Карбонатно-силикатный цикл - Carbonate–silicate cycle

Этот рисунок описывает геологические аспекты и процессы карбонатно-силикатного цикла в рамках долгосрочного углеродного цикла.

В карбонатно-силикатный геохимический цикл, также известный как круговорот неорганического углерода, описывает долгосрочную трансформацию силикат скалы для карбонат скалы выветривание и осаждение, и преобразование карбонатных пород обратно в силикатные породы путем метаморфизм и вулканизм.^[1][2] Углекислый газ удаляется из атмосферы при захоронении выветрившихся минералов и возвращается в атмосфера через вулканизм. В масштабе времени в миллион лет карбонатно-силикатный цикл является ключевым фактором в управлении климатом Земли, поскольку он регулирует углекислый газ уровни и, следовательно, глобальная температура.^[2]

Однако скорость выветривания чувствительна к факторам, которые влияют на то, сколько земли подвергается воздействию. Эти факторы включают уровень моря, топография, литология, и растительность изменения.^[3] Кроме того, эти геоморфные и химические изменения работали в тандеме с солнечным воздействием, будь то из-за изменений орбиты или звездной эволюции, чтобы определить глобальную температуру поверхности. Кроме того, карбонатно-силикатный цикл считается возможным решением проблемы слабый парадокс молодого Солнца.^[1][2]

Обзор цикла

Эта схема показывает взаимосвязь между различными физическими и химическими процессами, составляющими карбонатно-силикатный цикл.

Карбонатно-силикатный цикл является основным средством контроля углекислый газ уровни в долгосрочной перспективе.^[2] Его можно рассматривать как ветвь цикл углерода, который также включает цикл органического углерода, в которых биологические процессы превращают диоксид углерода и воду в органические вещества и кислород посредством фотосинтез.^[4]

Физико-химические процессы

Микроскопические оболочки, обнаруженные в кернах отложений, могут использоваться для определения прошлых климатических условий, включая температуру океана и аспекты химии атмосферы.

Неорганический цикл начинается с производства угольная кислота (ЧАС₂CO₃) из дождевой воды и газообразного диоксида углерода.^[5] Угольная кислота - это слабая кислота, но в течение длительного времени он может растворять силикатные породы (а также карбонатные породы). Большая часть земной коры (и мантии) состоит из силикатов.^[6] В результате эти вещества распадаются на растворенные ионы. Например, силикат кальция CaSiO₃, или же волластонит, реагирует с диоксидом углерода и водой с образованием иона кальция Ca²⁺, бикарбонат-ион, HCO₃⁻, и растворенный кремнезем. Эта реакционная структура является типичным представителем силикатного выветривания минералов силиката кальция.^[7] Химический путь следующий:

${displaystyle {ce {2CO2 + H2O + CaSiO3 -> Ca^2+ + 2HCO3- + SiO2}}}$

Речной сток переносит эти продукты в океан, где морские кальцифицирующие организмы используют Ca²⁺ и HCO₃⁻ построить их раковины и скелеты, процесс, называемый карбонатные осадки:

${displaystyle {ce {Ca^2+ + 2HCO3- -> CaCO3 + CO2 + H2O}}}$

Две молекулы CO₂ необходимы для выветривания силикатных пород; морская кальцификация выпускает одну молекулу обратно в атмосферу. Карбонат кальция (CaCO₃), содержащиеся в раковинах и скелетах, тонет после смерти морского организма и оседает на дне океана.

Заключительный этап процесса предполагает движение морского дна. В зоны субдукции карбонатные отложения погребены и вытеснены обратно в мантия. Некоторое количество карбоната может уноситься глубоко в мантию, где условия высокого давления и температуры позволяют ему метаморфно соединяться с SiO.₂ образовывать CaSiO₃ и CO₂, который выбрасывается изнутри в атмосферу через вулканизм, термальные источники в океане или содовые источники, которые представляют собой природные источники, содержащие углекислый газ или газированную воду:

${displaystyle {ce {CaCO3 + SiO2 -> CaSiO3 + CO2}}}$

Этот последний шаг возвращает второй CO.₂ молекула в атмосферу и закрывает неорганический углеродный бюджет. 99,6% всего углерода (примерно 10⁸ миллиардов тонн углерода) на Земле улавливается в долговременном резервуаре горных пород. И практически весь углерод провел время в форме карбоната. Напротив, в биосфере существует только 0,002% углерода.^[6]

Отзывы

Изменения на поверхности планеты, такие как отсутствие вулканов или повышение уровня моря, которые уменьшили бы площадь поверхности суши, подверженной выветриванию, могут изменить скорость, с которой происходят различные процессы в этом цикле.^[6] В течение десятков и сотен миллионов лет уровни углекислого газа в атмосфере могут изменяться из-за естественных возмущений в цикле.^[8][9][10] но в более общем плане он служит критической петлей отрицательной обратной связи между уровнями углекислого газа и изменениями климата.^[5][7] Например, если CO₂ Накапливаясь в атмосфере, парниковый эффект будет способствовать повышению температуры поверхности, что, в свою очередь, увеличит количество осадков и силикатного выветривания, что приведет к удалению углерода из атмосферы. Таким образом, в течение долгого времени карбонатно-силикатный цикл оказывает стабилизирующее влияние на климат Земли, поэтому его называют термостатом Земли.^[4][11]

Изменения в истории Земли

Аспекты карбонатно-силикатного цикла изменились за История Земли в результате биологическая эволюция и тектонический изменения. Как правило, карбонаты образуются быстрее, чем силикаты, что позволяет эффективно удалять углекислый газ из атмосферы. Появление карбоната биоминерализация недалеко от Докембрийский -Кембрийский граница позволила бы более эффективно удалять продукты выветривания из океана.^[12] Биологические процессы в почвах могут значительно увеличить скорость выветривания.^[13] Растения производят органические кислоты это увеличение выветривание. Эти кислоты выделяются корнем и микоризные грибы, а также микробный гниль растений. Корневое дыхание и окисление из органическое вещество почвы также производят углекислый газ, который преобразуется в угольная кислота, что увеличивает выветривание.^[14]

Тектоника может вызвать изменения в карбонатно-силикатном цикле. Например, поднятие крупных горных цепей, таких как Гималаи и Анды, считается, что инициировал Поздний кайнозойский ледниковый период из-за повышенной скорости силикатного выветривания и просадки углекислый газ.^[15] Погода на морском дне связана как со светимостью Солнца, так и с концентрацией углекислого газа.^[16] Однако это представляло проблему для разработчиков моделей, которые пытались связать скорость дегазации и субдукции с соответствующими темпами изменения морского дна. Правильные, несложные данные прокси трудно получить для таких вопросов. Например, керны отложений, по которым ученые могут сделать выводы об уровне моря в прошлом, не идеальны, потому что уровень моря изменяется в результате не только изменения уровня морского дна.^[17] Недавние исследования в области моделирования исследовали роль выветривания морского дна на раннем этапе эволюции жизни, показав, что относительно быстрые темпы создания морского дна помогли снизить уровни углекислого газа до умеренной степени.^[18]

Наблюдения так называемых глубокое время указывают на то, что Земля имеет относительно нечувствительную обратную связь по выветриванию горных пород, допускающую большие колебания температуры. Палеоклиматические записи показывают, что в атмосфере примерно в два раза больше углекислого газа, глобальные температуры достигли на 5-6 ° C выше, чем нынешние температуры.^[19] Однако другие факторы, такие как изменения в орбитальное / солнечное воздействие способствуют глобальному изменению температуры в палео-записи.

Выбросы CO от человека₂ неуклонно увеличивались, и, как следствие, концентрация CO₂ в системе Земля достигла беспрецедентного уровня за очень короткое время.^[20] Избыточный углерод в атмосфере, растворенный в морской воде, может изменить скорость карбонатно-силикатного цикла. Растворенный CO₂ может реагировать с водой с образованием ионов бикарбоната, HCO₃⁻, и ионы водорода H⁺. Эти ионы водорода быстро реагируют с карбонатом CO.₃^2- для производства большего количества ионов бикарбоната и уменьшения количества доступных ионов карбоната, что представляет собой препятствие для процесса осаждения карбоната.^[21] Иными словами, 30% избыточного углерода, выбрасываемого в атмосферу, поглощается океанами. Более высокие концентрации углекислого газа в океанах подталкивают процесс осаждения карбонатов в противоположном направлении (влево), производя меньше CaCO.₃. Этот процесс, наносящий вред организмам, строящим раковины, называется закисление океана.^[22]

Цикл на других планетах

Не следует предполагать, что карбонатно-силикатный цикл возникнет на всех планеты земной группы. Для начала карбонатно-силикатный цикл требует наличия круговорота воды. Поэтому он ломается на внутреннем краю Солнечной системы. жилая зона. Даже если планета начинается с жидкой воды на поверхности, если она становится слишком теплой, она претерпевает сбежавшая теплица, теряя поверхностные воды. Без необходимой дождевой воды не будет происходить выветривания, чтобы производить углекислоту из газообразного CO.₂. Кроме того, на внешнем крае CO₂ может конденсироваться, следовательно, уменьшая парниковый эффект и снижение температуры поверхности. В результате атмосфера схлопнется в полярные шапки.^[4]

Марс такая планета. Расположенная на краю обитаемой зоны Солнечной системы, ее поверхность слишком холодна для образования жидкой воды без парникового эффекта. Средняя температура поверхности Марса с его тонкой атмосферой составляет 210 К (-63 ° C). Пытаясь объяснить топографические особенности, напоминающие речные каналы, несмотря на кажущееся недостаточное поступление солнечной радиации, некоторые предположили, что мог существовать цикл, аналогичный карбонатно-силикатному циклу Земли - подобный уходу из периодов Земли снежного кома.^[23] С помощью модельных исследований было показано, что газообразный CO₂ и H₂O, действующий как парниковый газ, не мог согреть Марс на раннем этапе его истории, когда солнце было слабее, потому что CO₂ конденсируется в облака.^[24] Хотя CO₂ облака не отражаются так, как водяные облака на Земле,^[25] в прошлом здесь не могло быть много карбонатно-силикатного цикла.

Напротив, Венера расположен на внутренней границе обитаемой зоны и имеет среднюю температуру поверхности 737 К (464 ° С). После потери воды фотодиссоциация и утечка водорода, Венера перестала удалять углекислый газ из своей атмосферы, а вместо этого начала накапливать его и испытывать безудержный парниковый эффект.

На приливной блокировке экзопланеты, расположение подзвездная точка продиктует выпуск углекислый газ от литосфера.^[26]

Смотрите также

• Цикл углерода
• Обратное выветривание
• Daisyworld
• Гипотеза Гайи
• Сбежавший парниковый эффект
• Основные ледниковые периоды
• Земля снежка
• Озеро Ниос
• Подкисление океана
• Парадокс слабого молодого Солнца

Рекомендации

1. Бернер, Роберт; Лазага, Антонио; Гаррелс, Роберт (1983). «Карбонатно-силикатный геохимический цикл и его влияние на двуокись углерода в атмосфере за последние 100 миллионов лет». Американский журнал науки. 283 (7): 641–683. Bibcode:1983AmJS..283..641B. Дои:10.2475 / ajs.283.7.641.
2. Уокер, Джеймс С. Дж .; Hays, P. B .; Кастинг, Дж. Ф. (1981). «Механизм отрицательной обратной связи для долговременной стабилизации температуры поверхности Земли». Журнал геофизических исследований: океаны. 86 (C10): 9776–9782. Bibcode:1981JGR .... 86.9776W. Дои:10.1029 / JC086iC10p09776. ISSN  2156-2202.
3. Уокер, Джеймс К. Г. (1993). «Биогеохимические циклы углерода в иерархии временных масштабов». Биогеохимия глобальных изменений: радиоактивно активные следовые газы Избранные доклады Десятого Международного симпозиума по биогеохимии окружающей среды. Бостон, Массачусетс: Спрингер. С. 3–28. Дои:10.1007/978-1-4615-2812-8_1. ISBN  978-1-4613-6215-9.
4. Салливан, Вудрафф Т .; Баросс, Джон А. (2007). «Планетарные атмосферы и жизнь». Планеты и жизнь. Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. С. 91–116. ISBN  978-0-521-53102-3.
5. Бонан, Гордон (2013). Экологическая климатология: концепции и приложения (2-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. С. 105–128. ISBN  978-0-521-69319-6.
6. «Геология и климат: инструментарий ACS Climate Science Toolkit». Американское химическое общество.
7. Кэтлинг, Дэвид С .; Кастинг, Джеймс Ф. (2017). Эволюция атмосферы в обитаемых и безжизненных мирах. Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. С. 299–326. ISBN  978-0-521-84412-3.
8. Бернер, Роберт А. (1 апреля 1991 г.). "Модель атмосферного CO₂ за фанерозойское время ». Американский журнал науки. 291 (4): 339–376. Bibcode:1991AmJS..291..339B. Дои:10.2475 / ajs.291.4.339.
9. Бернер, Роберт А. (29 января 1998 г.). «Круговорот углерода и углекислый газ в фанерозойское время: роль наземных растений». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия B: Биологические науки. 353 (1365): 75–82. Дои:10.1098 / rstb.1998.0192. ЧВК  1692179.
10. Бернер, Роберт А .; Бирлинг, Дэвид Дж .; Дадли, Роберт; Робинсон, Дженнифер М .; Уайлдман младший, Ричард А. (2003). «Фанерозойский атмосферный кислород». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах. 31 (31): 105–134. Bibcode:2003AREPS..31..105B. Дои:10.1146 / annurev.earth.31.100901.141329.
11. DiVenere, Vic. «Углеродный цикл и климат Земли». Колумбийский университет.
12. Риджуэлл, А; Зибе, Р. (2005). «Роль глобального карбонатного цикла в регулировании и эволюции системы Земли». Письма по науке о Земле и планетах. 234 (3–4): 299–315. Дои:10.1016 / j.epsl.2005.03.006. ISSN  0012-821X.
13. Тейлор, Лайла Л .; Banwart, Steve A .; Вальдес, Пол Дж .; Лик, Джонатан Р .; Бирлинг, Дэвид Дж. (2012). «Оценка воздействия наземных экосистем, климата и углекислого газа на выветривание в течение геологического времени: глобальный процессный подход». Философские труды Королевского общества B: биологические науки. 367 (1588): 565–582. Дои:10.1098 / rstb.2011.0251. ISSN  0962-8436. ЧВК  3248708. PMID  22232768.
14. Бернер, Роберт А. (1992). «Выветривание, растения и долгосрочный углеродный цикл». Geochimica et Cosmochimica Acta. 56 (8): 3225–3231. Bibcode:1992GeCoA..56.3225B. Дои:10.1016/0016-7037(92)90300-8. ISSN  0016-7037.
15. Raymo, Maureen E .; Руддиман, Уильям Ф .; Froelich, Филип Н. (1988). «Влияние позднекайнозойского горообразования на геохимические циклы океана». Геология. 16 (7): 649. Bibcode:1988Гео .... 16..649р. Дои:10.1130 / 0091-7613 (1988) 016 <0649: iolcmb> 2.3.co; 2. ISSN  0091-7613.
16. Брэди, Патрик; Гисласон, Сигурдур Р. (март 1997 г.). «Контроль за выветриванием морского дна, атмосферным CO2 и глобальным климатом. Автор ссылается на открытую накладную панель». Geochimica et Cosmochimica Acta. 61 (5): 965–973. Дои:10.1016 / S0016-7037 (96) 00385-7.
17. Бернер, Роберт А .; Лазага, Антонио К. (март 1989 г.). «Моделирование геохимического цикла углерода». Scientific American. 260 (3): 74–81. Bibcode:1989SciAm.260c..74B. Дои:10.1038 / scientificamerican0389-74.
18. Криссансен-Тоттон, Джошуа; Arney, Giada N .; Кэтлинг, Дэвид К. (17 апреля 2018 г.). «Ограничение климата и pH океана на ранней Земле с помощью модели геологического цикла углерода». PNAS. 115 (16): 4105–4110. arXiv:1804.00763. Bibcode:2018PNAS..115.4105K. Дои:10.1073 / pnas.1721296115. ЧВК  5910859. PMID  29610313.
19. Криссансен-Тоттон, Джошуа; Кэтлинг, Дэвид К. (22 мая 2017 г.). «Ограничение чувствительности климата и выветривания континентального и морского дна с использованием модели обратного геологического цикла углерода». Nature Communications. 8: 15423. Bibcode:2017НатКо ... 815423K. Дои:10.1038 / ncomms15423. ЧВК  5458154. PMID  28530231.
20. Основная команда писателей; Р.К. Пачаури; Л.А. Мейер, ред. (2014). МГЭИК, 2014 г .: Изменение климата, 2014 г .: Сводный отчет. Вклад рабочих групп I, II и III в Пятый доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата. Женева, Швейцария: МГЭИК.
21. «Подкисление океана». Углерод океана и биогеохимия. Океанографический институт Вудс-Хоул (WHOI).
22. "Цикл углерода". Обсерватория Земли. НАСА. 2011-06-16.
23. Баталья, Наташа Е .; Коппарапу, Рави Кумар; Хакк-Мишра, Иаков; Кастинг, Джеймс Ф. (2016). «Климатические циклы на раннем Марсе, вызванные карбонатно-силикатным циклом». Письма по науке о Земле и планетах. 455: 7–13. arXiv:1609.00602. Bibcode:2016E и PSL.455 .... 7B. Дои:10.1016 / j.epsl.2016.08.044. S2CID  119257332.
24. Кастинг, Дж. Ф. (1991). «Конденсация СО2 и климат раннего Марса». Икар. 94 (1): 1–13. Bibcode:1991Icar ... 94 .... 1K. Дои:10.1016 / 0019-1035 (91) 90137-И. PMID  11538088.
25. Забудь, Франсуа; Пьерумберт, Раймонд Т. (1997). «Нагрев раннего Марса облаками из углекислого газа, рассеивающими инфракрасное излучение». Наука. 278 (5341): 1273–1276. Bibcode:1997 Наука ... 278.1273F. Дои:10.1126 / science.278.5341.1273. PMID  9360920.
26. Эдсон, Адам Р .; Кастинг, Джеймс Ф .; Поллард, Дэвид; Ли, Сукён; Бэннон, Питер Р. (2012). «Карбонатно-силикатный цикл и обратная связь CO2 / климата на планетах земной группы, заблокированных приливом». Астробиология. 12 (6): 562–571. Bibcode:2012AsBio..12..562E. Дои:10.1089 / аст.2011.0762. ISSN  1531-1074. PMID  22775488.

внешняя ссылка

• Понимание долгосрочного углеродного цикла: выветривание горных пород - жизненно важный поглотитель углерода Джон Мейсон, Skeptical Science