Szénciklus - Carbon cycle
Egy sorozat része a |
Szénciklus |
---|
A szénciklus az a biogeokémiai ciklus , amely során a szén bioszféra , pedoszféra , geoszféra , hidroszféra és légkör között kicserélődik . A szén a biológiai vegyületek fő összetevője, valamint számos ásványi anyag, például a mészkő fő alkotóeleme . A nitrogén körforgással és a vízkörforgással együtt a szénciklus olyan események sorozatát foglalja magában, amelyek kulcsfontosságúak ahhoz, hogy a Föld képes legyen az élet fenntartására. Ez leírja a mozgását a szén, mivel visszaforgatjuk, és újra az egész bioszférában, valamint a hosszú távú folyamatok a szén-dioxid-megkötési és azok felszabadulását szénelnyelők . A szárazföldben és az óceánban található szén-dioxid-elnyelő egyének jelenleg évente körülbelül az egynegyedét teszik ki az antropogén szén-dioxid-kibocsátásnak.
Az emberek sok évszázadon keresztül zavarták a biológiai szénciklust a földhasználat módosításával, ráadásul a közelmúltban a fosszilis szén bányászatával ( szén , kőolaj- és gázkitermelés , valamint cementgyártás ) a geoszférából. A légkörben lévő szén-dioxid közel 52% -kal nőtt az iparosodás előtti szinthez képest 2020-ra, ami a Nap nagyobb légköri és földfelszíni felmelegítését kényszerítette ki. A megnövekedett szén -dioxid az óceán felszínének savasságát is mintegy 30% -kal növelte az oldott szén -dioxid, a szénsav és más vegyületek miatt, és alapvetően megváltoztatja a tengeri kémiát . A fosszilis szén nagy részét az elmúlt fél évszázad során nyerik ki, és az arányok továbbra is gyorsan emelkednek, hozzájárulva az ember okozta éghajlatváltozáshoz . A szén -körforgás és az emberi civilizációt kritikusan lehetővé tevő bioszféra legnagyobb következményei a Föld -rendszer hatalmas, de korlátozott tehetetlensége miatt továbbra is kibontakoznak . Ennek a természetes rendszernek az egyensúlyának helyreállítása nemzetközi prioritás, amelyet a párizsi klímaegyezmény és a fenntartható fejlődés 13. célja is leír .
Fő összetevők
Egy sorozat része |
Biogeokémiai ciklusok |
---|
A szénciklust először Antoine Lavoisier és Joseph Priestley írta le , és Humphry Davy népszerűsítette . A globális szén -dioxid -körforgás jelenleg általában a következő főbb szén -dioxid -tárolókra oszlik, amelyeket csereutak kötnek össze:
- A hangulat
- A földi bioszféra
- Az óceán , beleértve az oldott szervetlen szenet és az élő és nem élő tengeri élővilágot
- Az üledékek , beleértve a fosszilis tüzelőanyagokat , az édesvízi rendszereket és a nem élő szerves anyagokat.
- A Föld belseje ( köpeny és kéreg ). Ezek a szénraktárak geológiai folyamatokon keresztül kölcsönhatásba lépnek a többi komponenssel.
A tározók közötti széncsere különböző kémiai, fizikai, geológiai és biológiai folyamatok eredményeként következik be. Az óceán tartalmazza a legnagyobb aktív szénkészletet a Föld felszíne közelében. A légkör, az óceán, a szárazföldi ökoszisztémák és az üledékek közötti természetes szénáramlás meglehetősen kiegyensúlyozott; tehát a szén -dioxid szint nagyjából stabil lenne emberi befolyás nélkül.
Légkör
A Föld légkörében lévő szén két fő formában létezik: szén -dioxid és metán . Mindkét gáz elnyeli és megtartja a hőt a légkörben, és részben felelős az üvegházhatásért . A metán térfogatonként nagyobb üvegházhatást okoz a szén-dioxidhoz képest, de sokkal alacsonyabb koncentrációban létezik, és rövidebb élettartamú, mint a szén-dioxid, így a szén-dioxid a kettő közül a legfontosabb üvegházhatású gáz.
A szén -dioxid elsősorban a fotoszintézis útján távozik a légkörből, és belép a szárazföldi és az óceáni bioszférába. A szén -dioxid közvetlenül a légkörből is feloldódik víztestekbe (óceán, tavak stb.), Valamint feloldódik a csapadékban, amikor az esőcseppek átesnek a légkörön. Vízben oldva a szén -dioxid reakcióba lép a vízmolekulákkal, és szénsavat képez , ami hozzájárul az óceán savasságához. Ezt az időjárás hatására a kőzetek felszívhatják. Savasíthat más felületeket is, amelyekhez hozzáér, vagy az óceánba mossa.
Az emberi tevékenység az elmúlt két évszázadban 2020 -tól közel 50% -kal növelte a légkörben lévő szén mennyiségét, főként szén -dioxid formájában, mind azáltal, hogy módosította az ökoszisztémák szén -dioxid -kinyerési képességét, mind pedig kibocsátását közvetlenül, például fosszilis tüzelőanyagok égetésével és betongyártással.
A távoli jövőben (2-3 milliárd év) a szén -dioxid felszívódásának sebessége a karbonát -szilikát cikluson keresztül valószínűleg növekedni fog a nap várható változásai miatt, ahogy öregszik. A Nap várható megnövekedett fényereje valószínűleg felgyorsítja a felszíni mállást. Ennek eredményeképpen a légkörben lévő szén -dioxid nagy része karbonát formájában a földkéregbe kerül. Amint a szén -dioxid koncentrációja a légkörben megközelítőleg 50 ppm alá csökken (a tűrések fajonként változnak), a C 3 fotoszintézis már nem lehetséges. Az előrejelzések szerint ez 600 millió év múlva következik be, de a modellek eltérőek.
Miután a Föld óceánjai elpárolognak körülbelül 1,1 milliárd év múlva, a lemeztektonika nagy valószínűséggel leáll a kenéshez szükséges víz hiánya miatt. A szén -dioxidot kiszivattyúzó vulkánok hiánya miatt a szén -dioxid -körforgás 1 milliárd és 2 milliárd év múlva véget ér.
Földi bioszféra
A szárazföldi bioszféra magában foglalja a szerves szenet minden szárazföldi élő szervezetben, élőben és elhaltban, valamint a talajban tárolt szenet . Körülbelül 500 gigatonna szenet tárolnak a talaj felett a növényekben és más élőlényekben, míg a talaj körülbelül 1500 gigatonnát tartalmaz. A szárazföldi bioszféra legtöbb szén -dioxidja szerves szén, míg a talaj szén -dioxidjának egyharmada szervetlen formában, például kalcium -karbonátban tárolódik . A szerves szén a Földön élő összes organizmus fő alkotóeleme. Az autotrófok szén -dioxid formájában nyerik ki a levegőből, szerves szénné alakítják, míg a heterotrófok más szervezetek fogyasztásával kapják meg a szenet.
Mivel a szénfelvétel a szárazföldi bioszférában biotikus tényezőktől függ, ez napi és szezonális ciklust követ. A CO
2méréseknél ez a tulajdonság nyilvánvaló a Keeling görbében . Az északi féltekén a legerősebb, mert ennek a féltekének nagyobb a szárazföldi tömege, mint a déli féltekének, és így több helye van az ökoszisztémáknak a szén felszívására és kibocsátására.
A szén többféle módon és különböző időskálán hagyja el a földi bioszférát. A szerves szén égése vagy légzése gyorsan felszabadítja a légkörbe. Folyókon keresztül is exportálható az óceánba, vagy inert szén formájában talajban maradhat. A talajban tárolt szén akár több ezer évig is ott maradhat, mielőtt az erózió folyókba mossa, vagy a talaj légzése révén a légkörbe kerül . 1989 és 2008 között a talaj légzése évente körülbelül 0,1% -kal nőtt. 2008 -ban a globális összes CO
2a talajlégzés során nagyjából 98 milliárd tonna volt, ami körülbelül 10 -szer több szén -dioxidot bocsát ki, mint amennyit az ember évente fosszilis tüzelőanyag elégetésével bocsát ki a légkörbe (ez nem jelenti a szén nettó átvitelét a talajból a légkörbe, mivel a légzés nagyrészt kiegyenlített) a talaj szénbevitelével). Ennek a tendenciának van néhány hihető magyarázata, de a legvalószínűbb magyarázat az, hogy a növekvő hőmérséklet növelte a talaj szerves anyagának lebomlási sebességét , ami növelte a CO áramlását
2. A szén -dioxid megkötésének időtartama a talajban a helyi éghajlati viszonyoktól és ezáltal az éghajlatváltozás során bekövetkező változásoktól függ .
Medence | Mennyiség (gigaton) |
---|---|
Légkör | 720 |
Óceán (összesen) | 38 400 |
Teljesen szervetlen | 37 400 |
Teljesen organikus | 1000 |
Felszíni réteg | 670 |
Mély réteg | 36 730 |
Litoszféra | |
Üledékes karbonátok | > 60 000 000 |
Kerogének | 15.000.000 |
Földi bioszféra (összesen) | 2.000 |
Élő biomassza | 600-1000 |
Halott biomassza | 1200 |
Vízi bioszféra | 1–2 |
Fosszilis tüzelőanyagok (összesen) | 4130 |
Szén | 3510 |
Olaj | 230 |
Gáz | 140 |
Egyéb ( tőzeg ) | 250 |
óceán
Az óceán lehet fogalmilag osztva egy felületi réteg , amelyen belül a víz teszi a gyakori (naponta éves) a levegővel érintkezve, és a mély réteg alatt a tipikus kevert réteg mélysége néhány száz méter, vagy kevesebb, amelyen belül az idő közötti egymást követő Kapcsolatok évszázadok is lehetnek. A felületi rétegben lévő oldott szervetlen szén (DIC) gyorsan kicserélődik az atmoszférával, fenntartva az egyensúlyt. Részben azért, mert a DIC koncentrációja körülbelül 15% -kal magasabb, de főként a nagyobb térfogatának köszönhetően a mély óceán jóval több szenet tartalmaz - ez a világ legnagyobb aktív szén -dioxid -gyűjteménye, amely 50 -szer több, mint a légkör -, de A légkörrel való egyensúly elérésének időtartama több száz év: a két réteg közötti széncsere , amelyet a termohalin keringés vezérel , lassú.
A szén elsősorban az atmoszférikus szén -dioxid oldódása révén kerül az óceánba, amelynek kis töredéke karbonáttá alakul . A folyókon keresztül oldott szerves szénként is beléphet az óceánba . A szervezetek fotoszintézis útján szerves szénné alakítják át, és vagy az egész táplálkozási láncban felcserélhetők, vagy kicsapódnak az óceánok mélyebb, szénben gazdag rétegeibe, mint elhalt lágyrészek, vagy héjaikban, mint kalcium-karbonát . Hosszú ideig kering ebben a rétegben, mielőtt vagy üledékként rakódik le, vagy végül a termohalin keringés útján visszatér a felszíni vizekbe. Az óceánok bázikusak (~ pH 8,2), ezért CO
2 A savasodás az óceán pH -ját semleges irányba tolja.
A CO óceáni felszívódása
2a szén-dioxid megkötésének egyik legfontosabb formája, amely korlátozza az ember által okozott szén-dioxid-emelkedést a légkörben. Ezt a folyamatot azonban számos tényező korlátozza. CO
2Az abszorpció savanyúbbá teszi a vizet, ami befolyásolja az óceáni bioszisztémákat. Az előrejelzett növekvő óceáni savasság lassíthatja a kalcium -karbonátok biológiai kicsapódását , ezáltal csökkentve az óceán CO -felvevő képességét
2.
Geoszféra
A szénciklus geológiai összetevője a globális szénciklus többi részéhez képest lassan működik. Ez az egyik legfontosabb meghatározója a légkörben lévő szén mennyiségének, és így a globális hőmérsékletnek is.
A Föld szén -dioxidjának nagy része tehetetlenül a föld litoszférájában tárolódik . A föld köpenyében tárolt szén nagy része ott tárolódott, amikor a föld keletkezett. Ennek egy része szerves szén formájában rakódott le a bioszférából. A geoszférában tárolt szén mintegy 80% -a mészkő és származékai, amelyek a tengeri élőlények héjában tárolt kalcium -karbonát ülepedéséből keletkeznek . A fennmaradó 20% kerogénként tárolódik a szárazföldi élőlények ülepedése és temetése során, magas hő és nyomás hatására. A geoszférában tárolt szerves szén több millió évig maradhat ott.
A szén többféle módon is elhagyhatja a geoszférát. A szén-dioxid szabadul fel metamorfózis karbonátos kőzetek amikor subducted a Föld köpeny. Ez a szén -dioxid vulkánokon és forró pontokon keresztül juthat a légkörbe és az óceánba . Emberi úton is eltávolítható a kerogének fosszilis tüzelőanyagok formájában történő közvetlen kivonásával . A kitermelés után a fosszilis tüzelőanyagokat elégetik, hogy energiát szabadítsanak fel, és az általuk tárolt szenet a légkörbe bocsássák.
Földi szén a vízkörforgásban
A jobb oldali ábrán:
- A légköri részecskék felhő kondenzációs magként működnek , elősegítve a felhőképződést.
- Az esőcseppek részecskék felszívása és szerves gőzök adszorpciója révén felszívják a szerves és szervetlen szenet , miközben a Föld felé esnek.
- Az égés és a vulkánkitörések erősen kondenzált policiklusos aromás molekulákat (azaz fekete szenet ) termelnek, amelyek az üvegházhatású gázokkal, például a CO 2 -vel együtt visszatérnek a légkörbe .
- A szárazföldi növények fotoszintézis útján rögzítik a légköri CO 2 -t , és a légzés útján töredékét visszaküldi a légkörbe . A lignin és a cellulóz a szerves szén 80% -át teszi ki az erdőkben és 60% -át a legelőkön.
- Az alom és a gyökér szerves szén keveréke üledékes anyaggal szerves talajokat képez, ahol növényi eredetű és petrogénes szerves szenet tárolnak és alakítanak át a mikrobiális és gombás tevékenység által.
- A víz elnyeli a növényi és a leülepedett aeroszolból származó oldott szerves szenet (DOC) és az oldott szervetlen szenet (DIC), amint áthalad az erdei lombkoronákon (azaz átfolyás ) és a növények törzsei/szárai mentén (azaz a száráramlás ). Biogeokémiai átalakulások mennek végbe, amikor a víz talajoldatba, talajvíztárolóba és szárazföldi vízbe kerül, amikor a talaj teljesen telített, vagy ha a csapadék gyorsabban fordul elő, mint a talajba való telítés.
- A szárazföldi bioszférából és az in situ elsődleges termelésből származó szerves szenet a folyók és patakok mikrobiális közösségei bontják le a fizikai bomlással együtt (pl. Foto-oxidáció ), ami CO 2 -áramlást eredményez a folyókból a légkörbe, amelyek azonos sorrendben nagyságrendű, mint a szárazföldi bioszféra által évente megkötött szén mennyisége. A földi eredetű makromolekulák, például a lignin és a fekete szén kisebb komponensekre és monomerekre bomlanak , végül CO 2 -vá, metabolikus köztes termékké vagy biomasszává alakulnak át .
- A tavak, víztározók és árterek jellemzően nagy mennyiségű szerves szenet és üledéket tárolnak, de a vízoszlopban nettó heterotrófiát is tapasztalnak , ami a légkörbe jutó nettó CO 2 -áramot eredményezi, ami nagyjából egy nagyságrenddel kisebb, mint a folyóké. A metántermelés jellemzően magas az árterek, tavak és tározók anoxikus üledékeiben is.
- A folyóvízi tápanyagok exportja miatt az elsődleges termelést a folyami tollakban általában fokozzák . Mindazonáltal a torkolati vizek globálisan CO 2 -forrást jelentenek a légkörben.
- A part menti mocsarak tárolják és exportálják a kék szenet . A mocsarak és a vizes élőhelyek globális szinten azt javasolják, hogy a légkörrel egyenértékű CO 2 -árammal rendelkezzenek, mint a folyók.
- A kontinentális polcok és a nyílt óceán jellemzően elnyelik a légköri CO 2 -ot.
- A tengeri biológiai szivattyú az abszorbeált CO 2 kicsi, de jelentős részét szerves szénként köti le a tengeri üledékekben (lásd a következő részt).
A tengeri biológiai szivattyú
A tengeri biológiai szivattyú az óceán biológiai hajtású szén -dioxid -megkötése a légkörből és a szárazföldi lefolyásból az óceán mély belsejébe és a tengerfenék üledékeibe . A biológiai szivattyú nem annyira egyetlen folyamat eredménye, hanem több olyan folyamat összege, amelyek mindegyike befolyásolhatja a biológiai szivattyúzást. A szivattyú évente mintegy 11 milliárd tonna szenet szállít az óceán belsejébe. A biológiai szivattyú nélküli óceán a légköri CO 2 szintet körülbelül 400 ppm -rel magasabbra vezetné, mint a mai.
A legtöbb szerves és szervetlen biológiai anyagba beépült szén a tenger felszínén képződik, ahol azután elkezdhet süllyedni az óceán fenekére. A mély óceán tápanyagainak nagy részét a magasabb vízoszlopból nyeri, amikor tengeri hó formájában lesüllyed . Ez elhullott vagy haldokló állatokból és mikrobákból, székletből, homokból és más szervetlen anyagokból áll.
A biológiai szivattyú felelős az oldott szervetlen szén (DIC) szerves biomasszává történő átalakításáért, és részecske vagy oldott formában a mély óceánba történő pumpálásáért . A szervetlen tápanyagokat és a szén -dioxidot a fotoszintézis során rögzíti a fitoplankton, amely mind oldott szerves anyagokat (DOM) szabadít fel , mind pedig a növényevő zooplankton. Nagyobb zooplankton - mint például a Copepoda , egest székletszemcsék - amely lehet reingested, és mosogató vagy összegyűjtésére más szerves törmelékes a nagyobb, több-gyorsan süllyed aggregátumok. A DOM -ot részben elfogyasztják a baktériumok, és légzik; A fennmaradó tűzálló DOM van advected és belekeverjük a mély tengerben. A mélyvízbe exportált DOM -ot és aggregátumokat elfogyasztják és légzik, így a szerves szén visszatér a DIC óriási mély óceáni tárolójába.
Egyetlen fitoplankton sejt süllyedési sebessége körülbelül egy méter naponta. Tekintettel arra, hogy az óceán átlagos mélysége körülbelül négy kilométer, több mint tíz évbe telhet, amíg ezek a sejtek elérik az óceán fenekét. Azonban ezek a sejtek aggregátumokat képeznek olyan folyamatok révén, mint a koaguláció és a ragadozó ürülékben lévő ürülék. Ezeknek az aggregátumoknak a süllyedési arányai nagyságrendekkel nagyobbak, mint az egyes sejtek, és néhány napon belül befejezik útjukat a mélybe.
A felszíni óceánt elhagyó részecskék körülbelül 1% -a eléri a tengerfenéket, és elfogyasztják, kiszívják vagy az üledékbe temetik. Ezeknek a folyamatoknak a nettó hatása az, hogy eltávolítják a szerves formában lévő szenet a felszínről, és nagyobb mélységben visszavezetik a DIC-be, megtartva a DIC felszíntől mélyig terjedő óceán gradienst. A termohalin keringés évezredes időközönként visszaadja a mélytengeri DIC-t a légkörbe. A szén eltemetve a üledékek lehet subducted a földköpeny és tárolt több millió évvel ezelőtt részeként lassú szénciklus (lásd a következő fejezetet).
Gyors és lassú ciklusok
Létezik gyors és lassú szénciklus. A gyors ciklus a bioszférában működik, a lassú pedig a kőzetekben . A gyors vagy biológiai ciklus éveken belül véget érhet, a szén a légkörből a bioszférába, majd vissza a légkörbe. A lassú vagy geológiai ciklus több millió évig tarthat, míg a szén a földkéregben kőzetek, talaj, óceán és légkör között mozog .
A gyors szénciklus viszonylag rövid távú biogeokémiai folyamatokat foglal magában a környezet és a bioszféra élő szervezetei között (lásd a cikket a cikk elején ). Ez magában foglalja a szén mozgását a légkör, valamint a szárazföldi és tengeri ökoszisztémák, valamint a talajok és a tengerfenék üledékei között. A gyors ciklus magában foglalja a fotoszintézis éves ciklusait és a vegetatív növekedést és bomlást magában foglaló évtizedes ciklusokat. A gyors szénciklus reakciói az emberi tevékenységekre meghatározzák az éghajlatváltozás közvetlen hatásait.
A lassú szénciklus magában a közép- és hosszú távú geokémiai folyamatok tartozó szikla ciklus (lásd a jobb oldali ábra). Az óceán és a légkör közötti csere évszázadokba telhet, a sziklák mállása pedig több millió évig is eltarthat. Az óceánban lévő szén kicsapódik az óceán fenekére, ahol üledékes kőzetet képezhet, és lebukhat a föld köpenyébe . A hegyi építési folyamatok eredményeként ez a geológiai szén visszatér a Föld felszínére. Ott a sziklák mállnak, és a szén a gáztalanítással a légkörbe kerül, a folyók pedig az óceánba. Más geológiai szén visszatér a óceánba a kalciumionok hidrotermális kibocsátása révén. Egy adott évben 10-100 millió tonna szén mozog ezen a lassú cikluson. Ez magában foglalja a vulkánokat is, amelyek szén -dioxid formájában visszajuttatják a földtani szenet közvetlenül a légkörbe. Ez azonban kevesebb, mint egy százaléka a fosszilis tüzelőanyagok égetésével a légkörbe juttatott szén -dioxidnak.
Mély szénciklus
Bár a mély szén-ciklus nem annyira érthető, mint a légkörön, a szárazföldi bioszférán, az óceánon és a geoszférán keresztül történő szénmozgás, ez mégis fontos folyamat. A mély szénciklus szorosan kapcsolódik a szén mozgásához a Föld felszínén és légkörében. Ha a folyamat nem létezne, a szén a légkörben maradna, ahol hosszú időn keresztül rendkívül magas szintre halmozódna fel. Ezért azáltal, hogy lehetővé teszi a szén visszatérését a Földre, a mély szénciklus kritikus szerepet játszik az élet létezéséhez szükséges földi feltételek fenntartásában.
Ezenkívül a folyamat jelentős a pusztán a bolygón keresztül szállított hatalmas szénmennyiség miatt is. Valójában a bazaltos magma összetételének tanulmányozása és a vulkánokból származó szén -dioxid -fluxus mérése azt mutatja, hogy a köpenyben lévő szén mennyisége valójában ezerrel nagyobb, mint a Föld felszínén. A mélyföldi szén-dioxid-folyamatok lefúrása és fizikai megfigyelése nyilvánvalóan rendkívül nehéz, mivel az alsó köpeny és a mag 660-ról 2891 km-re, illetve 2891-6371 km-re terjed ki a Földbe. Ennek megfelelően nem sokat lehet tudni a szén mély Földön betöltött szerepéről. Mindazonáltal számos bizonyíték - amelyek közül sok a mély földi állapotok laboratóriumi szimulációiból származik - jelezte az elemnek az alsó köpenybe való mozgásának mechanizmusait, valamint azokat a formákat, amelyeket a szén az említett réteg szélsőséges hőmérsékletein és nyomásain vesz fel. Továbbá az olyan technikák, mint a szeizmológia , jobban megértették a szén potenciális jelenlétét a Föld magjában.
Szén az alsó köpenyben
A szén elsősorban karbonátban gazdag üledékek formájában kerül a köpenybe az óceáni kéreg tektonikus lemezein , amelyek a szubdukció során a szenet a köpenybe húzzák . A köpenyben lévő szén -keringésről nem sokat tudunk, különösen a mély Földön, de számos tanulmány megkísérelte bővíteni az elemek régión belüli mozgásának és formáinak megértését. Például egy 2011 -es tanulmány kimutatta, hogy a szén -ciklus egészen az alsó köpenyig terjed . A tanulmány elemezte ritka, szuper-mély gyémánt egy helyen arra Juina, Brazíliában , meghatározzuk, hogy a ömlesztett kiszerelésű készítmény néhány gyémántok zárványok illeszkedik a várt eredményt bazalt olvadási és crytallisation alatti alsó köpeny hőmérsékleten és nyomáson. Így a vizsgálat megállapításai azt mutatják, hogy a bazaltos óceáni litoszféra darabjai a szén elsődleges szállító mechanizmusaként működnek a Föld mély belsejébe. Ezek a szubdukált karbonátok kölcsönhatásba léphetnek az alsó köpenyes szilikátokkal , és végül olyan szuper mély gyémántokat képezhetnek , mint a talált.
Az alsó köpenyre ereszkedő karbonátok azonban más sorsokkal is találkoznak a gyémántok képződése mellett. 2011 -ben a karbonátokat olyan környezetnek tették ki, mint 1800 km mélyen a Föld, jóval az alsó köpenyen belül. Ellenkező eredményezte formációk magnezit , sziderit , és számos fajta grafit . Más kísérletek - valamint a kőzettani megfigyelések - alátámasztják ezt az állítást, jelezve, hogy a magnezit valójában a legstabilabb karbonátos fázis a köpeny nagy részében. Ez nagyrészt a magasabb olvadási hőmérsékletének köszönhető. Következésképpen a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy a karbonátok redukción mennek keresztül , amikor leereszkednek a köpenybe, mielőtt mélyen stabilizálódnának az alacsony oxigén -fugacitású környezetben. A magnézium, a vas és más fémvegyületek pufferként működnek az egész folyamat során. A redukált, elemi szénformák, például a grafit jelenléte azt jelzi, hogy a szénvegyületek redukálódnak, amikor leereszkednek a köpenybe.
A polimorfizmus megváltoztatja a karbonátvegyületek stabilitását a Föld különböző mélységeiben. Szemléltetésképpen a laboratóriumi szimulációk és a sűrűségfüggvényelméleti számítások azt sugallják, hogy a tetraéderes koordinált karbonátok a legstabilabbak a mag -köpeny határához közeli mélységekben . Egy 2015 -ös tanulmány azt mutatja, hogy az alsó köpeny magas nyomása miatt a szénkötések az sp 2 -ből az sp 3 hibridizált pályákra váltanak át , ami szén -tetraéderes kötést eredményez az oxigénhez. A CO 3 trigonális csoportok nem képezhetnek polimerizálható hálózatokat, míg a tetraéderes CO 4 képződhet , ami a szén koordinációs számának növekedését , és ezáltal a karbonátvegyületek tulajdonságainak drasztikus változását jelzi az alsó köpenyben. Például az előzetes elméleti tanulmányok azt sugallják, hogy a magas nyomás hatására a karbonátolvadék viszkozitása nő; az olvadék alacsonyabb mobilitása a megnövekedett viszkozitás következtében nagy szénlerakódásokat okoz a köpeny mélyén.
Ennek megfelelően a szén hosszú ideig az alsó köpenyben maradhat, de a nagy szénkoncentrációk gyakran visszatalálnak a litoszférába. Ez a folyamat, amelyet szén -dioxid -kibocsátásnak neveznek, annak eredménye, hogy a szénsavas köpeny dekompressziós olvadáson megy keresztül, valamint a köpenycsóváknak, amelyek szénvegyületeket visznek fel a kéreg felé. A szén a vulkáni gócpontok felé emelkedve oxidálódik, ahol CO 2 -ként szabadul fel . Ez úgy történik, hogy a szénatom illeszkedik az ilyen területeken kitörő bazaltok oxidációs állapotához.
Szén a magban
Bár a szén jelenléte a Föld magjában jól korlátozott, a legújabb tanulmányok azt mutatják, hogy ebben a régióban nagy mennyiségű szén tárolható. Shear (S) hullámok halad át a belső mag utazási körülbelül ötven százaléka a sebesség várható a legtöbb vasban gazdag ötvözetek. Mivel a mag összetételéről úgy gondolják, hogy kristályos vas és kis mennyiségű nikkel ötvözete, ez a szeizmikus anomália jelzi a könnyű elemek, köztük a szén jelenlétét a magban. Valójában a gyémánt üllősejtekkel végzett vizsgálatok a Föld magjában lévő körülmények megismétlésére azt mutatják, hogy a vas -karbid (Fe 7 C 3 ) megfelel a belső mag hullámsebességének és sűrűségének. Ezért a vaskarbid modell bizonyítékul szolgálhat arra, hogy a mag a Föld szén -dioxidjának 67% -át birtokolja. Továbbá egy másik tanulmány megállapította, hogy a Föld belső magjának nyomás- és hőmérsékleti viszonyai között a szén vasban feloldódott, és stabil fázist képezett ugyanazzal a Fe 7 C 3 összetétellel - igaz, az előzőektől eltérő szerkezettel. Összefoglalva: bár a Föld magjában potenciálisan tárolt szén mennyisége nem ismert, a legújabb tanulmányok azt mutatják, hogy a vaskarbidok jelenléte megmagyarázhat néhány geofizikai megfigyelést.
Emberi hatás a szénciklusra
Az ipari forradalom óta, és különösen a második világháború vége óta, az emberi tevékenység jelentősen megzavarta a globális szén -dioxid -ciklust azáltal, hogy hatalmas mennyiségű széndioxidot osztott el a geoszférából. Az emberek a növényzet és az egyéb földhasználat megváltozásával továbbra is áthelyezték a szárazföldi bioszféra természetes összetevőinek funkcióit. Olyan mesterséges (szintetikus) szénvegyületeket terveztek és gyártottak, amelyek évtizedek-évezredekig maradnak fenn levegőben, vízben és üledékekben szennyező anyagként. Az éghajlatváltozás felerősíti és további közvetett emberi változásokat kényszerít a szénciklusra, különféle pozitív és negatív visszajelzések következtében .
Változások a földhasználatban
A mezőgazdaság feltalálása óta az emberek közvetlenül és fokozatosan befolyásolták a szén-dioxid-ciklust évszázadok során, módosítva a szárazföldi bioszféra növényzetének keverékét. Az elmúlt évszázadok során az emberek által okozott közvetlen és közvetett földhasználat és a talajtakaró változása (LUCC) a biológiai sokféleség csökkenéséhez vezetett , ami csökkenti az ökoszisztémák ellenálló képességét a környezeti hatásokkal szemben, és csökkenti azok képességét a szén eltávolítására a légkörből. Közvetlenebbül ez gyakran a szén kibocsátásához vezet a szárazföldi ökoszisztémákból a légkörbe.
A mezőgazdasági célú erdőirtás eltávolítja az erdőket, amelyek nagy mennyiségű szén -dioxidot tartalmaznak, és felváltja őket, általában mezőgazdasági vagy városi területekre. Mindkét helyettesítő talajtakaró típus viszonylag kis mennyiségű szenet tárol, így az átállás nettó eredménye az, hogy több szén marad a légkörben. Az atmoszférára és a teljes szénciklusra gyakorolt hatások azonban szándékosan és/vagy természetesen visszafordíthatók az újratelepítéssel .
Fosszilis szén kitermelés
A legnagyobb és az egyik leggyorsabban növekvő emberi hatás a szén -körforgásra és a bioszférára a fosszilis tüzelőanyagok kitermelése és elégetése , amelyek közvetlenül a geoszférából szállítják a légkört. A szén-dioxid is keletkezik, és megjelent a kalcinálása a mészkő a klinker előállítására. A klinker a cement ipari előanyaga .
2020 -ig összesen mintegy 450 gigatonna fosszilis szenet vontak ki; megközelíti a Föld összes élő szárazföldi biomasszájában található szenet. A közelmúltban a globális kibocsátás közvetlenül a légkörbe meghaladta a növényzet és az óceánok felvételét. Ezek a mosogatók várhatóan egy évszázadon belül eltávolítják a hozzáadott légköri szén körülbelül felét. Mindazonáltal az óceánhoz hasonló mosogatók fejlődő telítettségi tulajdonságokkal rendelkeznek , és a hozzáadott szén jelentős része (20-35%, összekapcsolt modellek alapján ) előrejelzések szerint évszázadok és évezredek között marad a légkörben. A légköri üvegházhatást okozó gázokat növelő fosszilis szén-dioxid-kitermelést az IPCC, a légköri és óceáni tudósok így a társadalom hosszú távú elkötelezettségeként írják le a változó éghajlatú és végső soron melegebb világban való élet iránt.
Mesterséges vegyi anyagok
Kisebb mennyiségű, mesterségesen előállított , fosszilis szenet tartalmazó petrolkémiai anyag váratlan és túlméretezett hatással lehet a biológiai szénciklusra. Ez részben azért következik be, mert az embereket szándékosan, lassú bomlás céljából hozták létre , ami lehetővé teszi természetellenes kitartásukat és felhalmozódásukat az egész bioszférában. Sok esetben a szélesebb széncikluson keresztül vezető útjaik még nem jól jellemezhetők vagy érthetők.
Műanyag
2018 -ban közel 400 millió tonna műanyagot gyártottak világszerte, az éves növekedési ütem megközelítette a 10%-ot, és 1950 óta összesen több mint 6 gigatonnát állítottak elő. lég- és vízáramok által. Az állatok lenyeléssel és belélegzéssel könnyen beépítik a mikroműanyagokat és a nanoműanyagokat, ami a bioakkumuláció kockázatával jár . A hulladéklerakókba helyezett, biológiailag lebomló műanyagok metánt és szén -dioxidot termelnek, amelyek behatolás nélkül keringenek a légkörben. A tudományos bizonyítékok nagy áttekintése 2019 -ben nem mutatott ki jelentős következményeket az emberi társadalomra a jelenlegi szinten, de előre látja, hogy a következő évszázadban jelentős kockázatok merülnek fel. Egy 2019 -es tanulmány kimutatta, hogy a műanyagok napfény hatására történő lebomlása szén -dioxidot és más üvegházhatású gázokat szabadít fel. A természetesebb és gyorsabb szénciklusú bioműanyagokat más kőolaj alapú egyszer használatos műanyagok alternatívájaként fejlesztették ki .
Szénhidrogének
A halogén -szénhidrogének kevésbé termékeny vegyületek, amelyeket az ipar különböző területein fejlesztettek ki; például oldószerként és hűtőközegként . Mindazonáltal a klór - fluor- szénhidrogén , a hidrofluor-szénhidrogén és a perfluor- szénhidrogén viszonylag kis koncentrációjának (ezermilliomodrészenként) felhalmozódása a légkörben az összes hosszú élettartamú üvegházhatást okozó gáz közvetlen sugárzási kényszerének körülbelül 10% -áért felelős (2019. amely magában foglalja a szén -dioxid és a metán sokkal nagyobb koncentrációjából való kényszerítést. A klór -fluorozott szénhidrogének szintén sztratoszférikus ózonréteg -csökkenést okoznak . A Montreali Jegyzőkönyv és a Kiotói Jegyzőkönyv értelmében nemzetközi erőfeszítések zajlanak e környezeti hatású gázok ipari termelésének és felhasználásának gyors növekedésének ellenőrzésére. Egyes alkalmazásokhoz jóindulatúbb alternatívákat, például hidrofluor -olefineket fejlesztettek ki, és fokozatosan vezetik be őket.
Visszajelzések az éghajlatváltozásról
Az éghajlatváltozás jelenlegi tendenciái az óceánok magasabb hőmérsékletéhez és savasságához vezetnek , ezáltal módosítva a tengeri ökoszisztémákat. Emellett a savas eső és a mezőgazdaságból és az iparból származó szennyezett lefolyás megváltoztatja az óceán kémiai összetételét. Az ilyen változások drámai hatást gyakorolhatnak a rendkívül érzékeny ökoszisztémákra, például a korallzátonyokra , ezáltal korlátozva az óceán azon képességét, hogy regionális léptékben felvegye a szenet a légkörből, és csökkenti az óceáni biológiai sokféleséget világszerte.
A széncsere a légkör és a Föld rendszer más alkotóelemei között, más néven szén -ciklus, jelenleg fontos negatív (csillapító) visszacsatolást jelent az antropogén szén -dioxid -kibocsátás éghajlatváltozásra gyakorolt hatására. A szárazföldben és az óceánban található szén-dioxid-elnyelő egyének jelenleg évente körülbelül az egynegyedét teszik ki az antropogén szén-dioxid-kibocsátásnak.
Ezek a visszajelzések a jövőben várhatóan gyengülni fognak, és felerősítik az antropogén szén -dioxid -kibocsátás éghajlatváltozásra gyakorolt hatását. A gyengülésük mértéke azonban nagyon bizonytalan, mivel a Föld -rendszer modelljei a szárazföld és az óceán szén -dioxid -felvételének széles skáláját jósolják, még azonos légköri koncentráció vagy kibocsátási forgatókönyvek esetén is. Az antropogén globális felmelegedés közvetetten okozott sarkvidéki metán kibocsátásai szintén befolyásolják a szén -dioxid -ciklust, és hozzájárulnak a további felmelegedéshez.
Képtár
Epifiták az elektromos vezetékeken. Ez a fajta növény mind CO -t vesz fel
2 és vizet a légkörből az élethez és a növekedéshez.CO
2a Föld légkörében, ha a globális felmelegedés kibocsátásának felét nem szívják fel.
( NASA számítógépes szimuláció ).
Lásd még
- Biogeokémiai ciklus - Az anyagok körforgása a Föld biotikus és abiotikus részein keresztül
- Éghajlatváltozás mérséklése - Intézkedések az éghajlatváltozás mértékének és az emberi tevékenységekre gyakorolt hatásának korlátozására
- Szén -dioxid a Föld légkörében - Légköri összetevő; üvegházhatású gázok
- Szénlábnyom - Környezeti hatás
- Szénmegkötés -A légköri szén-dioxid megkötése és hosszú távú tárolása
- Karbonát-szilikát ciklus -A szilikát kőzetek hosszú távú átalakulása karbonátos kőzetté időjárás és ülepedés útján, valamint a karbonátos kőzetek átalakítása szilikát kőzetté metamorfizmus és vulkanizmus által
- Az óceán savasodása
- Permafrost szénciklus
- Bolygóhatárok - A Föld rendszerfolyamatait magában foglaló koncepció
Hivatkozások
További irodalom
- Appenzeller, Tim (2004. február). "A hiányzó szén ügye" . National Geographic Magazin . (Cikk a hiányzó szénelnyelőről.)
- Houghton, RA (2005). "A korabeli szénciklus". In William H Schlesinger (szerk.). Biogeokémia . Amszterdam: Elsevier Science. pp. 473 -513. ISBN 978-0-08-044642-4.
- Janzen, HH (2004). "Szén -ciklus a földrendszerekben - talajtani perspektíva". Mezőgazdaság, ökoszisztémák és környezet . 104 (3): 399–417. CiteSeerX 10.1.1.466.622 . doi : 10.1016/j.agee.2004.01.040 .
- Millero, Frank J. (2005). Kémiai óceánográfia (3 szerk.). CRC Press. ISBN 978-0-8493-2280-8.
Külső linkek
- Carbon Cycle Science Program - ügynökségek közötti partnerség.
- A NOAA Carbon Cycle Greenhouse Gases csoportja
- Global Carbon Project - a Earth System Science Partnership kezdeményezése
- UNEP - A jelenlegi szénciklus - Az éghajlatváltozás szén -dioxid -szintje és -áramlása
- A NASA Orbiting Carbon Observatory archivált 2018. szeptember 9 -én a Wayback Machine -ben
- A CarboSchools , egy európai weboldal, amely számos forrással foglalkozik a szén -dioxid -ciklus tanulmányozásával a középiskolákban.
- Carbon and Climate , oktatási weboldal szénciklus kisalkalmazással saját vetületének modellezésére.