lovesouthernsocial.com

Вуглецеві цикли – це переміщення елемента вуглецю в різних середовищах

Відредагований і змінений розмір зображення Мітчеллом Грістом, доступне на Unsplash

Цикли вуглецю – це переміщення елемента вуглецю в різних середовищах, включаючи гірські породи, ґрунти, океани та рослини. Це запобігає його повному накопиченню в атмосфері і стабілізує температуру Землі. Для геології існує два типи циклу вуглецю: повільний, який займає сотні тисяч років, і швидкий, який займає від десятків до 100 000 років.

вуглець

Вуглець — хімічний елемент, який у великій кількості міститься в гірських породах і, в меншій мірі, в ґрунті, океані, овочах, атмосфері, організмі живих істот і предметах. Він викований у зірках, будучи четвертим за поширеністю елементом у Всесвіті і необхідним для підтримки життя на Землі, яким ми його знаємо. Однак він також є однією з причин значної проблеми: зміни клімату.

Протягом дуже довгого часу (від мільйонів до десятків мільйонів років) рух тектонічних плит і зміни швидкості проникнення вуглецю в надра Землі можуть змінити глобальну температуру. Земля зазнала цих змін протягом останніх 50 мільйонів років, від надзвичайно жаркого клімату крейди (близько 145 до 65 мільйонів років тому) до льодовикового клімату плейстоцену (близько 1,8 мільйона до 11 500 років тому).

повільний цикл

Через низку хімічних реакцій і тектонічної активності вуглецю потрібно від 100 до 200 мільйонів років, щоб переміщатися між гірськими породами, ґрунтом, океаном і атмосферою в повільному циклі вуглецю. У середньому за рік від десяти до 100 мільйонів тонн вуглецю проходить повільний цикл. Для порівняння, викиди вуглецю людини в атмосферу становлять близько 10 мільярдів тонн, тоді як швидкий цикл вуглецю збільшується від десяти до 100 мільярдів вуглецю на рік.

Переміщення вуглецю з атмосфери в літосферу (гірські породи) починається з дощу. Атмосферний вуглець, з’єднуючись з водою, утворює вугільну кислоту, яка осідає на поверхні через дощі. Ця кислота розчиняє гірські породи в процесі, який називається хімічним вивітрюванням, вивільняючи іони кальцію, магнію, калію або натрію. Ці іони транспортуються в річки та з річок в океан.

• Яке походження пластику, який забруднює океани?
• Закислення океану: серйозна проблема для планети

В океані іони кальцію з’єднуються з іонами бікарбонату, утворюючи карбонат кальцію, активний інгредієнт антацидів. В океані більшість карбонату кальцію виробляється організмами, що утворюють черепашки (кальцифікуються) (наприклад, корали) і планктоном (такими як кокколітофори і форамініфери). Після смерті ці організми опускаються на дно моря. Згодом шари черепашок і відкладень ущільнюються і перетворюються на гірські породи, накопичуючи вуглець, утворюючи осадові породи, такі як вапняк.

Таким чином утворюється близько 80% карбонатних порід. Решта 20% містять вуглець, що походить від живих істот (органічний вуглець), що розклався. Тепло і тиск стискають багатий вуглецем органічний матеріал протягом мільйонів років, утворюючи осадові породи, такі як сланці. У особливих випадках, коли органічна речовина з мертвих рослин накопичується швидко, без часу для розкладання, шари органічного вуглецю стають нафтою, вугіллям або природним газом, а не осадовими породами, такими як сланці.

У повільному циклі вуглець повертається в атмосферу внаслідок вулканічної діяльності. Це тому, що, коли поверхні земної та океанічної кори стикаються, одна опускається під іншу, і скеля, яку вона несе, тане під екстремальним теплом і тиском. Нагріта порода рекомбінується в силікатні мінерали, виділяючи вуглекислий газ.

• Вуглекислий газ: що таке CO2?

Коли вулкани вивергаються, вони викидають газ в атмосферу і покривають землю кремнеземом, починаючи цикл знову. Вулкани викидають від 130 до 380 мільйонів тонн вуглекислого газу на рік. Для порівняння, люди викидають близько 30 мільярдів тонн вуглекислого газу на рік - у 100-300 разів більше, ніж вулкани - спалюючи викопне паливо.

• Алкоголь чи бензин?

Наприклад, якщо вуглекислий газ підвищується в атмосфері через посилення вулканічної активності, температура підвищується, що призводить до збільшення кількості дощу, який розчиняє більше гірських порід, створюючи більше іонів, які в кінцевому підсумку відкладають більше вуглецю на дні океану. Щоб збалансувати повільний цикл вуглецю, потрібно кілька сотень тисяч років.

Однак повільний цикл також містить трохи швидший компонент: океан. На поверхні, де повітря зустрічається з водою, вуглекислий газ розчиняється і виходить з океану в постійному обміні з атмосферою. Потрапляючи в океан, вуглекислий газ реагує з молекулами води, вивільняючи водень, роблячи океан більш кислим. Водень реагує з карбонатом в результаті вивітрювання гірських порід з утворенням бікарбонат-іонів.

До індустріальної епохи океан викидав в атмосферу вуглекислий газ у рівновазі з вуглецем, який океан отримував під час зношування гірських порід. Однак, оскільки концентрація вуглецю в атмосфері зросла, океан тепер видаляє з атмосфери більше вуглецю, ніж виділяє. Протягом тисячоліть океан поглинає до 85% додаткового вуглецю, який люди викидають в атмосферу, спалюючи викопне паливо, але цей процес повільний, оскільки пов’язаний з переміщенням води з поверхні океану до його глибин.

Тим часом вітри, течії та температура контролюють швидкість, з якою океан видаляє вуглекислий газ з атмосфери. (Див. Баланс вуглецю в океані в Земній обсерваторії.) Ймовірно, що зміни температури і течій океану допомогли видалити вуглець і відновити вуглець в атмосфері за кілька тисяч років, коли почалися і закінчилися льодовикові періоди.

Швидкий цикл вуглецю

Час, необхідний вуглецю для проходження швидкого вуглецевого циклу, вимірюється протягом усього життя. Швидкий кругообіг вуглецю – це в основному рух вуглецю через форми життя на Землі або в біосфері. Приблизно від 1000 до 100 000 мільйонів метричних тонн вуглецю щороку проходить швидкий вуглецевий цикл.

Вуглець відіграє важливу роль у біології через його здатність утворювати багато зв’язків — до чотирьох на атом — у, здавалося б, нескінченному масиві складних органічних молекул. Багато органічних молекул містять атоми вуглецю, які утворили міцні зв’язки з іншими атомами вуглецю, об’єднуючись у довгі ланцюги та кільця. Такі вуглецеві ланцюги та кільця є основою живих клітин. Наприклад, ДНК складається з двох переплетених молекул, побудованих навколо вуглецевого ланцюга.

Зв’язки в довгих вуглецевих ланцюгах містять багато енергії. Коли струми розходяться, накопичена енергія вивільняється. Ця енергія робить молекули вуглецю чудовим джерелом палива для всього живого.

Рослини та фітопланктон є основними компонентами швидкого кругообігу вуглецю. Фітопланктон (мікроскопічні організми в океані) і рослини витягують вуглекислий газ з атмосфери, поглинаючи його своїми клітинами. Використовуючи енергію сонця, рослини і планктон поєднують вуглекислий газ (CO2) і воду, утворюючи цукор (CH2O) і кисень. Хімічна реакція виглядає так:

CO2 + H2O + енергія = CH2O + O2

Може статися, що вуглець переміщається з рослини і повертається в атмосферу, але всі вони включають одну і ту ж хімічну реакцію. Рослини розщеплюють цукор, щоб отримати енергію, необхідну для зростання. Тварини (включаючи людей) їдять рослини або планктон і розщеплюють цукор рослини для отримання енергії. Рослини і планктон гинуть і гниють (з'їдаються бактеріями) або знищуються вогнем. У всіх випадках кисень з’єднується з цукром для виділення води, вуглекислого газу та енергії. Основна хімічна реакція виглядає так:

CH2O + O2 = CO2 + H2O + енергія

У всіх чотирьох процесах вуглекислий газ, що виділяється в результаті реакції, зазвичай потрапляє в атмосферу. Швидкий кругообіг вуглецю настільки тісно пов’язаний з життям рослин, що вегетаційний період можна побачити по тому, як вуглекислий газ плаває в атмосфері. У Північній півкулі взимку, коли на суші росте мало рослин, а багато гинуть, концентрація вуглекислого газу в атмосфері зростає. Навесні, коли рослини знову починають рости, концентрація падає. Ніби Земля дихає.

Зміни кругообігу вуглецю

Без порушень швидкі та повільні цикли вуглецю підтримують відносно постійну концентрацію вуглецю в атмосфері, землі, рослинах та океані. Але коли щось змінює кількість вуглецю в одному резервуарі, ефект поширюється на інші.

У минулому Землі кругообіг вуглецю змінився у відповідь на зміну клімату. Зміни орбіти Землі змінюють кількість енергії, яку Земля отримує від Сонця, і призводять до циклу льодовикових періодів і теплих періодів, таких як нинішній клімат Землі. (Див. Мілютін Міланкович) Льодовикові періоди розвинулися, коли літо Північної півкулі охолоджувалося і на землі накопичувався лід, що, у свою чергу, сповільнювало кругообіг вуглецю. Тим часом кілька факторів, включаючи низькі температури та посилений ріст фітопланктону, могли збільшити кількість вуглецю, який океан видалив з атмосфери. Зниження вмісту вуглецю в атмосфері викликало подальше охолодження. Аналогічно, наприкінці останнього льодовикового періоду, 10 000 років тому, вуглекислий газ в атмосфері різко зріс у міру підвищення температури.

Зміни орбіти Землі відбуваються постійно, передбачуваними циклами. Приблизно за 30 000 років орбіта Землі зміниться настільки, щоб зменшити сонячне світло в Північній півкулі до рівня, який призвів до останнього льодовикового періоду.

Сьогодні зміни в кругообігу вуглецю відбуваються через людей. Ми порушуємо кругообіг вуглецю, спалюючи викопне паливо та вирубуючи ліси.

При вирубці лісів виділяється вуглець, що зберігається в стовбурах, стеблах і листках – біомаса. Вичищаючи ліс, усуваються рослини, які в іншому випадку забирали б вуглець з атмосфери під час свого росту. У всьому світі існує тенденція замінити ліси монокультурами та пасовищами, які зберігають менше вуглецю. Ми також викриваємо ґрунт, який викидає в атмосферу вуглець з гниючих рослинних речовин. Зараз люди викидають в атмосферу трохи менше мільярда тонн вуглецю щороку через зміни у землекористуванні.

Без втручання людини вуглець з викопного палива повільно витікав би в атмосферу внаслідок вулканічної активності протягом мільйонів років у повільному вуглецевому циклі. Спалюючи вугілля, нафту та природний газ, ми прискорюємо цей процес, щороку викидаючи в атмосферу величезну кількість вуглецю (вуглецю, накопичення якого потребували мільйони років). Роблячи це, ми переводимо вуглець з повільного циклу в швидкий. У 2009 році люди випустили в атмосферу близько 8,4 мільярдів тонн вуглецю, спалюючи викопне паливо.

З початку промислової революції, коли люди почали спалювати викопне паливо, концентрація вуглекислого газу в атмосфері зросла приблизно з 280 частин на мільйон до 387 частин на мільйон, що на 39%. Це означає, що на кожен мільйон молекул в атмосфері зараз 387 з них припадає на вуглекислий газ – найвищу концентрацію за останні два мільйони років. Концентрація метану зросла з 715 частин на мільярд у 1750 році до 1774 частин на мільярд у 2005 році, що стало найвищою концентрацією за щонайменше 650 000 років.

Наслідки зміни кругообігу вуглецю

Зображення: Carbon Cycles - NASA

Весь цей зайвий вуглець потрібно кудись подіти. Поки що наземні та океанічні рослини поглинули 55% зайвого вуглецю в атмосфері, тоді як близько 45% залишається в атмосфері. Згодом ґрунт і океани поглинають більшу частину додаткового вуглекислого газу, але до 20% можуть залишатися в атмосфері протягом багатьох тисяч років.

Надлишок вуглецю в атмосфері зігріває планету і сприяє росту наземних рослин. Надлишок вуглецю в океані робить воду більш кислою, піддаючи ризику морське життя. Дізнайтеся більше на цю тему у статті: «Закислення Світового океану: серйозна проблема для планети».

Атмосфера

Важливо, що в атмосфері залишається так багато вуглекислого газу, оскільки CO2 є найважливішим газом для контролю температури Землі. Вуглекислий газ, метан і галогенуглеводні є парниковими газами, які поглинають широкий спектр енергії, включаючи інфрачервону енергію (тепло), що випромінюється Землею, а потім повторно випромінює її. Повторно випромінювана енергія рухається в усіх напрямках, але частина повертається на Землю, нагріваючи поверхню. Без парникових газів Земля була б заморожена при -18°C. З великою кількістю парникових газів Земля була б схожа на Венеру, де температура підтримує близько 400°C.

Оскільки вчені знають, які довжини хвилі енергії поглинає кожен парниковий газ і концентрацію газів в атмосфері, вони можуть обчислити, наскільки кожен газ сприяє глобальному потеплінню. Вуглекислий газ викликає близько 20% парникового ефекту Землі; на водяну пару припадає близько 50%; а хмари становлять 25%. Решту викликають дрібні частинки (аерозолі) і менші парникові гази, такі як метан.

• Чи підлягають переробці аерозольні балончики?

Концентрація водяної пари в повітрі контролюється температурою Землі. Вищі температури випаровують більше води з океанів, розширюють повітряні маси і призводять до більшої вологості. При охолодженні водяна пара конденсується і випадає у вигляді дощу, мокрого снігу або снігу.

Вуглекислий газ, з іншого боку, залишається газом у більш широкому діапазоні атмосферних температур, ніж вода. Молекули вуглекислого газу забезпечують початковий нагрів, необхідний для підтримки концентрації водяної пари. Коли концентрація вуглекислого газу падає, Земля охолоджується, частина водяної пари випадає з атмосфери, а нагрівання теплиці, викликане краплями водяної пари. Так само, коли концентрація вуглекислого газу зростає, температура повітря підвищується, і більше водяної пари випаровується в атмосферу, що посилює обігрів теплиці.

Отже, хоча вуглекислий газ сприяє парниковому ефекту менше, ніж водяна пара, вчені виявили, що вуглекислий газ є газом, який визначає температуру. Вуглекислий газ контролює кількість водяної пари в атмосфері і, отже, величину парникового ефекту.

Збільшення концентрації вуглекислого газу вже викликає потепління планети. У той час як викиди парникових газів зростають, середня глобальна температура з 1880 року зросла на 0,8 градуса за Цельсієм (1,4 градуса за Фаренгейтом).

Це підвищення температури — це не все потепління, яке ми побачимо на основі поточних концентрацій вуглекислого газу. Обігрів теплиці відбувається не відразу, тому що океан поглинає тепло. Це означає, що температура Землі підвищиться щонайменше ще на 0,6 градуса за Цельсієм (1 градус за Фаренгейтом) через вуглекислий газ, який вже знаходиться в атмосфері. Ступінь підвищення температури залежить частково від того, скільки вуглецю в майбутньому буде викидати в атмосферу.

океан

Близько 30% вуглекислого газу, який люди викидають в атмосферу, дифундує в океан шляхом прямого хімічного обміну. При розчиненні вуглекислого газу в океані утворюється вугільна кислота, яка підвищує кислотність води. Точніше, слаболужний океан стає трохи менш лужним. З 1750 р. рН поверхні океану знизився на 0,1, тобто кислотність змінилася на 30%.

Підкислення океану впливає на морські організми двома способами. Спочатку вугільна кислота реагує з карбонат-іонами у воді з утворенням бікарбонату. Однак ці самі карбонатні іони – це те, що потрібно тваринам, що утворюють панцир, як корали, щоб створити раковини з карбонату кальцію. Оскільки доступно менше карбонату, тваринам потрібно витрачати більше енергії на створення своїх панцирів. В результаті оболонки стають тоншими і крихкими.

По-друге, чим більше вода кисла, тим краще вона розчиняє карбонат кальцію.У довгостроковій перспективі ця реакція дозволить океану поглинати надлишок вуглекислого газу, оскільки більш кисла вода розчинить більше гірських порід, вивільнить більше карбонат-іонів і збільшить здатність океану поглинати вуглекислий газ. Тим часом, однак, більш кисла вода розчинить карбонатні оболонки морських організмів, роблячи їх без кісточок і слабкими.

Більш теплі океани - продукт парникового ефекту - також можуть зменшити кількість фітопланктону, який найкраще росте в холодних, багатих поживними речовинами водах. Це може обмежити здатність океану вилучати вуглець з атмосфери через швидкий цикл вуглецю.

З іншого боку, вуглекислий газ необхідний для росту рослин і фітопланктону. Збільшення вмісту вуглекислого газу може збільшити ріст шляхом удобрення тих кількох видів фітопланктону та океанічних рослин (наприклад, морських трав), які беруть вуглекислий газ безпосередньо з води. Однак більшості видів не допомагає підвищена доступність вуглекислого газу.

Земля

Рослини на суші поглинали приблизно 25% вуглекислого газу, який людина викидає в атмосферу. Кількість вуглецю, яку поглинають рослини, сильно змінюється з року в рік, але загалом рослини світу збільшили кількість вуглекислого газу, яке вони поглинають, починаючи з 1960-х років. Лише частина цього збільшення сталася як прямий результат викидів викопного палива.

Завдяки більшій кількості вуглекислого газу в атмосфері, доступному для перетворення в рослинну речовину під час фотосинтезу, рослини змогли вирости більше. Це збільшення зростання відоме як вуглецеве запліднення. Моделі передбачають, що рослини можуть рости на 12-76 відсотків більше, якщо вуглекислий газ в атмосфері подвоїться, якщо ніщо інше, як дефіцит води, не обмежує їх зростання. Проте вчені не знають, наскільки вуглекислий газ збільшує ріст рослин у реальному світі, тому що для зростання рослинам потрібно більше, ніж вуглекислий газ.

Рослини також потребують води, сонячного світла та поживних речовин, особливо азоту. Якщо рослина не має однієї з цих речей, вона не росте, незалежно від того, наскільки багато потребує інша. Існує межа того, скільки вуглецю рослини можуть витягнути з атмосфери, і ця межа варіюється від регіону до регіону. Поки що здається, що підживлення вуглекислим газом збільшує ріст рослин, поки рослина не досягне межі кількості доступної води або азоту.

Деякі зміни в поглинанні вуглецю є результатом рішень щодо використання землі. Сільське господарство стало набагато інтенсивнішим, тому ми можемо вирощувати більше їжі на меншій землі. У високих і середніх широтах покинуті землі повертаються до лісів, і ці ліси зберігають набагато більше вуглецю як у деревині, так і в ґрунті, ніж сільськогосподарські культури. У багатьох місцях ми запобігаємо потраплянню рослинного вуглецю в атмосферу шляхом гасіння пожеж. Це дозволяє деревному матеріалу (який зберігає вуглець) накопичуватися. Усі ці рішення щодо землекористування допомагають рослинам поглинати вуглець, що виділяється людьми в Північній півкулі.

Однак у тропіках ліси вирубуються, часто через вогонь, і при цьому виділяється вуглекислий газ. У 2008 році вирубка лісів становила близько 12% усіх викидів вуглекислого газу людиною.

Найбільші зміни в наземному циклі вуглецю, ймовірно, відбудуться через зміну клімату. Вуглекислий газ підвищує температуру, подовжуючи вегетаційний період і збільшуючи вологість. Обидва фактори призвели до додаткового росту рослин. Однак високі температури також стресують рослини. З більш тривалим і теплим вегетаційним періодом рослинам потрібно більше води, щоб вижити. Вчені вже бачать докази того, що рослини в Північній півкулі сповільнюють ріст влітку через високі температури та дефіцит води.

Сухі рослини та рослини, які страждають від води, також більш сприйнятливі до вогню та комах, коли вегетаційний період подовжується. На крайній півночі, де підвищення температури має найбільший вплив, ліси вже почали горіти більше, викидаючи в атмосферу вуглець із рослин і ґрунту. Тропічні ліси також можуть бути надзвичайно вразливими до висихання. З меншою кількістю води тропічні дерева сповільнюють свій ріст і поглинають менше вуглецю, або гинуть і викидають накопичений вуглець в атмосферу.

Потепління, викликане зростанням викидів парникових газів, також може «підсмажити» ґрунт, прискорюючи швидкість, з якою вуглець в деяких місцях стікає. Це особливо хвилює на крайній півночі, де мерзла земля — вічна мерзлота — відтає. Вічна мерзлота містить багаті поклади вуглецю з рослинної речовини, які накопичувалися протягом тисячоліть, тому що холод уповільнює розпад. При нагріванні ґрунту органічні речовини розкладаються і вуглець – у вигляді метану та вуглекислого газу – потрапляє в атмосферу.

Сучасні дослідження підрахували, що вічна мерзлота в Північній півкулі містить 1672 мільярди тонн (петаграм) органічного вуглецю. Якщо відтане лише 10% цієї вічної мерзлоти, вона може випустити в атмосферу достатню кількість вуглекислого газу, щоб підвищити температуру на 0,7 градуса за Цельсієм (1,3 градуса за Фаренгейтом) у 2100 році.

Вивчення кругообігу вуглецю

Багато питань, на які вчені ще не відповіли про вуглецевий цикл, стосуються того, як він змінюється. Зараз атмосфера містить більше вуглецю, ніж будь-коли за щонайменше два мільйони років. Кожен резервуар у циклі буде змінюватися, коли цей вуглець проходить через цикл.

Як відбуватимуться ці зміни? Що станеться з рослинами при підвищенні температури та зміні клімату? Чи витягнуть вони більше вуглецю з атмосфери, ніж повернуть? Чи стануть вони менш продуктивними? Скільки додаткового вуглецю розтане в атмосфері вічна мерзлота і наскільки це посилить потепління? Чи змінює циркуляція океану чи потепління швидкість, з якою океан поглинає вуглець? Чи стане життя в океані менш продуктивним? Наскільки океан підкисне і які наслідки це матиме?

Роль NASA у відповіді на ці питання полягає у забезпеченні глобальних супутникових спостережень і пов’язаних з ними польових спостережень. На початку 2011 року два типи супутникових приладів збирали інформацію, що стосується вуглецевого циклу.

Спектрорадіометри із помірною роздільною здатністю (MODIS), що літають на супутниках NASA Terra і Aqua, вимірюють кількість вуглецевих рослин і фітопланктону, які перетворюються на речовину в міру свого росту. Цей показник називається чистою первинною продуктивністю. Датчики MODIS також вимірюють кількість пожеж і місце їх виникнення.

Два супутники Landsat забезпечують детальне уявлення про океанські рифи, що росте на суші та як змінюється земний покрив. Можна побачити зростання міста або перетворення з лісу на ферму. Ця інформація має вирішальне значення, оскільки використання землі відповідає за одну третину всіх викидів вуглецю людиною.

Майбутні супутники NASA продовжать ці спостереження, а також вимірюватимуть вміст вуглекислого газу та метану в атмосфері, висоту та структуру рослинності.

Усі ці заходи допоможуть нам побачити, як глобальний цикл вуглецю змінюється з часом. Вони допоможуть нам оцінити, який вплив ми маємо на кругообіг вуглецю, викидаючи вуглець в атмосферу або знаходячи способи його зберігання в іншому місці. Вони покажуть нам, як зміна клімату змінює кругообіг вуглецю і як змінний цикл змінює клімат.

Більшість з нас, однак, буде спостерігати зміни в циклі вуглецю в більш особистий спосіб. Для нас кругообіг вуглецю — це їжа, яку ми їмо, електрика в наших будинках, газ у наших автомобілях і погода над нашими головами. Оскільки ми є частиною вуглецевого циклу, наші рішення щодо того, як ми живемо, змінюються через цей цикл. Так само зміни в циклі вуглецю вплинуть на наш спосіб життя. Коли кожен з нас починає розуміти свою роль у циклі вуглецю, знання дають нам змогу контролювати свій особистий вплив і розуміти зміни, які ми бачимо у світі навколо нас.