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 .
Часть серии о
Углеродный цикл
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 .
H + + HCO3 ^ ->>>»>
