Как океан поглощает углекислый газ

Углекислый газ подкисляет океан

Подкисление океана – это одна из основных проблем изменения климата, связанная с изменением кислотного уровня океана. Выбросы углекислого газа значительно увеличились с начала промышленной революции что способствует закислению океанов.

Океаны на Земле поглощают примерно 25% углекислого газа, который выбрасывается в атмосферу каждый год.

Следовательно, по мере увеличения уровня атмосферного CO₂ повышаются и его уровни в водных объектах.

Поглощенный океаном CO₂ изменяет химический состав морской воды, что является процессом, называемым подкислением океана.

Подкисление или закисление океана происходит, когда рН в данной системе уменьшается. В этом случае изменение рН вызвано повышенным поступлением углекислого газа. По мере того как углекислый газ и другие соединения углерода выбрасываются в атмосферу в результате человеческой деятельности (например, в результате выбросов автотранспорта или угольных электростанций), происходит чистое увеличение содержания углерода в атмосфере, причем около 30% антропогенного CO₂ попадает в водную поверхность.
Углекислый газ и вода взаимодействуют вместе, образуя угольную кислоту, и именно это вызывает повышенный уровень кислоты в океанах.

Уровень рН океана снизился (став более кислым) в последние годы.

Как океан поглощает углерод

Водная поверхность и атмосфера соединяются друг с другом, вызывая обмен веществ между ними. Поскольку водная поверхность является огромным углеродным пулом, использующим разность давлений между его газовым содержанием и содержанием атмосферы, частицы обмениваются через эту разность давлений до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между двумя системами. Поскольку уровень углекислого газа в атмосфере увеличивается, как это было раньше, водная поверхность и атмосфера должны достичь нового равновесия. Благодаря этому вода действует как поглотитель углерода, что приводит к повышению уровня углекислого газа в поверхностных слоях.

Измерения за последние годы показали увеличение содержания углекислого газа в поверхностных слоях океанов на 1,6-1,9 промилле в год, что соответствует атмосферному увеличению на 1,5-1,9 промилле в год.

Хотя водная поверхность выносит из атмосферы углерод, который в противном случае способствовал бы глобальному потеплению, из-за этого возникают неблагоприятные последствия.
Средний уровень рН океана уже снизился примерно на 0,1 со времен индустриальной эры (снижение рН означает большую кислотность), и поскольку шкала рН является логарифмической, это означает, что океан на 30% более кислый, чем он был до этого периода. Это отрицательно влияет на многие организмы, как и добыча полезных ископаемых океана.

Последствия подкисления

Многие биологические виды, как ожидается, будут негативно затронуты повышением уровня кислот.

Минералы карбоната кальция ответственны за построение скелетов и раковин многих морских организмов. Это означает, что участки в водной поверхности с большим количеством организмов обычно имеют высокую концентрацию карбоната кальция, поэтому организмы могут кальцинироваться, чтобы построить свои раковины и скелеты. Однако подкисление океана снижает концентрацию карбоната кальция, который влияет на способность некоторых организмов производить и поддерживать свои раковины или скелеты. Исследования показали, что более кислая среда оказывает значительное влияние на некоторые кальцинирующие виды, включая устриц, моллюсков, морских ежей, мелководных кораллов, глубоководных кораллов и известковый планктон. Подкисление океана также показало, что оно значительно снижает способность кораллов, строящих рифы, производить свои скелеты, и некоторые исследования показывают, что к концу века, коралловые рифы могут разрушаться быстрее, чем восстанавливаться.

Будущие прогнозы предполагают, что океаны будут продолжать поглощать углекислый газ, что приведет к образованию более кислой океанской воды. Исходя из сценариев выбросов, оценки показывают, что к концу 21 столетия поверхностные воды моря могут быть примерно на 150% более кислыми, что означает снижение рН, которое воды не изменяли более 20 миллионов лет.
Более миллиарда человек во всем мире получают свой основной источник белка из океана, и сотни тысяч рабочих мест зависят от благополучия океанских видов.

Поэтому только с точки зрения здоровья человека подкисление океанов как и повышение уровня моря является серьезной проблемой.

Источник

Способность Мирового океана поглощать антропогенный СО2 сокращается

МОСКВА, 19 ноя — РИА Новости. Скорость поглощения океаном углекислого газа, который выбрасывает транспорт и промышленные объекты, замедляется, несмотря на ежегодный прирост количества поглощаемого СО2, что может быть связано с повышением температуры и кислотности вод Мирового океана, полагают авторы исследовательской работы, опубликованной в сегодняшнем номере журнала Nature.

Согласно работе Самара Хатиуалы (Samar Khatiwala) из Колумбийского университета в США и его коллег, воды Мирового океана, начиная с середины прошлого века, активно поглощали углекислый газ, который выбрасывала в атмосферу промышленность. При этом, с каждым годом количество ежегодно поглощаемого СО2 только нарастало. Несмотря на то, что по абсолютному значению оно продолжает нарастать и сейчас, скорость этого прироста, начиная с 2000 года, замедляется, что говорит о пределах емкости Мирового океана, в водах которого содержится огромное количество соединений углерода.

Говоря о поглощении океаном СО2, ученые имеют ввиду как непосредственное растворение газа в поверхностных водах, так и поглощение его и переработку в ходе фотосинтеза и дальнейшую передачу по пищевой цепи.

В своей работе ученые реконструировали накопление промышленных выбросов СО2 в океане с 1765 по 2008 годы, в результате чего обнаружили резкое ускорение прироста растворенного углекислого газа с начала 50-х годов прошлого века. На сегодняшний день океаны хранят в себе примерно 150 миллиардов тонн промышленных выбросов в пересчете на углерод, причем, еще в середине 90-х эта цифра была на треть меньше, а в прошлом году Мировой океан поглотил примерно 2,3 миллиарда тонн СО2.

Это количество едва ли превышает 1% от всего углерода, находящегося в океане, именно поэтому на фоне природного углерода ученым в течение долгого времени не удавалось оценить, как много и насколько быстро СО2 поглощает океан.

Хатиуала развил уже известный математический метод, который был использован в прошлом для оценки количества антропогенного углерода в океанах в 1994 году. Он применил свою математическую модель и использовал дополнительный набор данных о солености воды, ее температуре, содержании в ней хлорофторуглеродов и множество других параметров. Это дало возможность ученому и его коллегам реконструировать ход поглощения океанами атмосферного СО2 за несколько столетий.

Авторы статьи полагают, что замедление поглощения океаном углекислого газа связано с простыми физико-химическим параметрами — температурой и кислотностью воды.

«Чем больше диоксида углерода оказывается в океане, тем более кислотным он становится и тем труднее ему растворить в себе дополнительные количества СО2», — прокомментировал исследование Хатиуала, слова которого приводит пресс-служба Института Земли при Колумбийском университете.

Кроме того, ученым удалось установить, что наиболее активно растворяет в себе СО2 Южный океан, омывающий берега Антарктики, так как углекислый газ лучше растворяется в холодной и плотной воде, и уже оттуда течениями разносится по всем океанам.

В своей работе ученые также отметили, что в последние годы активно поглощать СО2 начала и наземная растительность, тогда как в середине века ситуация была обратной, вероятно из-за вырубки лесов под сельскохозяйственные угодья. В настоящее время наземная растительность ежегодно поглощает на 1,1 миллиарда тонн СО2 больше, чем выбрасывает в воздух.

Авторы статьи полагают, что это связано с резко возросшей концентрацией СО2 в атмосфере, который служит сырьем для процесса фотосинтеза, однако, какова «емкость» наземной биосферы и как долго еще сохранится эта тенденция, ученым пока не известно.

«Наше и несколько других исследований последних лет четко показывают, что мы больше не можем полагаться на океаны и наземную растительность в будущем, основываясь на том, как эти естественные поглотители СО2 защищали нас от парникового эффекта в прошлом, и продолжать сжигать углеводородные топлива все более нарастающими темпами», — добавил Хатиуала.

Источник

Углеродный цикл океана — Oceanic carbon cycle

Океанический углеродный цикл (или морской углеродный цикл ) состоит из процессов , что обмен углерод между различными пулами в пределах океана, а также между атмосферой, недра Земли, и морским дном . Углеродный цикл является результатом взаимодействия многих сил на нескольких временных и пространственных масштабах , что циркулирует углерода вокруг планеты, гарантируя , что углерод доступен по всему миру. Круговорот углерода в океане является центральным процессом глобального цикла углерода и содержит как неорганический углерод (углерод, не связанный с живыми существами, например, углекислый газ), так и органический углерод (углерод, который включен или был включен в живое существо). . Часть морского углеродного цикла превращает углерод между неживым и живым веществом.

Три основных процесса (или насоса), составляющие морской углеродный цикл, переносят атмосферный углекислый газ (CO ₂ ) внутрь океана и распределяют его по океанам. Этими тремя насосами являются: (1) насос растворимости, (2) карбонатный насос и (3) биологический насос. Общий активный пул углерода на поверхности Земли в течение периода менее 10 000 лет составляет примерно 40 000 гигатонн C (Гт C, гигатонна составляет один миллиард тонн или вес примерно 6 миллионов синих китов ) и около 95% (

38000 Гт C) хранится в океане, в основном в виде растворенного неорганического углерода. Состав растворенного неорганического углерода в морском углеродном цикле является основным регулятором кислотно-щелочной химии в океанах.

Земные растения и водоросли ( первичные продуценты ) ответственны за самые большие ежегодные потоки углерода. Хотя количество углерода, хранящегося в морской биоте (

3 Гт C), очень мало по сравнению с наземной растительностью (

610 ГтС), количество углерода, обмененное (поток) между этими группами, примерно одинаково — около 50 ГтС каждая. Морские организмы связывают углеродный и кислородный циклы посредством таких процессов, как фотосинтез . Морской углеродный цикл также биологически связан с циклами азота и фосфора почти постоянным стехиометрическим соотношением C: N: P, равным 106: 16: 1, также известным как соотношение Redfield Ketchum Richards (RKR) , которое гласит, что организмы имеют тенденцию поглощать азот и фосфор с добавлением нового органического углерода. Точно так же органическое вещество, разлагаемое бактериями, выделяет фосфор и азот.

На основе публикаций НАСА , Всемирной метеорологической ассоциации, МГЭИК и Международного совета по исследованию моря , а также ученых из NOAA , Океанографического института Вудс-Холла , Института океанографии Скриппса , CSIRO и Национальной лаборатории Ок-Ридж , исследование человека воздействие на морской углеродный цикл является значительным. До промышленной революции океан был чистым источником CO ₂ в атмосферу, тогда как сейчас большая часть углерода, попадающего в океан, поступает из атмосферного углекислого газа (CO ₂ ). Сжигание ископаемого топлива и производство цемента изменили баланс углекислого газа между атмосферой и океанами, вызвав подкисление океанов. Изменение климата в результате избытка CO ₂ в атмосфере привело к повышению температуры океана и атмосферы ( глобальное потепление ). Замедление темпов глобального потепления, происходящее в период с 2000 по 2010 год, можно объяснить наблюдаемым увеличением теплосодержания в верхних слоях океана .

• Общий углерод (TC)
• Общий органический углерод (TOC)
• Общий неорганический углерод (TIC)
• Растворенный органический углерод (DOC)
• Растворенный неорганический углерод (DIC)
• Твердый органический углерод (POC)
• Частичный неорганический углерод (PIC)

СОДЕРЖАНИЕ

Морской углерод

Углеродные соединения можно разделить на органические или неорганические, растворенные или твердые, в зависимости от их состава. Органический углерод составляет основу ключевых компонентов органических соединений, таких как белки , липиды , углеводы и нуклеиновые кислоты . Неорганический углерод содержится в основном в простых соединениях, таких как диоксид углерода, угольная кислота, бикарбонат и карбонат (CO ₂ , H ₂ CO ₃ , HCO ₃ — , CO ₃ 2- соответственно).

Морской углерод далее разделяется на частицы и растворенные фазы. Эти бассейны в рабочем состоянии определяются физическим разделением — растворенный углерод проходит через фильтр 0,2 мкм, а углерод в виде твердых частиц — нет.

Неорганический углерод

Есть два основных типа неорганического углерода, которые встречаются в океанах. Растворенный неорганический углерод (DIC) состоит из бикарбоната (HCO ₃ — ), карбоната (CO ₃ 2- ) и диоксида углерода (включая растворенный CO ₂ и угольную кислоту H ₂ CO ₃ ). DIC может быть преобразован в неорганический углерод в виде частиц (PIC) путем осаждения CaCO ₃ (биологическим или абиотическим способом). DIC также может быть преобразован в органический углерод в виде частиц (POC) посредством фотосинтеза и хемоавтотрофии (т.е. первичной продукции). DIC увеличивается с глубиной, поскольку частицы органического углерода тонут и вдыхаются. Свободный кислород уменьшается по мере увеличения ДВС, поскольку кислород потребляется во время аэробного дыхания.

Неорганический углерод в виде частиц (ПОС) — другая форма неорганического углерода, обнаруженная в океане. В большинстве своем PIC представляет собой CaCO ₃ , из которого состоят раковины различных морских организмов, но он также может образовываться при путассе . Морские рыбы также выделяют карбонат кальция во время осморегуляции .

Некоторые виды неорганического углерода в океане, такие как бикарбонат и карбонат , вносят основной вклад в щелочность , естественный буфер океана, предотвращающий резкие изменения кислотности (или pH ). Морской углеродный цикл также влияет на скорость реакции и растворения некоторых химических соединений, регулирует количество углекислого газа в атмосфере и температуру Земли.

Органический углерод

Как и неорганический углерод, в океане есть две основные формы органического углерода (растворенный и твердый). Растворенный органический углерод (DOC) определяется как любая органическая молекула, которая может проходить через фильтр 0,2 мкм. DOC может быть преобразован в органический углерод в виде частиц в результате гетеротрофии, а также может быть преобразован обратно в растворенный неорганический углерод (DIC) путем дыхания.

Молекулы органического углерода, улавливаемые фильтром, определяются как органический углерод в виде твердых частиц (POC). ВОУ состоит из организмов (мертвых или живых), их фекалий и детрита . СПЭ может быть преобразована в DOC через дезагрегацию молекул и экссудацией с помощью фитопланктона , например. ПОС обычно превращается в ДВС-синдром посредством гетеротрофии и дыхания.

Морские угольные насосы

Насос растворимости

Океаны хранят самый большой на планете резервуар реактивного углерода в виде DIC, который вводится в результате растворения атмосферного углекислого газа в морской воде — насоса растворимости. Концентрации водного CO ₂ , угольной кислоты , бикарбонат-иона и карбонат-иона включают растворенный неорганический углерод (DIC). DIC циркулирует по всему океану посредством термохалинной циркуляции , что способствует огромной емкости хранения DIC в океане. Приведенные ниже химические уравнения показывают реакции, которые CO ₂ претерпевает после того, как попадает в океан и превращается в водную форму.

Угольная кислота быстро распадается на свободный ион водорода (технически гидроксоний ) и бикарбонат.

H+ + HCO3^->>>»> ЧАС 2 CO 3 ⟶ ЧАС + + HCO 3 — <\ displaystyle <\ ce H + + HCO3 ^ ->>> H + + HCO3 ^ ->>>»>

Свободный ион водорода встречается с карбонатом, уже присутствующим в воде в результате растворения CaCO ₃ , и вступает в реакцию с образованием большего количества иона бикарбоната.

Растворенные частицы в приведенных выше уравнениях, в основном бикарбонат, составляют систему карбонатной щелочности, которая является основным фактором щелочности морской воды.

Карбонатный насос

Карбонатный насос, иногда называемый противонасосом карбоната, запускается с морских организмов на поверхности океана, производящих твердый неорганический углерод (PIC) в форме карбоната кальция ( кальцит или арагонит , CaCO ₃ ). Этот CaCO ₃ образует твердые части тела, такие как раковины . Образование этих оболочек увеличивает содержание CO _{2 в} атмосфере из-за производства CaCO ₃ в следующей реакции с упрощенной стехиометрией:

Кокколитофориды , почти повсеместная группа фитопланктона, производящая раковины из карбоната кальция, вносят основной вклад в карбонатный насос. Из-за своего обилия кокколитофориды оказывают значительное влияние на химический состав карбонатов в поверхностных водах, в которых они обитают, и в океане внизу: они обеспечивают большой механизм нисходящего переноса CaCO ₃ . Поток CO _{2 между} воздухом и морем, вызванный морским биологическим сообществом, можно определить с помощью коэффициента дождя — доли углерода из карбоната кальция по сравнению с углеродом из органического углерода в твердых частицах, опускающихся на дно океана (PIC / POC). Карбонатный насос действует как отрицательная обратная связь для CO _2, уносимого в океан насосом растворимости. Это происходит с меньшей величиной, чем насос растворимости.

Биологический насос

Органический углерод в виде частиц, созданный в результате биологического производства, может быть экспортирован из верхних слоев океана в потоке, обычно называемом биологическим насосом, или вдыхаться (уравнение 6) обратно в неорганический углерод. В первом случае растворенный неорганический углерод биологически превращается в органическое вещество посредством фотосинтеза (уравнение 5) и других форм автотрофии, которое затем тонет и частично или полностью переваривается гетеротрофами. Органический углерод в виде частиц можно классифицировать в зависимости от того, насколько легко организмы могут расщеплять его для употребления в пищу, как лабильный , полулабильный или тугоплавкий. Фотосинтез фитопланктона является основным источником лабильных и полулабильных молекул и косвенным источником большинства тугоплавких молекул. Лабильные молекулы присутствуют в низких концентрациях за пределами клеток (в пикомолярном диапазоне) и имеют период полураспада всего за несколько минут в свободном состоянии в океане. Они потребляются микробами в течение нескольких часов или дней после производства и обитают на поверхности океана, где вносят большую часть лабильного потока углерода. Полулабильные молекулы, которые гораздо труднее потреблять, могут достигать глубины в сотни метров под поверхностью, прежде чем подвергнуться метаболизму. Огнеупорный РОВ в основном состоит из сильно сопряженных молекул, таких как полициклические ароматические углеводороды или лигнин . Огнеупорный РОВ может достигать глубины более 1000 м и циркулирует в океанах в течение тысяч лет. В течение года примерно 20 гигатонн фотосинтетически фиксированного лабильного и полулабильного углерода поглощается гетеротрофами , тогда как потребляется менее 0,2 гигатонн тугоплавкого углерода. Морское растворенное органическое вещество (РОВ) может накапливать столько же углерода, сколько и нынешнее количество CO _{2 в} атмосфере , но промышленные процессы меняют баланс этого цикла.

энергия] <\ underset <углевод>> + <\ нижний предел <кислород><6o2>>>>> [свет

dioxide><6co2>>+<\underset <6h2o>>+heat>>>»> C 6 ЧАС 12 О 6 углевод + 6 О 2 кислород ⟶ 6 CO 2 углерод диоксид + 6 ЧАС 2 О вода + нагревать <\ displaystyle <\ ce <<\ underset <углевод>> + <\ underset <кислород><6o2>> -> <\ underset <углекислый газ><6co2>> + <\ underset <вода>< 6H2O>> + тепло>>> <\ underset <углекислый газ><6co2>> + <\ underset <вода>< 6H2O>> + тепло>>>»>

Входы

Вклады в морской углеродный цикл многочисленны, но основной вклад в чистом виде вносят атмосфера и реки. Гидротермальные источники обычно доставляют углерод в том количестве, которое они потребляют.

Атмосфера

До промышленной революции океан был источником CO ₂ в атмосферу, уравновешивая влияние выветривания горных пород и наземного органического углерода в виде твердых частиц; теперь он стал приемником избыточного атмосферного CO ₂ . Углекислый газ поглощается из атмосферы на поверхности океана со скоростью обмена, которая варьируется в зависимости от места, но в среднем океаны имеют чистое поглощение CO ₂ 2,2 Пг C в год. Поскольку растворимость углекислого газа увеличивается при понижении температуры, холодные области могут содержать больше CO ₂ и по-прежнему находиться в равновесии с атмосферой; Напротив, повышение температуры поверхности моря снижает способность океанов поглощать углекислый газ. В Северной Атлантике и Северном океане наблюдается самый высокий уровень поглощения углерода на единицу площади в мире, а в Северной Атлантике глубокая конвекция переносит примерно 197 тг в год неупорного углерода на глубину.

Скорость обмена углекислого газа между океаном и атмосферой

Скорость обмена CO _{2 между} океаном и атмосферой зависит от концентрации углекислого газа, уже присутствующего как в атмосфере, так и в океане, температуры, солености и скорости ветра. Эта скорость обмена может быть аппроксимирована законом Генри и может быть рассчитана как S = kP, где растворимость (S) углекислого газа пропорциональна количеству газа в атмосфере или его парциальному давлению .

Фактор веселья

Поскольку поступление углекислого газа в океан ограничено, приток CO ₂ также можно описать с помощью фактора Ревелла . Фактор Revelle — это отношение изменения диоксида углерода к изменению растворенного неорганического углерода, которое служит индикатором растворения диоксида углерода в смешанном слое с учетом насоса растворимости. Фактор Revelle — это выражение, характеризующее термодинамическую эффективность DIC-пула по поглощению CO ₂ в бикарбонат. Чем ниже коэффициент Ревелла, тем выше способность океанской воды поглощать углекислый газ. В то время как Ревелль в свое время рассчитал коэффициент примерно в 10, данные исследования 2004 года показали, что коэффициент Ревелла варьируется от примерно 9 в тропических регионах низких широт до 15 в южном океане недалеко от Антарктиды.

Реки также могут переносить органический углерод в океан в результате выветривания или эрозии алюмосиликатных (уравнение 7) и карбонатных пород (уравнение 8) на суше,

или разложением жизни (уравнение 5, например, растительный и почвенный материал). Реки вносят в океаны примерно равные количества (

0,4 ГтС / год) DIC и DOC. По оценкам, около 0,8 ГтС (DIC + DOC) ежегодно переносится из рек в океан. Реки, впадающие в Чесапикский залив ( реки Саскуэханна , Потомак и Джеймс ), потребляют около 0,004 Гт (6,5 x 10 10 моль) ДВС в год. Общий перенос углерода реками составляет примерно 0,02% от общего содержания углерода в атмосфере. Хотя он кажется небольшим, в течение длительного времени (от 1000 до 10 000 лет) углерод, попадающий в реки (и, следовательно, не попадающий в атмосферу), служит стабилизирующей обратной связью для парникового потепления.

Выходы

Ключевыми результатами морской углеродной системы являются сохранение твердых частиц органических веществ (POC) и карбоната кальция (PIC), а также обратное выветривание . Хотя есть регионы с локальной потерей CO ₂ в атмосферу и гидротермальными процессами, чистых потерь в круговороте не происходит.

Сохранение органических веществ

Осаждение — это долгосрочный сток углерода в океане, а также самая большая потеря углерода океанической системой. Глубокие морские отложения и геологические образования важны, поскольку они обеспечивают полную запись жизни на Земле и являются важным источником ископаемого топлива. Океанический углерод может выходить из системы в виде детрита, который тонет и захоранивается на морском дне без полного разложения или растворения. Отложения на поверхности океана составляют 1,75х10 15 кг углерода в глобальном углеродном цикле. Не более 4% органического углерода в виде твердых частиц из эвфотической зоны в Тихом океане, где происходит первичное производство легких источников энергии , погребено в морских отложениях. Подразумевается, что, поскольку органического вещества в океан поступает больше, чем то, что хоронят, большая его часть расходуется или потребляется внутри.

Судьба тонущего органического углерода

Исторически отложения с самым высоким содержанием органического углерода часто обнаруживались в районах с высокой продуктивностью поверхностных вод или с низкими концентрациями кислорода в придонной воде. 90% органического углерода захоронения происходит в отложениях дельты и континентальном шельфе и верхних склонах; отчасти это связано с коротким временем воздействия из-за меньшего расстояния до морского дна и состава органического вещества, которое уже отложилось в этих средах. Захоронение органического углерода также чувствительно к климатическим условиям: скорость накопления органического углерода была на 50% больше во время ледникового максимума по сравнению с межледниковьем .

Деградация

Перед захоронением на морском дне ПОУ разлагается серией микробных процессов, таких как метаногенез и сульфатредукция. Разложение POC также приводит к образованию микробного метана, который является основным газогидратом на окраинах континентов. Лигнин и пыльца по своей природе устойчивы к разложению , и некоторые исследования показывают, что неорганические матрицы также могут защищать органические вещества. Степень сохранности органического вещества зависит от других взаимозависимых переменных, которые нелинейно изменяются во времени и пространстве. Хотя разложение органического вещества происходит быстро в присутствии кислорода, микробы, использующие различные химические вещества (через окислительно-восстановительные градиенты), могут разлагать органическое вещество в бескислородных отложениях. Глубина захоронения, на которой прекращается разложение, зависит от скорости осаждения, относительного содержания органического вещества в отложениях, типа захороненного органического вещества и множества других переменных. В то время как разложение органических веществ может происходить в бескислородных отложениях, когда бактерии используют окислители, отличные от кислорода ( нитрат , сульфат , Fe 3+ ), разложение, как правило, заканчивается, не дожидаясь полной минерализации . Это происходит из-за преимущественного разложения лабильных молекул над преломляющими молекулами.

Захоронение

Захоронение органического углерода является источником энергии для подземной биологической среды и может регулировать содержание кислорода в атмосфере в длительных временных масштабах (> 10 000 лет). Захоронение может иметь место только в том случае, если органический углерод поступает на морское дно, делая континентальные шельфы и прибрежные окраины основными хранилищами органического углерода, образующегося в результате первичной продукции на суше и в океане. Фьорды или скалы, образовавшиеся в результате ледниковой эрозии, также были определены как области значительного захоронения углерода, скорость которого в сто раз превышает средний уровень по океану. Органический углерод в виде твердых частиц погребен в океанических отложениях, создавая путь между быстро доступным пулом углерода в океане к его хранилищу в геологических временных масштабах. Когда углерод задерживается на морском дне, он считается голубым углеродом . Скорость захоронения можно рассчитать как разницу между скоростью оседания органического вещества и скоростью его разложения.

Консервация карбоната кальция

Осаждение карбоната кальция важно, поскольку оно приводит к потере щелочности, а также к высвобождению CO ₂ (уравнение 4), и, следовательно, изменение скорости сохранения карбоната кальция может изменить парциальное давление CO ₂ в атмосфере Земли. Атмосфера. СаСО ₃ является supersatured в большинстве океанических поверхностных вод и недосыщены на глубине, то есть снаряды, скорее всего, раствориться , как они погружаются в глубины океана. CaCO ₃ также может растворяться в результате метаболического растворения (т.е. может использоваться в пищу и выводиться из организма), и, таким образом, в глубоких океанских отложениях очень мало карбоната кальция. Осаждение и захоронение карбоната кальция в океане удаляет из океана твердые частицы неорганического углерода и в конечном итоге образует известняк . Во временных масштабах более 500 000 лет климат Земли смягчается потоком углерода в литосферу и из нее . Камни образуются в океане на морской день, рециркулируют через тектонику плит обратно на поверхность и выветривании или субдуцированные в мантию , углерод дегазирует с помощью вулканов .

Человеческие воздействия

Океаны поглощают 15-40% антропогенного CO ₂ , и до сих пор около 40% углерода от сжигания ископаемого топлива поступало в океаны. Поскольку фактор Ревелля увеличивается с увеличением CO ₂ , меньшая часть антропогенного потока будет поглощена океаном в будущем. Текущий годовой прирост атмосферного CO ₂ составляет примерно 4 гигатонны углерода. Это вызывает изменение климата, которое приводит к концентрации углерода и процессам обратной связи между климатом и углеродом , которые изменяют циркуляцию океана, а также физические и химические свойства морской воды , что изменяет поглощение CO ₂ . Чрезмерный вылов рыбы и загрязнение океанов пластиком способствуют ухудшению состояния крупнейшего в мире поглотителя углерода.

Закисление океана

Уровень pH океанов снижается из-за поглощения атмосферного CO ₂ . Повышение содержания растворенного диоксида углерода снижает доступность карбонат-иона, снижая состояние насыщения CaCO ₃ , тем самым делая термодинамически более трудным создание оболочки из CaCO ₃ . Карбонатные ионы предпочтительно связываются с ионами водорода с образованием бикарбоната, таким образом, уменьшение доступности карбонатных ионов увеличивает количество несвязанных ионов водорода и уменьшает количество образующегося бикарбоната (уравнения 1–3). pH — это измерение концентрации ионов водорода, где низкий pH означает, что имеется больше несвязанных ионов водорода. Поэтому рН является показателем карбоната видообразования ( формат углерод настоящего времени ) в океане и может быть использован для оценки того, насколько здоровым океан.

Список организмов, которые могут бороться из-за подкисления океана, включает кокколитофориды и фораминиферы (основу морской пищевой цепи во многих областях), источники пищи человека, такие как устрицы и мидии , и, возможно, наиболее заметную структуру, построенную организмами — коралловые рифы. Большая часть поверхностных вод останется перенасыщенной по отношению к CaCO ₃ (как кальциту, так и арагониту) в течение некоторого времени при текущих траекториях выбросов, но организмы, которым требуется карбонат, вероятно, будут заменены во многих областях. Коралловые рифы находятся под давлением из-за чрезмерного вылова рыбы, загрязнения нитратами и потепления воды; закисление океана добавит дополнительную нагрузку на эти важные структуры.

Удобрение железом

Удобрение железом — это аспект геоинженерии , который целенаправленно манипулирует климатической системой Земли, как правило, в аспектах углеродного цикла или радиационного воздействия. В настоящее время геоинженерный интерес представляет возможность ускорения биологического насоса для увеличения экспорта углерода с поверхности океана. Этот увеличенный экспорт теоретически может удалить избыток углекислого газа из атмосферы для хранения в глубинах океана. В настоящее время ведутся исследования по искусственному оплодотворению. Из-за масштабов океана и быстрого времени реакции гетеротрофных сообществ на увеличение первичной продукции трудно определить, приводит ли лимитирующее удобрение питательными веществами к увеличению экспорта углерода. Однако большинство сообщества не считает, что это разумный или жизнеспособный подход.

Плотины и водохранилища

В мире насчитывается более 16 миллионов плотин, которые изменяют перенос углерода из рек в океаны. Используя данные из базы данных Global Reservoirs and Dams, которая содержит около 7000 водохранилищ, в которых содержится 77% общего объема воды, удерживаемой плотинами (8000 км 3 ), предполагается, что доставка углерода в океан снизилась на 13 % с 1970 года и, по прогнозам, к 2030 году достигнет 19%. Избыточный углерод, содержащийся в резервуарах, может дополнительно выделять

0,184 Гт углерода в атмосферу в год, а дополнительные

0,2 ГтС будут захоронены в отложениях. До 2000 г. на бассейны рек Миссисипи , Нигер и Ганг приходилось от 25 до 31% всего захоронения углерода в коллекторах. После 2000 года бассейны рек Парана (где находится 70 плотин) и Замбези (где находится самый большой водохранилище) превышали погребение на реке Миссисипи. Другие крупные вклады в захоронение углерода, вызванное плотиной, происходят на Дунае , Амазонке , Янцзы , Меконге , Енисее и Реках Токантинс .

Недавние измерения

Исследование, проведенное в 2020 году в журнале Nature Communications под руководством Университета Эксетера, обнаруживает значительно более высокий чистый приток углерода в океаны по сравнению с предыдущими исследованиями. Новое исследование использует спутниковые данные для учета небольшой разницы температур между поверхностью океана и глубиной в несколько метров, на которой проводятся измерения. Это может быть полезно с точки зрения смягчения последствий изменения климата, но проблематично с точки зрения подкисления океана .

Источник

Часть серии о
Углеродный цикл