din totalul CO antropic. 2 emisiile sunt rezultatul defrișărilor . [opt]

O serie de lucrări indică o creștere a gazelor cu efect de seră din cauza sfârșitului Micii Epoci de Gheață a secolului al XVI-lea, a încălzirii ulterioare și a eliberării rezervelor asociate de gaze cu efect de seră. În același timp, din cauza încălzirii oceanului, pe de o parte, se eliberează CO 2 dizolvat , iar pe de altă parte, clatrații de metan se topesc și se descompun, ceea ce duce la eliberarea acestuia în ocean și atmosferă.

Vezi și

• Dioxidul de carbon din atmosfera pământului
• Maximul termic al Paleocenului târziu
• Climat
• Izotopi ai carbonului
• Rezonanța stocastică
• Încălzire globală

Note

1. ↑ Andrews J. și colab. O introducere în chimia mediului. Londra: Blackwell Science. 1996. 209 p.
2. ↑ Tabelul 1  (downlink) 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 . - P. 291-296 . - doi : 10.1126/science.290.5490.291 . - Cod biblic . — PMID 11030643 .
3. ↑ Ciclul carbonului: articole de referință . Consultat la 17 decembrie 2012. Arhivat din original la 16 iunie 2012. (nedefinit)
4. ↑ Elemente - știri științifice: Peștii marini au o contribuție notabilă la formarea carbonaților . Consultat la 13 decembrie 2016. Arhivat din original pe 9 decembrie 2016. (nedefinit)
5. ↑ Ciclul carbonului: articole de referință . Consultat la 17 decembrie 2012. Arhivat din original la 30 decembrie 2012. (nedefinit)
6. ↑ Ciclul carbonului: articole de referință . Consultat la 17 decembrie 2012. Arhivat din original la 18 iulie 2012. (nedefinit)
7. ↑ Copie arhivată (link nu este disponibil) . Consultat la 28 aprilie 2013. Arhivat din original la 30 octombrie 2012. (nedefinit) 
8. ↑ https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/ar4-wg1-chapter7-1.pdf Arhivat 3 august 2019 la Wayback Machine IPCC Fourth Assessment Report, Raportul Grupului I de lucru „The Baza științei fizice”, Secțiunea 7.3.3.1.5 (p. 527)

Literatură

• Odum Y. Ecologie: În 2 volume / trad. din engleza. — M.:. Mir, 1986. - T. 1. - S. 225-229.
• Shilov I. A. Ecologie. - M .: Liceu, 1997. - S. 49-50.
• Circulația substanțelor // Marea Enciclopedie Sovietică  : [în 30 de volume]  / cap. ed. A. M. Prohorov . - Ed. a 3-a. - M .  : Enciclopedia Sovietică, 1969-1978.
• Enciclopedia faunei sălbatice. / Ch. redactor: acad. Chubaryan A. O .. - M . : Exlibris, 2006. - V. 5. - S. 10. - 160 p.
• Robert Hazen . Simfonia nr. 6 Carbonul și evoluția aproape a tot = Robert M. Hazen. Simfonie în do: Carbon și evoluția (aproape) totul / Anastasia Naumenko. - M . : Alpina non-fiction, 2021. - 410 p. - ISBN 978-5-00139-283-5 .

Link -uri

• Ciclul carbonului  // Enciclopedia " Krugosvet ".
• Ciclul carbonului în natură . (nedefinit)

Dicționare și enciclopedii	mare danez Mare catalană Mare norvegian in jurul lumii Britannica (online)
În cataloagele bibliografice	GND : 4164552-2 J9U : 987007283487105171 LCCN : sh85020105 NKC : ph225447