Geokemisk kredsløb af kulstof

Det geokemiske kulstofkredsløb  er et sæt af processer, der overfører kulstof mellem forskellige geokemiske reservoirer . I Jordens historie har kulstofkredsløbet ændret sig ganske betydeligt, disse ændringer har været både langsomme gradvise ændringer og pludselige katastrofale begivenheder. Levende organismer har spillet og spiller fortsat den vigtigste rolle i kulstofkredsløbet . I forskellige former er kulstof til stede i alle jordens skaller .

Det geokemiske kulstofkredsløb har flere vigtige funktioner:

• På forskellige tidspunkter var forskellige processer afgørende i kulstofkredsløbet.
• Pludselige, katastrofale ændringer i kulstofkredsløbet har spillet en nøglerolle i udviklingen af ​​kulstofkredsløbet i Jordens historie.
• Det geokemiske kredsløb af kulstof sker altid gennem atmosfæren og hydrosfæren . Således kan selv de mest dybtgående processer påvirke miljøet og biosfæren .

Den geokemiske registrering af kulstofkredsløbet er blevet undersøgt ujævnt langs den geologiske tidsskala. Den mest fuldt ud undersøgte i denne henseende er den kvartære periode , den seneste og korteste geologiske periode, da på den ene side historien om kulstofkredsløbet i den er mest fuldstændigt registreret af gletsjerne i Arktis og Antarktis . På den anden side fandt betydelige ændringer i kulstofkredsløbet sted i løbet af denne tid, og de er uløseligt forbundet med klimaændringer .

Når man studerer ændringer i de geokemiske cyklusser af elementer, er det nødvendigt at tage højde for fænomenernes tidsskala. Nogle processer kan introducere subtile ændringer, der bliver afgørende over lange geologiske perioder. Andre ændringer kan være katastrofale og forekomme på meget kort tid. Samtidig er begrebet tid, egenskaberne "lang" og "langsom" i denne sammenhæng relative. Et eksempel på en geologisk øjeblikkelig hændelse i det geokemiske kulstofkredsløb er det sene palæocæne termiske maksimum .

Former for kulstof

Kulstof er til stede i naturen i flere grundlæggende former:

• den reducerede form i form af metan og andre kulbrinter findes i kappen , skorpen , atmosfæren og hydrosfæren
• i neutral tilstand som kul , grafit , diamant og karbid i skorpen og kappen
• i oxideret form som kuldioxid , carbonater og urenheder i silikater i kappen, skorpen og atmosfæren og hydrosfæren
• i form af komplekse organiske forbindelser er kulstof koncentreret i biosfæren , jorden og havet.

Overførslen af ​​kulstof mellem forskellige geokemiske reservoirer udføres gennem atmosfæren og havene. Samtidig er kulstof i atmosfæren i form af kuldioxid og metan.

Kulstof i atmosfæren

I atmosfæren er kulstof indeholdt i form af kuldioxid (CO 2 ), kulilte (CO), metan (CH 4 ) og nogle andre kulbrinter [1] . Indholdet af CO 2 er nu ~0,04% (øget med 31% i forhold til den førindustrielle æra), metan ~1,7 ppm (øget med 149%), to størrelsesordener mindre end CO 2 ; CO-indhold ~0,1 ppm. Metan og kuldioxid skaber drivhuseffekten , kulilte gør ikke.

For atmosfæriske gasser bruges begrebet gaslevetid i atmosfæren , det er den tid, hvor lige så meget gas kommer ind i atmosfæren, som den er indeholdt i atmosfæren. Levetiden for metan er estimeret til 10-14 år, og levetiden for kuldioxid er estimeret til 3-5 år. CO oxideres til CO 2 i løbet af få måneder.

Metan kommer ind i atmosfæren som følge af anaerob nedbrydning af planterester. De vigtigste kilder til metan i den moderne atmosfære er sumpe og tropiske skove.

Den moderne atmosfære indeholder en stor mængde ilt , og metanen i den oxideres hurtigt. Nu er den dominerende cyklus altså CO 2 -kredsløbet , men i Jordens tidlige historie var situationen fundamentalt anderledes, og metankredsløbet dominerede, mens kuldioxidkredsløbet var af underordnet betydning. Atmosfærisk kuldioxid er en kilde til kulstof for andre geosfærer nær overfladen.

Kulstof i havet

Havet er et ekstremt vigtigt reservoir af kulstof. Den samlede mængde af grundstoffet i det er 100 gange mere end hvad der er indeholdt i atmosfæren. Havet gennem overfladen kan udveksle kuldioxid med atmosfæren, og også, gennem udfældning og opløsning af karbonater, med Jordens sedimentære dæksel. Kulstof opløst i havet findes i tre hovedformer:

• uorganisk kulstof
  • opløst CO 2
  • HCO3 - _
  • CO 3 2−
• organisk kulstof koncentreret i oceaniske organismer

Hydrosfæren kan opdeles i tre geokemiske reservoirer: det nære overfladelag, dybt vand og et lag af reaktive marine sedimenter, der er i stand til at udveksle kuldioxid med vand. Disse reservoirer adskiller sig i deres reaktionstid på eksterne ændringer i kulstofkredsløbet.

Kulstof i jordskorpen

Kulstofindholdet i jordskorpen er omkring 0,27 %. Med fremkomsten af ​​den industrielle tidsalder begyndte menneskeheden at bruge kulstof fra dette reservoir og overføre det til atmosfæren. Akademiker Vernadsky sammenlignede denne proces med en stærk geologisk kraft, der ligner erosion eller vulkanisme.

Kulstofreservoirer

I betragtning af kulstofkredsløbet giver det mening at starte med skøn over mængden af ​​kulstof, der er koncentreret i forskellige terrestriske reservoirer. I dette tilfælde vil vi overveje systemets tilstand for 1850, før starten af ​​den industrielle æra, hvor massive emissioner af fossile brændstoffer til atmosfæren begyndte.

Der er lidt kulstof i atmosfæren sammenlignet med havet og jordskorpen, men atmosfærisk kuldioxid er meget aktivt, det er byggematerialet til jordens biosfære.

Metan er ikke stabil i den moderne oxiderende atmosfære; i den øvre atmosfære, med deltagelse af hydroxylioner , reagerer den med oxygen og danner den samme kuldioxid og vand. De vigtigste producenter af metan er anaerobe bakterier , der behandler det organiske stof, der dannes som følge af fotosyntesen . Det meste af metanen kommer ind i atmosfæren fra sumpe.

For gasser i atmosfæren introduceres begrebet levetid, dette er den tid, hvor en masse gas kommer ind i atmosfæren, svarende til massen af ​​denne gas i atmosfæren. For CO 2 er levetiden estimeret til 5 år. Mærkeligt nok, men levetiden for metan, der er ustabil i atmosfæren, er meget længere - omkring 15 år. Faktum er, at atmosfærisk kuldioxid er involveret i en ekstremt aktiv cirkulation med den terrestriske biosfære og verdenshavet, mens metan i atmosfæren kun nedbrydes.

Strømme af kulstof mellem reservoirer

Der er hurtige og langsomme kulstofcyklusser. Den langsomme strøm af kulstofkredsløbet er forbundet med lagring af kulstof i klipper og kan fortsætte i hundreder af millioner af år. Omkring 80% af kulstofbærende klipper blev dannet i Verdenshavet fra aflejringer af dele af organismer, der indeholder calciumcarbonat. [3]

Længden af ​​den hurtige kulstofcyklus bestemmes af organismens levetid . Det repræsenterer udvekslingen af ​​kulstof direkte mellem biosfæren (levende organismer under respiration, ernæring og udskillelse, såvel som døde organismer under nedbrydning) og atmosfæren og hydrosfæren. [5]

(Tal efter "+"-tegnet angiver menneskeskabt påvirkning .)

Ændringer i kulstofkredsløbet

Prækambrisk historie

I de tidligste stadier af jordens udvikling var atmosfæren aftagende, og indholdet af metan og kuldioxid var meget højere end nu. Disse gasser har en betydelig drivhuseffekt, og det forklarer Faint Young Sun Paradox , som består i uoverensstemmelsen mellem estimater af solens ældgamle lysstyrke og tilstedeværelsen af ​​vand på planetens overflade.

I Proterozoikum skete en kardinal ændring i kulstofkredsløbet: fra metankredsløbet til kuldioxidkredsløbet. Fotosyntetiske bakterier begyndte at producere ilt, som oprindeligt blev brugt til at oxidere atmosfæriske kulbrinter, jern opløst i havene og andre reducerede faser. Da disse ressourcer var opbrugt, begyndte iltindholdet i atmosfæren at stige. Samtidig faldt indholdet af drivhusgasser i atmosfæren, og den proterozoiske istid begyndte.

Den proterozoiske istid, som fandt sted på grænsen mellem proterozoikum og vendiansk, var en af ​​de stærkeste istider i Jordens historie. Paleomagnetiske data indikerer, at på det tidspunkt var de fleste af de kontinentale jordskorpeblokke placeret i ækvatoriale breddegrader, og spor af istid blev fundet på næsten alle af dem. Der var flere istider under den proterozoiske istid, som alle var ledsaget af betydelige ændringer i den isotopiske kulstofsammensætning af sedimentære bjergarter. Med begyndelsen af ​​istiden får kulstoffet af sedimenter en skarpt lettere sammensætning, det antages, at årsagen til denne ændring er masseudryddelsen af ​​marine organismer, der selektivt absorberede den lette isotop af kulstof. I mellemistiderne vendte isotopsammensætningen på grund af den hurtige udvikling af liv, som akkumulerede en betydelig del af den lette kulstofisotop og øgede 13 C / 12 C-forholdet i havvand.

I tilfældet med den proterozoiske glaciation antages det, at årsagen til gletsjernes tilbagetrækning (generelt set er glaciationen stabil og uden yderligere faktorer kan eksistere i det uendelige) kan være vulkanske emissioner af drivhusgasser til atmosfæren.

Phanerosa

I Phanerozoikum indeholdt atmosfæren en betydelig mængde ilt og havde en oxidativ karakter. Kuldioxidkredsløbet i kulstofkredsløbet var fremherskende.

Direkte data om prækvartære kulstofkoncentrationer i atmosfæren og havet er ikke tilgængelige. Historien om kulstofkredsløbet på dette tidspunkt kan spores af den isotopiske sammensætning af kulstof i sedimentære bjergarter og deres relative overflod. Fra disse data følger det, at kulstofkredsløbet i Phanerozoikum oplevede langsigtede ændringer, der korrelerer med bjergbygningsepoker . Under aktiveringen af ​​tektoniske bevægelser intensiveres aflejringen af ​​karbonatsten, og dens isotopsammensætning bliver tungere, hvilket svarer til en stigning i fjernelsen af ​​kulstof fra en skorpekilde, der hovedsageligt indeholder vægtet kulstof. Derfor menes det, at de vigtigste ændringer i kulstofkredsløbet opstod på grund af øget erosion af kontinenterne som følge af bjergbygning.

Kvartær periode

Historien om ændringer i indholdet af CO 2 og CH 4 i atmosfæren i kvartærperioden kendes relativt godt fra studiet af iskapperne i Grønland og Antarktis (en historie op til omkring 800 tusind år er registreret i gletsjere), bedre end i nogen periode af Jordens historie. Kvartærperioden (de sidste 2,6 Ma) adskiller sig fra andre geologiske perioder ved cykliske epoker af istider og mellemistider . Disse klimaændringer er stærkt korreleret med ændringer i kulstofkredsløbet. Men selv i dette mest undersøgte tilfælde er der ingen fuldstændig klarhed om årsagerne til cykliske ændringer og forholdet mellem geokemiske ændringer og klimatiske.

Kvartærperioden var præget af flere på hinanden følgende istider. Atmosfærisk indhold af CO 2 og CH 4 varierede i overensstemmelse med temperaturvariationer og indbyrdes. På samme tid følger følgende observationer fra denne palæoklimatiske optegnelse:

1. Alle glacial-interglaciale cyklusser i de sidste million år har en periodicitet på omkring 100 tusind år, i tidsintervallet for 1-2,6 millioner år siden er en periodicitet på omkring 41 tusind år typisk.
2. Hver istid ledsages af et fald i den atmosfæriske koncentration af CO 2 og CH 4 (karakteristiske indhold er henholdsvis 200 ppm og 400 ppb )
3. Interglaciale perioder begynder med en skarp, geologisk øjeblikkelig stigning i CO 2 og CH 4 koncentrationer .
4. I interglaciale perioder er der en CH 4 koncentrationsgradient mellem den nordlige og sydlige halvkugle . Luftsammensætningerne opnået fra gletsjerne i Grønland er systematisk 40-50 ppb større end de antarktiske. Under istider falder metankoncentrationerne i begge halvkugler og udjævnes.
5. Under istider falder indholdet af den lette kulstofisotop.

Nogle af disse kendsgerninger kan forklares af moderne videnskab, men spørgsmålet om årsag og virkning er naturligvis endnu ubesvaret.

Udviklingen af ​​glaciation fører til et fald i arealet og massen af ​​den terrestriske biosfære. Da alle planter selektivt absorberer en let kulstofisotop fra atmosfæren, når gletsjere rykker frem, kommer alt dette lette kulstof ind i atmosfæren og gennem det ud i havet. Baseret på den moderne masse af den terrestriske biosfære, dens gennemsnitlige isotopsammensætning og lignende data om havet og atmosfæren, og ved at kende ændringen i den isotopiske sammensætning af havet under istider fra resterne af marine organismer, ændringen i massen af den terrestriske biosfære under istider kan beregnes. Sådanne skøn blev foretaget og beløb sig til 400 gigaton sammenlignet med den moderne masse. Således blev ændringen i den isotopiske sammensætning af kulstof forklaret.

Alle kvartære istider udviklede sig mere på den nordlige halvkugle, hvor der er store kontinentale vidder. Den sydlige halvkugle er domineret af oceaner, og der er næsten ingen store sumpe - kilder til metan. Sumpene er koncentreret i den tropiske zone og den nordlige boreale zone.

Udviklingen af ​​glaciation fører til et fald i de nordlige sumpe - en af ​​de vigtigste kilder til metan (og samtidig absorbere af CO 2 ). Derfor er koncentrationen af ​​metan større i interglaciale perioder, hvor arealet af moser er maksimalt på den nordlige halvkugle. Dette forklarer tilstedeværelsen af ​​en metankoncentrationsgradient mellem halvkuglerne under mellemistider.

Menneskeskabt indflydelse på kulstofkredsløbet

Menneskelige aktiviteter har medført nye ændringer i kulstofkredsløbet. Med fremkomsten af ​​den industrielle tidsalder begyndte folk i stigende grad at forbrænde fossile brændstoffer : kul, olie og gas, akkumuleret over millioner af år af Jordens eksistens. Menneskeheden har medført betydelige ændringer i arealanvendelsen: fældet skove , drænede sumpe og oversvømmet tidligere tørre områder. Men hele planetens historie består af storslåede begivenheder, derfor, når vi taler om menneskets ændring i kulstofkredsløbet, er det nødvendigt at balancere omfanget og varigheden af ​​denne påvirkning med begivenhederne i fortiden.

Kuldioxid er den vigtigste menneskeskabte drivhusgas, dens koncentration i atmosfæren har markant overskredet dets naturlige rækkevidde i løbet af de sidste 650 tusind år [7] .

Siden 1850 er koncentrationen af ​​CO 2 i atmosfæren steget med 31 %, og metan med 149 %, hvilket af en række forskere er forbundet med menneskeskabt indflydelse, og ifølge FN’s IPCC , op til en tredjedel af den samlede menneskeskabte CO 2 emissioner er resultatet af skovrydning . [otte]

En række værker indikerer en stigning i drivhusgasser som følge af slutningen af ​​den lille istid i det 16. århundrede, efterfølgende opvarmning og frigivelse af tilhørende reserver af drivhusgasser. Samtidig frigives der på den ene side på grund af havets opvarmning opløst CO 2 , og på den anden side smelter og nedbrydes metanklatrater, hvilket fører til, at det frigives til havet og atmosfæren.

Se også

• Kuldioxid i jordens atmosfære
• Sen palæocæn termisk maksimum
• Klima
• Isotoper af kulstof
• Stokastisk resonans
• Global opvarmning

Noter

1. ↑ Andrews J. et al. En introduktion til miljøkemi. London: Blackwell Science. 1996. 209 s.
2. ↑ Tabel 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 . - S. 291-296 . - doi : 10.1126/science.290.5490.291 . - . — PMID 11030643 .
3. ↑ The Carbon Cycle: Feature Articles . Hentet 17. december 2012. Arkiveret fra originalen 16. juni 2012. (ubestemt)
4. ↑ Elements - videnskabsnyheder: Havfisk yder et bemærkelsesværdigt bidrag til dannelsen af ​​karbonater . Hentet 13. december 2016. Arkiveret fra originalen 9. december 2016. (ubestemt)
5. ↑ The Carbon Cycle: Feature Articles . Hentet 17. december 2012. Arkiveret fra originalen 30. december 2012. (ubestemt)
6. ↑ The Carbon Cycle: Feature Articles . Hentet 17. december 2012. Arkiveret fra originalen 18. juli 2012. (ubestemt)
7. ↑ Arkiveret kopi (link ikke tilgængeligt) . Hentet 28. april 2013. Arkiveret fra originalen 30. oktober 2012. (ubestemt) 
8. ↑ https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/ar4-wg1-chapter7-1.pdf Arkiveret 3. august 2019 på Wayback Machine IPCC fjerde vurderingsrapport, arbejdsgruppe I-rapport "The Wayback Machine Fysisk videnskabeligt grundlag”, afsnit 7.3.3.1.5 (s. 527)

Litteratur

• Odum Y. Økologi: I 2 bind / overs. fra engelsk. — M.:. Mir, 1986. - T. 1. - S. 225-229.
• Shilov I. A. Økologi. - M .: Højere skole, 1997. - S. 49-50.
• Cirkulation af stoffer // Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 bind]  / kap. udg. A. M. Prokhorov . - 3. udg. - M .  : Sovjetisk encyklopædi, 1969-1978.
• Encyklopædi af dyreliv. / Ch. redaktør: acad. Chubaryan A. O .. - M . : Exlibris, 2006. - V. 5. - S. 10. - 160 s.
• Robert Hazen . Symfoni nr. 6 Carbon og evolutionen af ​​næsten alt = Robert M. Hazen. Symfoni i C: Kulstof og udviklingen af ​​(næsten) alt / Anastasia Naumenko. - M . : Alpina faglitteratur, 2021. - 410 s. - ISBN 978-5-00139-283-5 .

Links

• Kulstofkredsløb  // Encyclopedia " Krugosvet ".
• Kulstofkredsløbet i naturen . (ubestemt)

Ordbøger og encyklopædier	Flot dansk Fantastisk catalansk Fantastisk norsk jorden rundt Britannica (online)
I bibliografiske kataloger	GND : 4164552-2 J9U : 987007283487105171 LCCN : sh85020105 NKC : ph225447