Как медленный цикл углерода влияет на глобальное потепление

× Эта страница содержит заархивированный контент и больше не обновляется. На момент публикации он представлял собой наилучшую доступную науку.

Медленный углеродный цикл

В результате серии химических реакций и тектонической активности углероду требуется от 100 до 200 миллионов лет, чтобы перемещаться между горными породами, почвой, океаном и атмосферой в медленном углеродном цикле. В среднем от 10 13 до 10 14 граммов (10–100 миллионов метрических тонн) углерода проходит медленный углеродный цикл каждый год.Для сравнения, антропогенные выбросы углерода в атмосферу составляют порядка 10 15 граммов, тогда как быстрый углеродный цикл перемещает от 10 16 до 10 17 граммов углерода в год.

Движение углерода из атмосферы в литосферу (горные породы) начинается с дождя. Атмосферный углерод соединяется с водой, образуя слабую кислоту — угольную кислоту, которая выпадает на поверхность с дождем. Кислота растворяет горные породы — процесс, называемый химическим выветриванием, — и высвобождает ионы кальция, магния, калия или натрия. Реки несут ионы в океан.

Реки несут ионы кальция — результат химического выветривания горных пород — в океан, где они вступают в реакцию с растворенным в воде карбонатом. Продукт этой реакции, карбонат кальция, затем осаждается на дне океана, где он превращается в известняк. (Фотография © Грег Карли, 2009 г.)

В океане ионы кальция соединяются с ионами бикарбоната, образуя карбонат кальция, активный ингредиент антацидов и известково-белое вещество, которое высыхает на вашем кране, если вы живете в районе с жесткой водой. В современном океане большая часть карбоната кальция производится раковинообразующими (кальцифицирующими) организмами (такими как кораллы) и планктоном (такими как кокколитофориды и фораминиферы). После смерти организмы опускаются на морское дно. Со временем слои ракушек и отложений сцементируются и превращаются в горную породу, сохраняя углерод в камне — известняке и его производных.

Известняк, или его метаморфический двоюродный брат, мрамор, представляет собой горную породу, состоящую в основном из карбоната кальция. Эти типы горных пород часто образуются из тел морских растений и животных, а их раковины и скелеты могут сохраняться в виде окаменелостей. Углерод, заключенный в известняке, может храниться миллионы или даже сотни миллионов лет. (Фотография © Rookuzz, 2008 г. (Хм).)

Только 80 процентов углеродсодержащих пород в настоящее время изготавливаются таким образом. Остальные 20 процентов содержат углерод живых существ (органический углерод), которые были внедрены в слои грязи.Тепло и давление сжимают грязь и углерод в течение миллионов лет, образуя осадочные породы, такие как сланцы. В особых случаях, когда мертвое растительное вещество накапливается быстрее, чем может разлагаться, слои органического углерода превращаются в нефть, уголь или природный газ вместо осадочных пород, таких как сланцы.

Этот угольный пласт в Шотландии изначально представлял собой слой отложений, богатых органическим углеродом. В конце концов осадочный слой был погребен глубоко под землей, а тепло и давление превратили его в уголь. Уголь и другие ископаемые виды топлива являются удобным источником энергии, но при их сжигании накопленный углерод выбрасывается в атмосферу. Это изменяет баланс углеродного цикла и меняет климат Земли. (Фотография © Sandchem, 2010 г.)

Медленный цикл возвращает углерод в атмосферу через вулканы. Земная суша и поверхность океана расположены на нескольких движущихся плитах земной коры. Когда плиты сталкиваются, одна погружается под другую, а горная порода, которую она несет, плавится под действием сильной жары и давления. Нагретая порода рекомбинирует в силикатные минералы, выделяя углекислый газ.

Когда вулканы извергаются, они выпускают газ в атмосферу и покрывают землю свежей силикатной породой, чтобы снова начать цикл. В настоящее время вулканы выбрасывают от 130 до 380 миллионов метрических тонн углекислого газа в год. Для сравнения, люди выделяют около 30 миллиардов тонн углекислого газа в год — в 100–300 раз больше, чем вулканы, — сжигая ископаемое топливо.

Химия регулирует этот танец между океаном, землей и атмосферой. Если количество углекислого газа в атмосфере повышается, например, из-за увеличения вулканической активности, температура повышается, что приводит к большему количеству дождей, которые растворяют больше горных пород, создавая больше ионов, которые в конечном итоге осаждают больше углерода на дне океана. Требуется несколько сотен тысяч лет, чтобы сбалансировать медленный углеродный цикл посредством химического выветривания.

Углерод, хранящийся в горных породах, естественным образом возвращается в атмосферу вулканами.На этой фотографии российский вулкан Кизимен извергает пепел и вулканические газы в январе 2011 года. Кизимен расположен на полуострове Камчатка, где Тихоокеанская плита погружается под Азию. (Фото © 2011 Артём Безотечество/Фото Камчатка.)

Однако медленный углеродный цикл также содержит более быстрый компонент: океан. На поверхности, где воздух встречается с водой, углекислый газ растворяется в океане и выветривается из него в постоянном обмене с атмосферой. Оказавшись в океане, углекислый газ вступает в реакцию с молекулами воды, выделяя водород, делая океан более кислым. Водород реагирует с карбонатом от выветривания горных пород с образованием ионов бикарбоната.

До индустриальной эпохи океан выбрасывал углекислый газ в атмосферу в балансе с углеродом, полученным океаном во время выветривания горных пород. Однако, поскольку концентрация углерода в атмосфере увеличилась, океан теперь поглощает из атмосферы больше углерода, чем выделяет. В течение тысячелетий океан поглотит до 85 процентов дополнительного углерода, который люди выбрасывают в атмосферу за счет сжигания ископаемого топлива, но этот процесс будет медленным, поскольку он связан с движением воды с поверхности океана в его глубины.

Тем временем ветры, течения и температура контролируют скорость, с которой океан поглощает углекислый газ из атмосферы. (См. «Углеродный баланс океана» в Земной обсерватории.) Вполне вероятно, что изменения температуры океана и течений помогли удалить углерод из атмосферы, а затем восстановить его в атмосфере в течение нескольких тысяч лет, когда начались и закончились ледниковые периоды.