Насос растворимости - Solubility pump

Обмен CO между воздухом и морем₂

В океанический биогеохимия, то насос растворимости это физико-химический процесс, который переносит углерод так как растворенный неорганический углерод (DIC) от поверхности океана до его недр.

Обзор

Насос растворимости приводится в действие совпадением двух процессов в океане:

• В растворимость из углекислый газ является сильной обратной функцией температура морской воды (т.е. растворимость больше в более холодной воде)
• В термохалинная циркуляция обусловлено образованием глубокой воды в высоких широтах, где морская вода обычно более прохладная и плотная.

Поскольку глубоководная вода (то есть морская вода внутри океана) образуется при тех же поверхностных условиях, которые способствуют растворимости диоксида углерода, она содержит более высокую концентрацию растворенного неорганического углерода, чем можно было бы ожидать, исходя из средних поверхностных концентраций. Следовательно, эти два процесса действуют вместе, перекачивая углерод из атмосферы в глубь океана.

Одним из следствий этого является то, что когда глубокая вода поднимается вверх в более теплых экваториальных широтах, она сильно выделяет углекислый газ в атмосферу из-за пониженной растворимости газа.

У насоса растворимости есть биологический аналог, известный как биологический насос. Обзор обоих насосов см. В Raven & Falkowski (1999).^[1]

Растворимость углекислого газа

Растворимость диоксида углерода в воде, температурная зависимость

Углекислый газ, как и другие газы, растворим в воде. Однако, в отличие от многих других газов (кислород например), он вступает в реакцию с водой и формирует баланс нескольких ионных и неионных частиц (вместе известных как растворенный неорганический углерод, или DIC). Это растворенный свободный диоксид углерода (CO_{2 (водн.)}), угольная кислота (ЧАС₂CO₃), бикарбонат (HCO₃⁻) и карбонат (CO₃²⁻), и они взаимодействуют с водой следующим образом:

CO_{2 (водн.)} + H₂О ${\displaystyle \leftrightarrow }$ ЧАС₂CO₃ ${\displaystyle \leftrightarrow }$ HCO₃⁻ + H⁺ ${\displaystyle \leftrightarrow }$ CO₃²⁻ + 2 часа⁺

Баланс этих карбонатных разновидностей (который в конечном итоге влияет на растворимость диоксида углерода) зависит от таких факторов, как pH, как показано на Сюжет Бьеррума. В морская вода это регулируется балансом заряда ряда положительных (например, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ ) и отрицательные (например, CO₃²⁻ сам, Cl⁻, ТАК₄²⁻, Br⁻ ) ионы. Обычно баланс этих видов оставляет чистый положительный заряд. Что касается карбонатной системы, этот избыточный положительный заряд сдвигает баланс карбонатных разновидностей в сторону отрицательных ионов для компенсации. Результатом этого является снижение концентрации свободного диоксида углерода и разновидностей угольной кислоты, что, в свою очередь, приводит к поглощению диоксида углерода из атмосферы в океане для восстановления баланса. Таким образом, чем больше дисбаланс положительных зарядов, тем выше растворимость диоксида углерода. В терминах карбонатной химии этот дисбаланс обозначается как щелочность.

С точки зрения измерения ключевое значение имеют четыре основных параметра: Общий неорганический углерод (ТИЦ, Т_СО2 или C_Т), Всего щелочность (Т_ALK или А_Т), pH, и pCO₂. Измерение любых двух из этих параметров позволяет определять широкий диапазон pH-зависимых видов (включая вышеупомянутые виды). Этот баланс можно изменить с помощью ряда процессов. Например, поток воздух-море CO₂, то растворение /атмосферные осадки из CaCO₃, или биологическая активность, такая как фотосинтез /дыхание. Каждый из них по-разному влияет на каждый из четырех основных параметров, и вместе они оказывают сильное влияние на глобальные циклы. Чистый и локальный заряд океанов остается нейтральным во время любого химического процесса.

Антропогенные изменения

Вертикальная инвентаризация «современного» (1990-е годы) антропогенного СО₂

В горение из ископаемое топливо, изменения в землепользовании и производство цемент привели к потоку CO₂ в атмосферу. В настоящее время около трети (примерно 2 гигатонны углерода в год)^[2][3] антропогенных выбросов CO₂ Считается, что они входят в океан. Насос растворимости является основным механизмом, управляющим потоком, в результате чего антропогенный CO₂ достигает глубин океана через высокоширотные участки глубоководных образований (особенно в Северной Атлантике). В конечном итоге большая часть CO₂ испускаемый деятельностью человека растворится в океане,^[4] однако скорость, с которой океан поглотит его в будущем, менее определена.

В исследовании цикл углерода до конца 21 века Кокс и другие. (2000)^[5] предсказал, что скорость CO₂ поглощение начнет насыщаться с максимальной скоростью при 5 гигатонны углерода в год к 2100 году. Частично это было связано с нелинейности в карбонатной системе морской воды, но также из-за изменение климата. Потепление океана снижает растворимость CO.₂ в морской воде, замедляя реакцию океана на выбросы. Потепление также усиливает стратификацию океана, изолируя поверхность океана от более глубоких вод. Кроме того, изменения в океане термохалинная циркуляция (конкретно замедление)^[6] может снижать перенос растворенного CO₂ в глубокий океан. Однако масштабы этих процессов все еще остаются неопределенными, что не позволяет делать хорошие долгосрочные оценки судьбы насоса растворимости.

При поглощении океаном антропогенного CO₂ из атмосферы действует, чтобы уменьшить изменение климата, это вызывает закисление океана что, как считается, будет иметь негативные последствия для морских экосистем.^[7]

Смотрите также

• Щелочность
• Биологический насос
• Континентальный шельфовый насос
• Закисление океана
• Термохалинное кровообращение
• Общий неорганический углерод

использованная литература

1. Рэйвен, Дж. А. и П. Г. Фальковски (1999). Океанические поглотители атмосферного CO₂. Plant Cell Environ. 22, 741-755.
2. Такахаши, Таро; Сазерленд, Стюарт С.; Суини, Колм; Пуассон, Ален; Мецль, Николас; Тилбрук, Бронте; Бейтс, Николас; Ваннинкхоф, Рик; Фили, Ричард А .; Сабина, Кристофер; Олафссон, Джон; Нодзири, Юкихиро (2002). «Глобальный поток CO2 в море и воздухе на основе климатологического pCO2 поверхности океана, а также сезонных биологических и температурных эффектов». Deep Sea Research Part II: Актуальные исследования в океанографии. 49 (9–10): 1601–1622. Bibcode:2002DSRII..49.1601T. Дои:10.1016 / S0967-0645 (02) 00003-6.
3. Орр, Дж. К., Э. Майер-Реймер, У. Миколаевич, П. Монфрей, Дж. Л. Сармиенто, Дж. Р. Тоггвейлер, Н. К. Тейлор, Дж. Палмер, Н. Грубер, К. Л. Сабин, К. Ле Кере, Р. М. Ки и Дж. 2001). Оценки антропогенного поглощения углерода по четырем трехмерным моделям глобального океана. Global Biogeochem. Циклы 15, 43-60.
4. Арчер, Д. (2005). Судьба ископаемого топлива CO₂ в геологическое время. J. Geophys. Res., 110, Дои:10.1029 / 2004JC002625.
5. Кокс, П. М., Беттс, Р. А., Джонс, К. Д., Сполл, С. А. и Тоттерделл, И. Дж. (2000). Ускорение глобального потепления из-за обратной связи углеродного цикла в связанной модели климата. Природа, 408, 184-187.
6. Брайден, Х. Л., Лонгворт, Х. Р. и Каннингем, С. А. (2005). Замедление меридиональной опрокидывающей циркуляции Атлантики на 25 ° с. Природа, 438, 655-657.
7. Орр, Дж. К. и другие. (2005). Антропогенное закисление океана в XXI веке и его влияние на кальцифицирующие организмы. Природа 437, 681-686.