Геохимический цикл углерода: различия между версиями

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Интерактивная навигация по истории
[отпатрулированная версия][отпатрулированная версия]
← Предыдущая правка
Содержимое удалено Содержимое добавлено
ВизуальныйВики-текст
 
(не показано 36 промежуточных версий 21 участника)
Строка 1: Строка 1:
[[Файл:Carbon cycle-cute diagram.svg|thumb|right|Схема геохимического цикла углерода показывает количество углерода в атмосфере, гидросфере и геосфере Земли, а также годовой перенос углерода между ними. Все величины в гигатоннах (миллиардах тонн). В результате сжигания ископаемого топлива, человечество ежегодно добавляет 5,5 гигатонн углерода в атмосферу]]
[[Файл:Круговорот углерода.svg|thumb|400px|справа|Схема геохимического цикла углерода показывает количество углерода в атмосфере, гидросфере и геосфере Земли, а также годовой перенос углерода между ними. Все величины в гигатоннах (миллиардах тонн). В результате сжигания ископаемого топлива человечество ежегодно добавляет 5,5 гигатонн углерода в атмосферу]]
{{Нет сносок}}
{{Нет сносок|дата=2016-12-21}}
'''Геохимический цикл углерода''' — это комплекс процессов, в ходе которых происходит перенос [[углерод]]а между различными [[Геохимический резервуар|геохимическими резервуарами]]. В истории [[Земля|Земли]] углеродный цикл менялся весьма значительно, эти изменения были как и медленными постепенными изменениями, так и резкими катастрофическими событиями. Важнейшую роль в круговороте углерода играли и играют живые [[организм]]ы. В различных формах углерод присутствует во всех [[Географическая оболочка|оболочках Земли]].
'''Геохимический цикл углерода''' — комплекс процессов, в ходе которых происходит перенос [[углерод]]а между различными [[Геохимический резервуар|геохимическими резервуарами]]. В истории [[Земля|Земли]] углеродный цикл менялся весьма значительно, эти изменения были как и медленными постепенными изменениями, так и резкими катастрофическими событиями. Важнейшую роль в круговороте углерода играли и играют живые [[организм]]ы. В различных формах углерод присутствует во всех [[Географическая оболочка|оболочках Земли]].


[[Геохимический цикл]] углерода имеет несколько важных особенностей:
[[Геохимический цикл]] углерода имеет несколько важных особенностей:
Строка 10: Строка 10:
Геохимическая запись углеродного цикла изучена неравномерно по геологической шкале времён. Наиболее полно в этом отношении изучен [[четвертичный период]], самый недавний и кратчайший геологический период, так как, с одной стороны, история углеродного цикла в нём наиболее полно зафиксирована [[ледник]]ами [[Арктика|Арктики]] и [[Антарктика|Антарктики]]. С другой стороны, в это время происходили значительные изменения углеродного цикла, и они неразрывно связаны с [[Изменение климата|климатическими изменениями]].
Геохимическая запись углеродного цикла изучена неравномерно по геологической шкале времён. Наиболее полно в этом отношении изучен [[четвертичный период]], самый недавний и кратчайший геологический период, так как, с одной стороны, история углеродного цикла в нём наиболее полно зафиксирована [[ледник]]ами [[Арктика|Арктики]] и [[Антарктика|Антарктики]]. С другой стороны, в это время происходили значительные изменения углеродного цикла, и они неразрывно связаны с [[Изменение климата|климатическими изменениями]].


При изучении изменений в геохимических циклах элементов необходимо учитывать временной масштаб явлений. Одни процессы могут привносить малозаметные изменения, которые на длительных геологических промежутках времени становятся решающими. Иные изменения могут носить катастрофический характер, и происходить за очень короткие времена. При этом понятие времени характеристики «долго» и «медленно» в этом контексте относительны. Примером мгновенного в геологической шкале времени события в геохимическом цикле углерода является [[позднепалеоценовый термальный максимум]].
При изучении изменений в геохимических циклах элементов необходимо учитывать временной масштаб явлений. Одни процессы могут привносить малозаметные изменения, которые на длительных геологических промежутках времени становятся решающими. Иные изменения могут носить катастрофический характер, и происходить за очень короткие времена. При этом понятие времени характеристики «долго» и «медленно» в этом контексте относительны. Примером «мгновенного» в геологической шкале времени события в геохимическом цикле углерода является [[позднепалеоценовый термальный максимум]], продолжавшийся около 200 тысяч лет.


== Формы углерода ==
== Формы углерода ==
Строка 28: Строка 28:
Метан поступает в атмосферу в результате анаэробного разложения растительных остатков. Основными источниками поступления метана в современную атмосферу являются болота и тропические леса.
Метан поступает в атмосферу в результате анаэробного разложения растительных остатков. Основными источниками поступления метана в современную атмосферу являются болота и тропические леса.


Современная атмосфера содержит большое количество [[кислород]]а, и метан в ней быстро окисляется. Таким образом, сейчас доминирующим циклом является кругооборот CO<sub>2</sub>, однако в ранней истории Земли ситуация была принципиально иной и метановый цикл доминировал, а углекислотный имел подчинённое значение. Углекислый газ атмосферы является источником углерода для других приповерхностных геосфер.
Современная атмосфера содержит большое количество [[кислород]]а, и метан в ней быстро окисляется. Таким образом, сейчас доминирующим циклом является кругооборот CO<sub>2</sub>, однако в ранней истории Земли ситуация была принципиально иной и {{нп5|Метан в атмосфере Земли|метановый||Atmospheric methane}} цикл доминировал, а [[Углекислый газ в атмосфере Земли|углекислотный]] имел подчинённое значение. Углекислый газ атмосферы является источником углерода для других приповерхностных геосфер.


=== Углерод в океане ===
=== Углерод в океане ===
Океан является исключительно важным резервуаром углерода. Общее количество элемента в нём в 100 раз больше чем содержится в атмосфере. Океан через поверхность может обмениваться углекислым газом с атмосферой посредством осаждения и растворения карбонатов с осадочным чехлом Земли. Растворенный в океане углерод существует в трех основных формах:
Океан является исключительно важным резервуаром углерода. Общее количество элемента в нём в 100 раз больше чем содержится в атмосфере. Океан через поверхность может обмениваться углекислым газом с атмосферой, а также, посредством осаждения и растворения карбонатов, с осадочным чехлом Земли. Растворенный в океане углерод существует в трех основных формах:


* неорганический углерод
* неорганический углерод
** растворённый CO<sub>2</sub>
** растворённый CO<sub>2</sub>
** HCO<sub>3</sub><sup>−</sup>
** HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>
** CO<sub>3</sub><sup>2−</sup>
** CO<sub>3</sub><sup>2-</sup>
* органический углерод, сосредоточенный в океанических организмах
* органический углерод, сосредоточенный в океанических организмах


Строка 52: Строка 52:
Метан не стабилен в современной окислительной атмосфере, в верхних слоях атмосферы при участии [[гидроксил]]-ионов он реагирует с кислородом, образуя всё тот же углекислый газ и воду. Основными производителями метана являются [[анаэробные бактерии]], перерабатывающие образовавшуюся в результате [[фотосинтез]]а органику. Большая часть метана поступает в атмосферу из болот.
Метан не стабилен в современной окислительной атмосфере, в верхних слоях атмосферы при участии [[гидроксил]]-ионов он реагирует с кислородом, образуя всё тот же углекислый газ и воду. Основными производителями метана являются [[анаэробные бактерии]], перерабатывающие образовавшуюся в результате [[фотосинтез]]а органику. Большая часть метана поступает в атмосферу из болот.


Для газов атмосферы введено понятие времени жизни, это то время, за которое в атмосферу поступает масса газа равная массе этого газа в атмосфере. Для СО<sub>2</sub> время жизни оценивается в 5 лет. Как это ни странно, но время жизни неустойчивого в атмосфере метана значительно больше — порядка 15 лет. Дело в том, что атмосферный углекислый газ участвует в исключительно активном кругообороте с наземной биосферой и мировым океаном, в то время как метан в атмосфере только разлагается.
Для газов атмосферы введено понятие времени жизни, это то время, за которое в атмосферу поступает масса газа, равная массе этого газа в атмосфере. Для СО<sub>2</sub> время жизни оценивается в 5 лет. Как это ни странно, но время жизни неустойчивого в атмосфере метана значительно больше — порядка 15 лет. Дело в том, что атмосферный углекислый газ участвует в исключительно активном кругообороте с наземной биосферой и мировым океаном, в то время как метан в атмосфере только разлагается.


{| class="standard"
{| class="standard"
|+ Представительные оценки количества углерода в различных геологических резервуарах для доиндустриальной эпохи (до 1750 года)<ref name=GlobalCarbonCycle>{{Cite journal |last1=Falkowski |first1=P. |last2=Scholes |first2=R. J. |last3=Boyle |first3=E. |last4=Canadell |first4=J. |last5=Canfield |first5=D. |last6=Elser |first6=J. |last7=Gruber |first7=N. |last8=Hibbard |first8=K. |last9=Högberg |first9=P. | last10 = Linder | first10 = S. |last11=MacKenzie |first11=F. T. |last12=Moore b |first12=3. |last13=Pedersen |first13=T. |last14=Rosenthal |first14=Y. |last15=Seitzinger |first15=S. |last16=Smetacek |first16=V. |last17=Steffen |first17=W. |title=The Global Carbon Cycle: A Test of Our Knowledge of Earth as a System |doi=10.1126/science.290.5490.291 |journal=Science |volume=290 |issue=5490 |pages=291–296 |year=2000 |pmid=11030643 |pmc= |bibcode=2000Sci...290..291F}}</ref>.
|+ Приблизительные оценки количества углерода в различных геологических резервуарах<ref name=GlobalCarbonCycle>[https://science.sciencemag.org/highwire/markup/520818/expansion?width=1000&height=500&iframe=true&postprocessors=highwire_figures%2Chighwire_math%2Chighwire_embed Table 1]{{Недоступная ссылка}}{{статья |заглавие=The Global Carbon Cycle: A Test of Our Knowledge of Earth as a System |doi=10.1126/science.290.5490.291 |издание=Science |том=290 |номер=5490 |страницы=291—296 |pmid=11030643 |bibcode=2000Sci...290..291F |язык=en |тип=journal |автор=Falkowski, P.; Scholes, R. J.; Boyle, E.; Canadell, J.; Canfield, D.; Elser, J.; Gruber, N.; Hibbard, K.; Högberg, P.; Linder, S.; MacKenzie, F. T.; Moore b, 3.; Pedersen, T.; Rosenthal, Y.; Seitzinger, S.; Smetacek, V.; Steffen, W. |год=2000}}</ref>
!Резервуар || количество углерода в [[гигатонна]]х С
!Резервуар || количество углерода в [[гигатонна]]х С
|-
|-
|Атмосфера || 590
|[[Атмосфера Земли|атмосфера]] || 590
|-
|-
|[[Океан]] || (3,71—3,9){{e|4}}
|[[океан]] || (3,71—3,9){{e|4}}
|-
|-
| поверхностный слой, неорганический углерод || 700—900
|поверхностный слой, неорганический углерод || 700—900
|-
|-
| глубокие воды, неорганический углерод || 35 600—38 000
|глубокие воды, неорганический углерод || 35 600—38 000
|-
|-
| весь биологический углерод океанов || 685—700
|весь биологический углерод океанов || 685—700
|-
|-
|Пресноводная [[биота]] || 1—3
|пресноводная [[биота]] || 1—3
|-
|-
|наземная биота и [[почва]] || 2000—2300
|наземная биота и [[почва]] || 2000—2300
|-
|-
| [[растения]] || 500—600
|[[растения]] || 500—600
|-
|-
| [[Почва|почвы]]||1500—1700
|[[Почва|почвы]]||1500—1700
|-
|-
|Морские осадки, способные к <br /> обмену углеродом с океанической водой || 3000
|морские осадки, способные к <br /> обмену углеродом с океанической водой || 3000
|-
|-
| неорганические, главным образом [[Карбонаты|карбонатные]] осадки || 2500
|неорганические, главным образом [[Карбонаты|карбонатные]] осадки || 2500
|-
|-
| органические осадки || 650
|органические осадки || 650
|-
|-
|[[Земная кора|Кора]] || (7,78—9,0){{e|7}}
|[[Земная кора|кора]] || (7,78—9,0){{e|7}}
|-
|-
| осадочные карбонаты || 6,53{{e|7}}
|осадочные карбонаты || 6,53{{e|7}}
|-
|-
| органический углерод || 1,25{{e|7}}
|органический углерод || 1,25{{e|7}}
|-
|-
|[[Мантия Земли|Мантия]] || 3,24{{e|8}}
|[[Мантия Земли|мантия]] || 3,24{{e|8}}
|-
|-
|[[Ископаемое топливо|ископаемого топлива]] || {{нет АИ 2|4,13{{e|3}}|30|01|2016}}
|[[ископаемое топливо]] || 2|~4130
|-
|-
|[[Нефть]] || 636—842
|[[нефть]] || 636—842
|-
|-
|[[Природный газ]] || 483—564
|[[природный газ]] || 483—564
|-
|-
|[[Ископаемый уголь|Уголь]] || {{нет АИ 2|(3,10—4,27){{e|3}}|30|01|2016}}
|[[Ископаемый уголь|уголь]] || 3100—4270
|}
|}


== Потоки углерода между резервуарами ==
== Потоки углерода между резервуарами ==
Различают быстрый и медленный углеродный цикл. Медленный поток углеродного цикла связан с захоронением [[углерод]]а в [[горная порода|горных породах]] и может продолжаться сотни миллионов лет.<ref>[http://earthobservatory.nasa.gov/Features/CarbonCycle/page2.php The Carbon Cycle : Feature Articles<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref>
Различают быстрый и медленный углеродный цикл. Медленный поток углеродного цикла связан с захоронением [[углерод]]а в [[горная порода|горных породах]] и может продолжаться сотни миллионов лет. Около 80% углеродосодержащих горных пород образовались в Мировом океане из отложений частей организмов, содержащих карбонат кальция.<ref>{{Cite web |url=http://earthobservatory.nasa.gov/Features/CarbonCycle/page2.php |title=The Carbon Cycle : Feature Articles<!-- Заголовок добавлен ботом --> |access-date=2012-12-17 |archive-date=2012-06-16 |archive-url=https://web.archive.org/web/20120616151904/http://earthobservatory.nasa.gov/Features/CarbonCycle/page2.php |deadlink=no }}</ref>
{| class="standard"
{| class="standard"
|+ потоки между резервуарами
|+ потоки между резервуарами
Строка 107: Строка 107:
|-
|-
| захоронение карбонатов
| захоронение карбонатов
| 0,13-0,38 (0,7-1,4<ref>[http://elementy.ru/novosti_nauki/430988/Morskie_ryby_vnosyat_zametnyy_vklad_v_obrazovanie_karbonatov Элементы - новости науки: Морские рыбы вносят заметный вклад в образование карбонатов<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref>)
| 0,13-0,38 (0,7-1,4<ref>{{Cite web |url=http://elementy.ru/novosti_nauki/430988/Morskie_ryby_vnosyat_zametnyy_vklad_v_obrazovanie_karbonatov |title=Элементы - новости науки: Морские рыбы вносят заметный вклад в образование карбонатов<!-- Заголовок добавлен ботом --> |access-date=2016-12-13 |archive-date=2016-12-09 |archive-url=https://web.archive.org/web/20161209092054/http://elementy.ru/novosti_nauki/430988/Morskie_ryby_vnosyat_zametnyy_vklad_v_obrazovanie_karbonatov |deadlink=no }}</ref>)
|-
|-
| захоронение органического углерода
| захоронение органического углерода
Строка 130: Строка 130:
| 0,022-0,07
| 0,022-0,07
|}
|}
Продолжительность быстрого углеродного цикла определяется [[Продолжительность жизни растений и животных|продолжительностью жизни]] [[организм]]а. Он представляет собой обмен углеродом непосредственно между [[биосфера|биосферой]] (живыми организмами при дыхании, питании и выделениях, а также мёртвыми организмами при разложении) и атмосферой и гидросферой.<ref>[http://earthobservatory.nasa.gov/Features/CarbonCycle/page3.php The Carbon Cycle : Feature Articles<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref>
Продолжительность быстрого углеродного цикла определяется [[Продолжительность жизни растений и животных|продолжительностью жизни]] [[организм]]а. Он представляет собой обмен углеродом непосредственно между [[биосфера|биосферой]] (живыми организмами при дыхании, питании и выделениях, а также мёртвыми организмами при разложении) и атмосферой и гидросферой.<ref>{{Cite web |url=http://earthobservatory.nasa.gov/Features/CarbonCycle/page3.php |title=The Carbon Cycle : Feature Articles<!-- Заголовок добавлен ботом --> |access-date=2012-12-17 |archive-date=2012-12-30 |archive-url=https://www.webcitation.org/6DID8htRz?url=http://earthobservatory.nasa.gov/Features/CarbonCycle/page3.php |deadlink=no }}</ref>
{| class="standard"
{| class="standard"
|+ потоки между резервуарами<ref>[http://earthobservatory.nasa.gov/Features/CarbonCycle/page1.php The Carbon Cycle : Feature Articles]</ref>
|+ потоки между резервуарами<ref>{{Cite web |url=http://earthobservatory.nasa.gov/Features/CarbonCycle/page1.php |title=The Carbon Cycle : Feature Articles |access-date=2012-12-17 |archive-date=2012-07-18 |archive-url=https://web.archive.org/web/20120718114403/http://earthobservatory.nasa.gov/Features/CarbonCycle/page1.php |deadlink=no }}</ref>
| Потоки быстрого цикла
| Потоки быстрого цикла
| гигатонн в год
| гигатонн в год
Строка 169: Строка 169:
В [[Фанерозой|фанерозое]] атмосфера содержала значительное количество кислорода и имела окислительный характер. Преобладающим был углекислотный цикл кругооборота углерода.
В [[Фанерозой|фанерозое]] атмосфера содержала значительное количество кислорода и имела окислительный характер. Преобладающим был углекислотный цикл кругооборота углерода.


Прямые данные о до четвертичных концентрациях углерода в атмосфере и океане отсутствуют. Историю углеродного цикла в это время можно проследить по изотопному составу углерода в осадочных породах и их относительной распространённости. Из этих данных следует, что в фанерозое углеродный цикл испытывал долгопериодические изменения, которые коррелирут с эпохами [[горообразование|горообразования]]. Во время активации тектонических движений отложение карбонатных пород усиливается и его изотопный состав становится более тяжёлым, что соответствует увеличению сноса углерода из корового источника, содержащего в основном утяжелённый углерод. Поэтому считается, что основные изменения углеродного цикла происходили из-за усиления эрозии континентов в результате горообразования.
Прямые данные о дочетвертичных концентрациях углерода в атмосфере и океане отсутствуют. Историю углеродного цикла в это время можно проследить по изотопному составу углерода в осадочных породах и их относительной распространённости. Из этих данных следует, что в фанерозое углеродный цикл испытывал долгопериодические изменения, которые коррелирут с эпохами [[горообразование|горообразования]]. Во время активации тектонических движений отложение карбонатных пород усиливается и его изотопный состав становится более тяжёлым, что соответствует увеличению сноса углерода из корового источника, содержащего в основном утяжелённый углерод. Поэтому считается, что основные изменения углеродного цикла происходили из-за усиления эрозии континентов в результате горообразования.


=== Четвертичный период ===
=== Четвертичный период ===
Строка 193: Строка 193:
Деятельность людей привнесла новые изменения в цикл углерода. С началом индустриальной эры люди стали всё в возрастающем количестве сжигать ископаемое [[топливо]]: уголь, нефть и газ, накопленные за миллионы лет существования Земли. Человечество привнесло значительные изменения в землепользовании: [[Вырубка леса|вырубило леса]], осушило [[болота]], и затопило прежде сухие земли. Но вся история планеты состоит из грандиозных событий, поэтому, говоря об изменении углеродного цикла человеком необходимо соразмерять масштабы и продолжительность этого воздействия с событиями в прошлом.
Деятельность людей привнесла новые изменения в цикл углерода. С началом индустриальной эры люди стали всё в возрастающем количестве сжигать ископаемое [[топливо]]: уголь, нефть и газ, накопленные за миллионы лет существования Земли. Человечество привнесло значительные изменения в землепользовании: [[Вырубка леса|вырубило леса]], осушило [[болота]], и затопило прежде сухие земли. Но вся история планеты состоит из грандиозных событий, поэтому, говоря об изменении углеродного цикла человеком необходимо соразмерять масштабы и продолжительность этого воздействия с событиями в прошлом.


Углекислый газ — самый важный антропогенный парниковый газ, его концентрация в атмосфере значительно превысила её естественный диапазон за последние 650 тысяч лет<ref>http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/syr/ar4_syr_ru.pdf</ref>.
Углекислый газ — самый важный антропогенный парниковый газ, его концентрация в атмосфере значительно превысила её естественный диапазон за последние 650 тысяч лет<ref>{{Cite web |url=http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/syr/ar4_syr_ru.pdf |title=Архивированная копия |accessdate=2013-04-28 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20121030071354/http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/syr/ar4_syr_ru.pdf |archivedate=2012-10-30 |deadlink=yes }}</ref>.


С 1850 года концентрация СО<sub>2</sub> в атмосфере увеличилась на 31 %, а метана на 149 %, что рядом исследователей связывается с антропогенным влиянием, причём по данным [[МГЭИК]] ООН, до трети общих антропогенных выбросов CO<sub>2</sub> являются результатом [[Обезлесение|обезлесения]].<ref name="IPCC deforestation">http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter7.pdf IPCC Fourth Assessment Report, Working Group I Report «The Physical Science Basis», Section 7.3.3.1.5 (p. 527)</ref>
С 1850 года концентрация СО<sub>2</sub> в атмосфере увеличилась на 31 %, а метана на 149 %, что рядом исследователей связывается с антропогенным влиянием, причём по данным [[МГЭИК]] ООН, до трети общих антропогенных выбросов CO<sub>2</sub> являются результатом [[Обезлесение|обезлесения]].<ref name="IPCC deforestation">https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/ar4-wg1-chapter7-1.pdf {{Wayback|url=https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/ar4-wg1-chapter7-1.pdf |date=20190803201518 }} IPCC Fourth Assessment Report, Working Group I Report «The Physical Science Basis», Section 7.3.3.1.5 (p. 527)</ref>


Ряд работ указывает на рост содержания парниковых газов в связи с окончанием малого ледникового периода 16 века, последующим потеплением и высвобождением связанных запасов парниковых газов. При этом за счёт нагрева океана с одной стороны выделяется растворённый СО<sub>2</sub>, а с другой стороны тают и разрушаются клатраты метана, что приводит к его выделению в океан и атмосферу.{{Нет АИ|1|2|2014}}
Ряд работ указывает на рост содержания парниковых газов в связи с окончанием малого ледникового периода 16 века, последующим потеплением и высвобождением связанных запасов парниковых газов. При этом за счёт нагрева океана с одной стороны выделяется растворённый СО<sub>2</sub>, а с другой стороны тают и разрушаются клатраты метана, что приводит к его выделению в океан и атмосферу.{{Нет АИ|1|2|2014}}
Строка 215: Строка 215:
* {{БСЭ3|заглавие=Круговорот веществ|ссылка=http://slovari.yandex.ua/~книги/БСЭ/Круговорот%20веществ/}}
* {{БСЭ3|заглавие=Круговорот веществ|ссылка=http://slovari.yandex.ua/~книги/БСЭ/Круговорот%20веществ/}}
* {{книга|заглавие = Энциклопедия живой природы.|ответственный = Гл. редактор: акад. Чубарьян А. О. |место = М.|издательство = Экслибрис|год = 2006|том = 5|страниц=160|страницы = 10|тираж = }}
* {{книга|заглавие = Энциклопедия живой природы.|ответственный = Гл. редактор: акад. Чубарьян А. О. |место = М.|издательство = Экслибрис|год = 2006|том = 5|страниц=160|страницы = 10|тираж = }}
* {{книга | автор=[[Хейзен, Роберт|Роберт Хейзен]]|заглавие= Симфония №6 Углерод и эволюция почти всего | оригинал=Robert M. Hazen. Symphony in C: Carbon and the Evolution of (Almost) Everything | издательство=Альпина нон-фикшн |год=2021|место = М.|ответственный = Анастасия Науменко |allpages = 410|isbn= 978-5-00139-283-5 |ref= Хейзен}}


== Ссылки ==
== Ссылки ==
* {{Кругосвет|url=https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/TSIKL_UGLERODA.html|title=Цикл углерода|автор=}}
* {{Кругосвет|url=https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/TSIKL_UGLERODA.html|title=Цикл углерода|автор=}}
* {{Cite web|url = http://distant-lessons.ru/krugovorot-ugleroda-v-prirode.html|title = Круговорот углерода в природе|author = |work = |date = |publisher = }}
* {{Cite web|url = http://distant-lessons.ru/krugovorot-ugleroda-v-prirode.html|title = Круговорот углерода в природе|author = |work = |date = |publisher = }}
{{внешние ссылки}}
{{Глобальное потепление}}
{{Глобальное потепление}}


Текущая версия от 08:04, 5 июня 2024

Схема геохимического цикла углерода показывает количество углерода в атмосфере, гидросфере и геосфере Земли, а также годовой перенос углерода между ними. Все величины в гигатоннах (миллиардах тонн). В результате сжигания ископаемого топлива человечество ежегодно добавляет 5,5 гигатонн углерода в атмосферу

Геохимический цикл углерода — комплекс процессов, в ходе которых происходит перенос углерода между различными геохимическими резервуарами. В истории Земли углеродный цикл менялся весьма значительно, эти изменения были как и медленными постепенными изменениями, так и резкими катастрофическими событиями. Важнейшую роль в круговороте углерода играли и играют живые организмы. В различных формах углерод присутствует во всех оболочках Земли.

Геохимический цикл углерода имеет несколько важных особенностей:

  • В разное время разные процессы были определяющими в углеродном цикле.
  • Резкие, катастрофические изменения цикла углерода играли ключевую роль в эволюции углеродного цикла в истории Земли.
  • Геохимический цикл углерода всегда происходит через атмосферу и гидросферу. Тем самым, даже самые глубинные процессы могут влиять на окружающую среду и биосферу.

Геохимическая запись углеродного цикла изучена неравномерно по геологической шкале времён. Наиболее полно в этом отношении изучен четвертичный период, самый недавний и кратчайший геологический период, так как, с одной стороны, история углеродного цикла в нём наиболее полно зафиксирована ледниками Арктики и Антарктики. С другой стороны, в это время происходили значительные изменения углеродного цикла, и они неразрывно связаны с климатическими изменениями.

При изучении изменений в геохимических циклах элементов необходимо учитывать временной масштаб явлений. Одни процессы могут привносить малозаметные изменения, которые на длительных геологических промежутках времени становятся решающими. Иные изменения могут носить катастрофический характер, и происходить за очень короткие времена. При этом понятие времени характеристики «долго» и «медленно» в этом контексте относительны. Примером «мгновенного» в геологической шкале времени события в геохимическом цикле углерода является позднепалеоценовый термальный максимум, продолжавшийся около 200 тысяч лет.

Формы углерода

[править | править код]

Углерод присутствует в природе в нескольких основных формах:

Перенос углерода между различными геохимическими резервуарами осуществляется через атмосферу и мировой океан. При этом углерод в атмосфере находится в виде углекислого газа и метана.

Углерод в атмосфере

[править | править код]

В атмосфере углерод содержится в виде углекислого газа (СО2), угарного газа (СО), метана (СH4) и некоторых других углеводородов[1]. Содержание СО2 сейчас составляет ~0,04 % (увеличилось на 31 %, по сравнению с доиндустриальной эпохой), метана ~1,7 ppm (увеличился на 149 %), на два порядка меньше, чем СО2; содержание СО ~0,1 ppm. Метан и углекислый газ создают парниковый эффект, угарный газ такого влияния не оказывает.

Для атмосферных газов применяется понятие время жизни газа в атмосфере, это время, за которое в атмосферу поступает столько же газа, сколько его содержится в атмосфере. Время жизни метана оценивается в 10-14 лет, а время жизни углекислого газа — в 3-5 лет. СО окисляется до СО2 за несколько месяцев.

Метан поступает в атмосферу в результате анаэробного разложения растительных остатков. Основными источниками поступления метана в современную атмосферу являются болота и тропические леса.

Современная атмосфера содержит большое количество кислорода, и метан в ней быстро окисляется. Таким образом, сейчас доминирующим циклом является кругооборот CO2, однако в ранней истории Земли ситуация была принципиально иной и метановый[англ.] цикл доминировал, а углекислотный имел подчинённое значение. Углекислый газ атмосферы является источником углерода для других приповерхностных геосфер.

Углерод в океане

[править | править код]

Океан является исключительно важным резервуаром углерода. Общее количество элемента в нём в 100 раз больше чем содержится в атмосфере. Океан через поверхность может обмениваться углекислым газом с атмосферой, а также, посредством осаждения и растворения карбонатов, с осадочным чехлом Земли. Растворенный в океане углерод существует в трех основных формах:

  • неорганический углерод
    • растворённый CO2
    • HCO3-
    • CO32-
  • органический углерод, сосредоточенный в океанических организмах

Гидросферу можно разделить на три геохимических резервуара: приповерхностный слой, глубокие воды и слой реактивных морских осадков, способных к обмену углекислотой с водой. Эти резервуары различаются по времени отклика на внешние изменения углеродного цикла.

Углерод в земной коре

[править | править код]

Содержание углерода в земной коре составляет порядка 0,27 %. С началом индустриальной эпохи человечество стало использовать углерод из этого резервуара и переводить его в атмосферу. Ещё академик Вернадский сравнивал этот процесс с мощной геологической силой, подобной эрозии или вулканизму.

Резервуары углерода

[править | править код]

Рассмотрение углеродного цикла имеет смысл начать с оценок количества углерода, сосредоточенного в различных земных резервуарах. При этом мы будем рассматривать состояние системы на 1850 год, до начала индустриальной эры, когда начались массовые выбросы в атмосферу продуктов сжигания ископаемого топлива.

В атмосфере находится немного углерода по сравнению с океаном и земной корой, но углекислый газ атмосферы очень активен, он является строительным материалом для земной биосферы.

Метан не стабилен в современной окислительной атмосфере, в верхних слоях атмосферы при участии гидроксил-ионов он реагирует с кислородом, образуя всё тот же углекислый газ и воду. Основными производителями метана являются анаэробные бактерии, перерабатывающие образовавшуюся в результате фотосинтеза органику. Большая часть метана поступает в атмосферу из болот.

Для газов атмосферы введено понятие времени жизни, это то время, за которое в атмосферу поступает масса газа, равная массе этого газа в атмосфере. Для СО2 время жизни оценивается в 5 лет. Как это ни странно, но время жизни неустойчивого в атмосфере метана значительно больше — порядка 15 лет. Дело в том, что атмосферный углекислый газ участвует в исключительно активном кругообороте с наземной биосферой и мировым океаном, в то время как метан в атмосфере только разлагается.

Приблизительные оценки количества углерода в различных геологических резервуарах[2]
Резервуар количество углерода в гигатоннах С
атмосфера 590
океан (3,71—3,9)⋅104
поверхностный слой, неорганический углерод 700—900
глубокие воды, неорганический углерод 35 600—38 000
весь биологический углерод океанов 685—700
пресноводная биота 1—3
наземная биота и почва 2000—2300
растения 500—600
почвы 1500—1700
морские осадки, способные к
обмену углеродом с океанической водой		 3000
неорганические, главным образом карбонатные осадки 2500
органические осадки 650
кора (7,78—9,0)⋅107
осадочные карбонаты 6,53⋅107
органический углерод 1,25⋅107
мантия 3,24⋅108
ископаемое топливо ~4130
нефть 636—842
природный газ 483—564
уголь 3100—4270

Потоки углерода между резервуарами

[править | править код]

Различают быстрый и медленный углеродный цикл. Медленный поток углеродного цикла связан с захоронением углерода в горных породах и может продолжаться сотни миллионов лет. Около 80% углеродосодержащих горных пород образовались в Мировом океане из отложений частей организмов, содержащих карбонат кальция.[3]

потоки между резервуарами
Потоки медленного цикла гигатонн в год
захоронение карбонатов 0,13-0,38 (0,7-1,4[4])
захоронение органического углерода 0,05-0,13
Речной снос в океаны, растворённый неорганический углерод 0,39-0,44
Речной снос в океаны, весь органический углерод 0,30-0,41
Вынос реками растворённого органического углерода 0,21-0,22
Вынос реками органического углерода в виде частиц 0,17-0,30
Вулканизм 0,04-0,10
вынос из мантии 0,022-0,07

Продолжительность быстрого углеродного цикла определяется продолжительностью жизни организма. Он представляет собой обмен углеродом непосредственно между биосферой (живыми организмами при дыхании, питании и выделениях, а также мёртвыми организмами при разложении) и атмосферой и гидросферой.[5]

потоки между резервуарами[6]
Потоки быстрого цикла гигатонн в год
атмосферный фотосинтез 120+3
дыхание растений 60
дыхание микроорганизмов и разложение 60
антропогенная эмиссия 3
обмен с океаном 90+2

(цифры после знака "+" указывают антропогенное влияние.)

Изменения углеродного цикла

[править | править код]

Докембрийская история

[править | править код]

На самых ранних этапах развития земли атмосфера была восстановительной, и содержание метана и углекислого газа было значительно выше, чем сейчас. Эти газы обладают значительным парниковым эффектом, и этим объясняют Парадокс слабого молодого Солнца, который заключается в расхождении оценок древней светимости солнца, и наличие воды на поверхности планеты.

В протерозое произошло кардинальное изменение углеродного цикла: от круговорота метана — к углекислотному циклу. Фотосинтезирующие бактерии начали производить кислород, который первоначально расходовался на окисление атмосферных углеводородов, железа, растворённого в океанах, и других восстановленных фаз. Когда эти ресурсы были исчерпаны, содержание кислорода в атмосфере стало увеличиваться. При этом содержание парниковых газов в атмосфере уменьшилось и началась протерозойская ледниковая эра.

Протерозойская ледниковая эра, произошедшая на границе протерозоя и венда, была одним из сильнейших оледенений в истории Земли. Палеомагнитные данные свидетельствуют, что в то время большая часть континентальных блоков коры были расположены в экваториальных широтах и почти на всех них установлены следы оледенения. В протерозойской ледниковой эпохе было несколько оледенений, и все они сопровождались значительными изменениями изотопного состава углерода осадочных пород. С началом оледенения углерод отложений приобретает резко облегчённый состав, считается, что причина этого изменения в массовом вымирании морских организмов, которые избирательно поглощали легкий изотоп углерода. В межледниковые периоды происходило обратное изменение изотопного состава из-за бурного развития жизни, которая накапливала значительную часть лёгкого изотопа углерода и увеличивала отношение 13C/12C в морской воде.

В случае протерозойского оледенения предполагается, что причиной отступления ледников (вообще говоря, оледенение устойчиво, и без дополнительных факторов может существовать неограниченно долго) могли быть вулканические эмиссии парниковых газов в атмосферу.

Фанерозой

[править | править код]
Оценки содержания диоксида углерода в атмосфере в фанерозое и расчеты по различным геохимическим моделям

В фанерозое атмосфера содержала значительное количество кислорода и имела окислительный характер. Преобладающим был углекислотный цикл кругооборота углерода.

Прямые данные о дочетвертичных концентрациях углерода в атмосфере и океане отсутствуют. Историю углеродного цикла в это время можно проследить по изотопному составу углерода в осадочных породах и их относительной распространённости. Из этих данных следует, что в фанерозое углеродный цикл испытывал долгопериодические изменения, которые коррелирут с эпохами горообразования. Во время активации тектонических движений отложение карбонатных пород усиливается и его изотопный состав становится более тяжёлым, что соответствует увеличению сноса углерода из корового источника, содержащего в основном утяжелённый углерод. Поэтому считается, что основные изменения углеродного цикла происходили из-за усиления эрозии континентов в результате горообразования.

Четвертичный период

[править | править код]

История изменения содержания СО2 и СН4 в атмосфере в четвертичном периоде известна относительно хорошо из изучения покровных ледников Гренландии и Антарктиды (в ледниках зафиксирована история примерно до 800 тыс. лет), лучше, чем для какого-либо периода истории Земли. Четвертичный период (последние 2,6 млн лет) отличается от других геологических периодов циклическими эпохами оледенений и межледниковий. Эти изменения климата чётко коррелированны с изменениями углеродного цикла. Однако даже в этом наиболее изученном случае нет полной ясности в причинах циклических изменений и связи геохимических изменений с климатическими.

Четвертичный период ознаменовался многократными следовавшими друг за другом оледенениями. Атмосферное содержание СО2 и СН4 менялось согласованно с вариациями температуры и между собой. При этом из этой палеоклиматической записи следуют следующие наблюдения:

  1. Все ледниково-межледниковые циклы последнего миллиона лет имеют периодичность около 100 тыс. лет, в интервале времени 1—2,6 млн лет назад характерна периодичность около 41 тыс. лет.
  2. Каждый ледниковый период сопровождается понижением атмосферной концентрации СО2 и СН4 (характерные содержания 200 ppm и 400 ppb соответственно)
  3. Межледниковые периоды начинаются резким, в геологическом масштабе мгновенным, увеличением концентраций СО2 и СН4.
  4. Во время межледниковых периодов между северным и южным полушарием существует градиент концентраций СН4. Составы воздуха, полученные из ледников Гренландии, систематически больше антарктических на 40—50 ppb. Во время ледниковых эпох концентрация метана в обоих полушариях падает и выравнивается.
  5. Во время ледниковых периодов уменьшается содержание лёгкого изотопа углерода.

Некоторые из этих фактов могут быть объяснены современной наукой, но вопрос причинно-следственных связей, несомненно, пока не имеет ответа.

Развитие оледенения приводит к уменьшению площади и массы наземной биосферы. Так как все растения избирательно поглощают из атмосферы лёгкий изотоп углерода, то при наступлении ледников весь этот облегчённый углерод поступает в атмосферу, а через неё и в океан. Исходя из современной массы наземной биосферы, её среднего изотопного состава и аналогичных данных об океане и атмосфере и зная изменение изотопного состава океана во время ледниковых периодов из останков морских организмов, может быть рассчитано изменение массы наземной биосферы во время ледниковых периодов. Такие оценки были проведены и составили 400 гигатонн по сравнению с современной массой. Таким образом было объяснено изменение изотопного состава углерода.

Все четвертичные оледенения больше развивались в северном полушарии, где есть большие континентальные просторы. В южном полушарии преобладают океаны и там почти полностью отсутствуют обширные болота — источники метана. Болота сосредоточены в тропическом поясе и северном бореальном поясе.

Развитие оледенения приводит к уменьшению северных болот — одного из основных источников метана (и в то же время поглотителей СО2). Поэтому во время межледниковых периодов, когда площадь болот максимальна в Северном полушарии, концентрация метана больше. Этим объясняется наличие градиента концентраций метана между полушариями в межледниковые периоды.

Антропогенное влияние на углеродный цикл

[править | править код]

Деятельность людей привнесла новые изменения в цикл углерода. С началом индустриальной эры люди стали всё в возрастающем количестве сжигать ископаемое топливо: уголь, нефть и газ, накопленные за миллионы лет существования Земли. Человечество привнесло значительные изменения в землепользовании: вырубило леса, осушило болота, и затопило прежде сухие земли. Но вся история планеты состоит из грандиозных событий, поэтому, говоря об изменении углеродного цикла человеком необходимо соразмерять масштабы и продолжительность этого воздействия с событиями в прошлом.

Углекислый газ — самый важный антропогенный парниковый газ, его концентрация в атмосфере значительно превысила её естественный диапазон за последние 650 тысяч лет[7].

С 1850 года концентрация СО2 в атмосфере увеличилась на 31 %, а метана на 149 %, что рядом исследователей связывается с антропогенным влиянием, причём по данным МГЭИК ООН, до трети общих антропогенных выбросов CO2 являются результатом обезлесения.[8]

Ряд работ указывает на рост содержания парниковых газов в связи с окончанием малого ледникового периода 16 века, последующим потеплением и высвобождением связанных запасов парниковых газов. При этом за счёт нагрева океана с одной стороны выделяется растворённый СО2, а с другой стороны тают и разрушаются клатраты метана, что приводит к его выделению в океан и атмосферу.[источник не указан 3983 дня]

См. также

[править | править код]

Примечания

[править | править код]
  1. ↑ Andrews J. et al. An Introduction to Environmental Chemistry. London: Blackwell Science. 1996. 209 p.
  2. ↑ Table 1 (недоступная ссылка)Falkowski, P.; Scholes, R. J.; Boyle, E.; Canadell, J.; Canfield, D.; Elser, J.; Gruber, N.; Hibbard, K.; Högberg, P.; Linder, S.; MacKenzie, F. T.; 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 (англ.) // Science : journal. — 2000. — Vol. 290, no. 5490. — P. 291—296. — doi:10.1126/science.290.5490.291. — Bibcode: 2000Sci...290..291F. — PMID 11030643.
  3. ↑ The Carbon Cycle : Feature Articles. Дата обращения: 17 декабря 2012. Архивировано 16 июня 2012 года.
  4. ↑ Элементы - новости науки: Морские рыбы вносят заметный вклад в образование карбонатов. Дата обращения: 13 декабря 2016. Архивировано 9 декабря 2016 года.
  5. ↑ The Carbon Cycle : Feature Articles. Дата обращения: 17 декабря 2012. Архивировано 30 декабря 2012 года.
  6. ↑ The Carbon Cycle : Feature Articles. Дата обращения: 17 декабря 2012. Архивировано 18 июля 2012 года.
  7. ↑ Архивированная копия. Дата обращения: 28 апреля 2013. Архивировано из оригинала 30 октября 2012 года.
  8. ↑ https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/ar4-wg1-chapter7-1.pdf Архивная копия от 3 августа 2019 на Wayback Machine IPCC Fourth Assessment Report, Working Group I Report «The Physical Science Basis», Section 7.3.3.1.5 (p. 527)

Литература

[править | править код]
  • Одум Ю. Экология: В 2-х т. / пер. с англ. — М.:. Мир, 1986. — Т. 1. — С. 225—229.
  • Шилов И. А. Экология. — М.: Высшая школа, 1997. — С. 49—50.
  • Круговорот веществ // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
  • Энциклопедия живой природы. / Гл. редактор: акад. Чубарьян А. О.. — М.: Экслибрис, 2006. — Т. 5. — С. 10. — 160 с.
  • Роберт Хейзен. Симфония №6 Углерод и эволюция почти всего = Robert M. Hazen. Symphony in C: Carbon and the Evolution of (Almost) Everything / Анастасия Науменко. — М.: Альпина нон-фикшн, 2021. — 410 p. — ISBN 978-5-00139-283-5.

Ссылки

[править | править код]
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Геохимический_цикл_углерода&oldid=138210367