Какую роль фотосинтез играет в глобальном потеплении
Углекислый газ является атмосферным компонентом, который играет несколько жизненно важных ролей в окружающей среде. Это парниковый газ, который задерживает тепло инфракрасного излучения в атмосфере. Он играет решающую роль в выветривании горных пород. Это источник углерода для растений. Он хранится в биомассе, органическом веществе в отложениях и в карбонатных породах, таких как известняк.
Углеродный цикл
Основным источником углерода/CO 2 является выделение газа из недр Земли на срединно-океанических хребтах, горячих точках вулканов и вулканических дугах, связанных с субдукцией. Большая часть CO 2 , выделяемого в зонах субдукции, образуется в результате метаморфизма карбонатных пород, погружающихся в океаническую кору.Большая часть общего выделения CO 2 , особенно в виде срединно-океанических хребтов и горячих вулканов, хранилась в мантии, когда формировалась Земля. Некоторая часть выделившегося углерода остается в виде CO 2 в атмосфере, некоторая часть растворяется в океанах, некоторая часть углерода удерживается в виде биомассы в живых или мертвых и разлагающихся организмах, а некоторая часть связывается в карбонатных породах. Углерод удаляется в долгосрочное хранилище путем захоронения осадочных слоев, особенно угля и черных сланцев, которые хранят органический углерод из неразложившейся биомассы и карбонатных пород, таких как известняк (карбонат кальция).
Растения, фотосинтезирующие водоросли и бактерии используют энергию солнечного света для соединения двуокиси углерода (C0 2 ) из атмосферы с водой (H 2 O) с образованием углеводов. Эти углеводы накапливают энергию. Кислород (O 2 ) является побочным продуктом, выбрасываемым в атмосферу. Этот процесс известен как фотосинтез. углекислый газ + вода + солнечный свет -> углеводы + кислород
CO 2 + H 2 O + солнечный свет -> CH 2 O + O 2
Затем растения (а также фотосинтезирующие водоросли и бактерии) используют часть накопленных углеводов в качестве источника энергии для выполнения своих жизненных функций. Часть углеводов остается в виде биомассы (основная часть растения и т. д.). Потребители, такие как животные, грибы и бактерии, получают энергию из этой избыточной биомассы либо в живом, либо в мертвом и разлагающемся состоянии. Кислород из атмосферы соединяется с углеводами для высвобождения накопленной энергии. Вода и углекислый газ являются побочными продуктами. кислород + углевод -> энергия + вода + углевод
O 2 + CH 2 O -> энергия + H 2 O + CO 2
Обратите внимание, что фотосинтез и дыхание по существу противоположны друг другу. Фотосинтез удаляет CO 2 из атмосферы и заменяет его O 2 . Дыхание забирает О 2 из атмосферы и заменяет его на СО 2 . Однако эти процессы не сбалансированы. Не все органические вещества окисляются. Некоторые погребены в осадочных породах.В результате за геологическое время в атмосферу попало больше кислорода, а в результате фотосинтеза было удалено углекислого газа, чем наоборот.
Углекислый газ и другие атмосферные газы растворяются в поверхностных водах. Растворенные газы находятся в равновесии с газом в атмосфере. Углекислый газ реагирует с водой в растворе с образованием слабой кислоты, угольной кислоты. Угольная кислота диссоциирует на ионы водорода и бикарбонат-ионы. Ионы водорода и вода реагируют с наиболее распространенными минералами (силикатами и карбонатами), изменяя минералы. Продуктами выветривания являются преимущественно глины (группа силикатных минералов) и растворимые ионы, такие как кальций, железо, натрий и калий. Ионы бикарбоната также остаются в растворе; остаток углекислоты, которая использовалась для выветривания горных пород.
1. Углекислый газ удаляется из атмосферы путем растворения в воде и образования угольной кислоты CO 2 + H 2 O -> H 2 CO 3 (угольной кислоты)
2. Углекислота используется для выветривания горных пород с образованием бикарбонат-ионов, других ионов и глин Н 2 СО 3 + Н 2 О + силикатных минералов -> НСО 3 — + катионы (Са++, Fe++, Na+ и др.). .) + глины
3. Карбонат кальция осаждается из ионов кальция и бикарбоната в морской воде морскими организмами, такими как кораллы Ca ++ + 2HCO 3 -> CaCO 3 + CO 2 + H 2 O, углерод теперь хранится на морском дне в слоях известняка
Метаморфизм карбонатов
Часть этого углерода возвращается в атмосферу в результате метаморфизма известняка на глубине в зонах субдукции или в орогенных поясах CaCO 3 + SiO 2 -> CO 2 + CaSiO 3
с последующим выделением газа на вулканической дуге.
Парниковый эффект
Большая часть солнечной энергии, падающей на поверхность Земли, приходится на часть видимого света электромагнитного спектра. В значительной степени это связано с тем, что атмосфера Земли прозрачна для этих длин волн (мы все знаем, что при функционирующем озоновом слое более высокие частоты, такие как ультрафиолет, в основном экранируются).Часть солнечного света отражается обратно в космос, в зависимости от альбедо или отражательной способности поверхности. Часть солнечного света преобразуется в инфракрасное излучение (более низкая частота, чем видимый свет). В то время как основные газы атмосферы (азот и кислород) прозрачны для инфракрасного излучения, так называемые парниковые газы, прежде всего водяной пар (H 2 O), углекислый газ и метан (CH 4 ), поглощают инфракрасное излучение. Они собирают эту тепловую энергию и удерживают ее в атмосфере. Хотя мы беспокоимся о возможном глобальном потеплении из-за дополнительного количества CO 2 , который мы выбрасываем в атмосферу при сжигании ископаемого топлива, если бы в атмосфере не было CO 2 , глобальный климат был бы значительно холоднее.
Климатический буфер
Из-за роли CO 2 в климате обратные связи в углеродном цикле поддерживают глобальные температуры в определенных пределах, чтобы климат никогда не становился слишком жарким или слишком холодным для поддержания жизни на Земле. Процесс является крупномасштабным примером принципа Ле-Шателье. Этот химический принцип гласит, что если реакция, находящаяся в равновесии, нарушается добавлением или удалением продукта или реагента, реакция будет регулироваться таким образом, чтобы попытаться вернуть эти химические соединения к их исходной концентрации. Например, по мере того как угольная кислота удаляется из раствора при выветривании горных пород, реакция будет регулироваться за счет образования большего количества угольной кислоты. А поскольку растворенный СО 2 находится в равновесии с атмосферным СО 2 , больше СО 2 удаляется из атмосферы, чтобы заменить его, удаленный из раствора в результате выветривания.
Если концентрация CO 2 в атмосфере увеличится из-за увеличения скорости дегазации, глобальная температура повысится. Повышение температуры и большее количество растворенного СО 2 приведут к усилению выветривания пород земной коры в результате увеличения скорости реакции (температурный эффект) и повышения кислотности. Усиленное выветривание израсходует избыток CO 2 , тем самым охладив климат.
Если глобальная температура понизится в результате какого-либо астрономического воздействия или эффекта тектонической/океанской циркуляции, более низкие температуры приведут к более низкой скорости химического выветривания. Уменьшение выветривания означает, что меньшее количество CO 2 вытягивается из атмосферы в результате реакций выветривания, в результате чего в атмосфере остается больше CO 2 для повышения температуры.
Если больше горных пород станет доступным для быстрого выветривания в результате подъема гор, усиленное выветривание приведет к вытягиванию CO 2 из атмосферы и снижению глобальной температуры. Но снижение температуры замедлит скорость реакции, тем самым используя меньше CO 2 , что позволит снизить температуру.
