Hiilen geokemiallinen kiertokulku

Geokemiallinen hiilikierto  on joukko prosesseja, jotka siirtävät hiiltä eri geokemiallisten varastojen välillä . Maan historiassa hiilen kiertokulku on muuttunut varsin merkittävästi, nämä muutokset ovat olleet sekä hitaita asteittaisia ​​muutoksia että äkillisiä katastrofaalisia tapahtumia. Elävillä organismeilla on ollut ja on edelleen tärkein rooli hiilen kierrossa . Hiiltä on eri muodoissa kaikissa maapallon kuorissa .

Geokemiallisella hiilen kierrolla on useita tärkeitä ominaisuuksia:

• Eri aikoina eri prosessit olivat ratkaisevia hiilen kierrossa.
• Äkilliset, katastrofaaliset muutokset hiilen kierrossa ovat olleet avainasemassa hiilen kierron kehityksessä maapallon historiassa.
• Hiilen geokemiallinen kierto tapahtuu aina ilmakehän ja hydrosfäärin läpi . Siten jopa syvällisimmät prosessit voivat vaikuttaa ympäristöön ja biosfääriin .

Hiilen kierron geokemiallista kirjaa on tutkittu epätasaisesti geologisella aikaskaalalla. Täydellisesti tutkittu tässä suhteessa on kvaternaarikausi , viimeisin ja lyhin geologinen ajanjakso, koska toisaalta arktisen ja Etelämantereen jäätiköt tallentavat sen hiilikierron historian täydellisimmin . Toisaalta hiilikierrossa tapahtui tänä aikana merkittäviä muutoksia, jotka liittyvät erottamattomasti ilmastonmuutokseen .

Alkuaineiden geokemiallisten syklien muutoksia tutkittaessa on otettava huomioon ilmiöiden aika-asteikko. Jotkut prosessit voivat aiheuttaa hienoisia muutoksia, joista tulee ratkaisevia pitkien geologisten ajanjaksojen aikana. Muut muutokset voivat olla katastrofaalisia ja tapahtua hyvin lyhyessä ajassa. Samaan aikaan ajan käsite, ominaisuudet "pitkä" ja "hidas" ovat tässä yhteydessä suhteellisia. Esimerkki geologisesti välittömästä tapahtumasta geokemiallisessa hiilen kierrossa on myöhäisen paleoseenin lämpömaksimi .

Hiilen muodot

Hiiltä esiintyy luonnossa useissa perusmuodoissa:

• pelkistetty muoto metaanin ja muiden hiilivetyjen muodossa esiintyy vaipassa , kuoressa , ilmakehässä ja hydrosfäärissä
• neutraalissa tilassa kuten kivihiili , grafiitti , timantti ja karbidi kuoressa ja vaipassa
• hapettuneessa muodossa hiilidioksidina , karbonaatteina ja epäpuhtauksina silikaateissa vaipassa, kuoressa ja ilmakehässä ja hydrosfäärissä
• monimutkaisten orgaanisten yhdisteiden muodossa hiili keskittyy biosfääriin , maaperään ja valtamereen.

Hiilen siirto eri geokemiallisten varastojen välillä tapahtuu ilmakehän ja valtamerten kautta. Samaan aikaan ilmakehän hiili on hiilidioksidin ja metaanin muodossa.

Hiiliä ilmakehässä

Ilmakehässä hiiltä on hiilidioksidin (CO 2 ), hiilimonoksidin (CO), metaanin (CH 4 ) ja joidenkin muiden hiilivetyjen muodossa [1] . CO 2 -pitoisuus on nyt ~0,04 % (nousu 31 % esiteolliseen aikaan verrattuna), metaanin pitoisuus ~1,7 ppm (nousu 149 %), kaksi suuruusluokkaa pienempi kuin CO 2 ; CO-pitoisuus ~0,1 ppm. Metaani ja hiilidioksidi luovat kasvihuoneilmiön , hiilimonoksidi ei.

Ilmakehän kaasuille käytetään kaasun elinajan ilmakehässä käsitettä, joka on aika, jonka aikana ilmakehään pääsee niin paljon kaasua kuin ilmakehässä on. Metaanin eliniän arvioidaan olevan 10-14 vuotta ja hiilidioksidin 3-5 vuotta. CO hapettuu CO 2 :ksi muutamassa kuukaudessa.

Metaani pääsee ilmakehään kasvitähteiden anaerobisen hajoamisen seurauksena. Tärkeimmät metaanin lähteet nykyaikaisessa ilmakehässä ovat suot ja trooppiset metsät.

Nykyaikainen ilmakehä sisältää suuren määrän happea ja siinä oleva metaani hapettuu nopeasti. Näin ollen nyt hallitseva kierto on CO 2 -kierto , mutta Maan alkuhistoriassa tilanne oli olennaisesti erilainen ja metaanikierto hallitsi, kun taas hiilidioksidikierto oli toissijainen. Ilmakehän hiilidioksidi on hiilen lähde muille maanpinnan lähellä sijaitseville geosfääreille.

Hiili valtameressä

Meri on erittäin tärkeä hiilivarasto. Alkuaineen kokonaismäärä siinä on 100 kertaa enemmän kuin ilmakehässä. Valtameri pinnan läpi voi vaihtaa hiilidioksidia ilmakehän kanssa ja myös karbonaattien saostumisen ja liukenemisen kautta maapallon sedimenttipeitteen kanssa. Mereen liuennutta hiiltä on kolmessa päämuodossa:

• epäorgaaninen hiili
  • liuennut CO2
  • HCO3 - _
  • CO 3 2−
• orgaaninen hiili, joka on keskittynyt valtameren eliöihin

Hydrosfääri voidaan jakaa kolmeen geokemialliseen säiliöön: pintakerrokseen, syvään vesiin ja reaktiivisten merisedimenttien kerrokseen, joka kykenee vaihtamaan hiilidioksidia veden kanssa. Nämä säiliöt eroavat vasteajastaan ​​hiilen kierron ulkoisiin muutoksiin.

Hiiliä maankuoressa

Maankuoren hiilipitoisuus on noin 0,27 %. Teollisen aikakauden myötä ihmiskunta alkoi käyttää hiiltä tästä säiliöstä ja siirtää sitä ilmakehään. Akateemikko Vernadsky vertasi tätä prosessia voimakkaaseen geologiseen voimaan, joka on samanlainen kuin eroosio tai vulkanismi.

Hiilivarastot

Hiilen kiertokulku huomioon ottaen on järkevää aloittaa arvioista eri maanpäällisiin varastoihin keskittyneen hiilen määrästä. Tässä tapauksessa tarkastellaan järjestelmän tilaa vuodelta 1850, ennen teollisen aikakauden alkua, jolloin alkoivat massiiviset fossiilisten polttoaineiden palamistuotteiden päästöt ilmakehään.

Ilmakehässä on vähän hiiltä verrattuna valtamereen ja maankuoreen, mutta ilmakehän hiilidioksidi on erittäin aktiivista, se on maapallon biosfäärin rakennusmateriaali.

Metaani ei ole stabiili nykyaikaisessa hapettavassa ilmakehässä; yläilmakehässä se reagoi hydroksyyli- ionien kanssa hapen kanssa muodostaen saman hiilidioksidin ja veden. Tärkeimmät metaanin tuottajat ovat anaerobisia bakteereja , jotka prosessoivat fotosynteesin tuloksena muodostuvaa orgaanista ainesta . Suurin osa metaanista pääsee ilmakehään soista.

Ilmakehän kaasuille otetaan käyttöön eliniän käsite, tämä on aika, jonka aikana kaasumassa tulee ilmakehään, joka on yhtä suuri kuin tämän kaasun massa ilmakehässä. CO 2 :n käyttöikä on arviolta 5 vuotta. Kummallista kyllä, mutta epävakaan metaanin elinikä ilmakehässä on paljon pidempi - noin 15 vuotta. Tosiasia on, että ilmakehän hiilidioksidi on mukana erittäin aktiivisessa kierrossa maanpäällisen biosfäärin ja maailman valtameren kanssa, kun taas metaani ilmakehässä vain hajoaa.

Hiilivirrat säiliöiden välillä

On nopeita ja hitaita hiilikiertoja. Hiilen kierron hidas virtaus liittyy hiilen varastoimiseen kiviin ja voi jatkua satoja miljoonia vuosia. Noin 80 % hiiltä sisältävistä kivistä muodostui Maailman valtamerellä kalsiumkarbonaattia sisältävien organismiosien kerrostumista. [3]

Nopean hiilen kierron pituus määräytyy organismin eliniän mukaan . Se edustaa hiilen vaihtoa suoraan biosfäärin (elävät organismit hengityksen, ravinnon ja erittymisen aikana sekä kuolleet organismit hajoamisen aikana) ja ilmakehän ja hydrosfäärin välillä. [5]

(+-merkin jälkeen olevat luvut osoittavat ihmisen aiheuttamaa vaikutusta .)

Muutokset hiilen kierrossa

Prekambrian historia

Maan kehityksen alkuvaiheessa ilmakehä oli pelkistymässä, ja metaani- ja hiilidioksidipitoisuus oli paljon nykyistä korkeampi. Näillä kaasuilla on merkittävä kasvihuoneilmiö, ja tämä selittää Faint Young Sun -paradoksin , joka koostuu auringon muinaisen kirkkauden arvioiden ja planeetan pinnalla olevan veden välisestä erosta.

Proterotsoicissa hiilikierrossa tapahtui kardinaalinen muutos: metaanikierrosta hiilidioksidikiertoon. Fotosynteettiset bakteerit alkoivat tuottaa happea, jota käytettiin alun perin hapettamaan ilmakehän hiilivetyjä, valtameriin liuennutta rautaa ja muita pelkistettyjä faaseja. Kun nämä resurssit loppuivat, ilmakehän happipitoisuus alkoi nousta. Samaan aikaan ilmakehän kasvihuonekaasujen pitoisuus pieneni ja proterotsoinen jääkausi alkoi.

Proterotsoinen jääkausi, joka tapahtui Proterotsoiikan ja Vendian rajalla, oli yksi maapallon historian vahvimmista jäätiköistä. Paleomagneettiset tiedot osoittavat, että suurin osa mannermaisista kuorilohkoista sijaitsi tuolloin päiväntasaajan leveysasteilla ja lähes kaikista niistä löytyi jäätikön jälkiä. Proterotsoisen jääkauden aikana tapahtui useita jääkausia, joihin kaikkiin liittyi merkittäviä muutoksia sedimenttikivien hiili-isotooppikoostumuksessa. Jääkauden alkaessa sedimenttien hiili saa jyrkästi kevyemmän koostumuksen, syynä tähän muutokseen uskotaan olevan hiilen kevyen isotoopin valikoivasti absorboineiden merieliöiden massasukupuuttoon. Interglasiaalisilla jaksoilla isotooppikoostumus kääntyi päinvastaiseksi elämän nopean kehityksen johdosta, mikä keräsi merkittävän osan kevyestä hiiliisotoopista ja nosti meriveden 13 C / 12 C -suhdetta.

Proterotsoisen jäätikön tapauksessa oletetaan, että jäätiköiden vetäytymisen syynä (yleisesti ottaen jäätikkö on vakaata ja ilman lisätekijöitä voi esiintyä loputtomiin) voisi olla vulkaaniset kasvihuonekaasupäästöt ilmakehään.

Phanerosa

Fanerozoicissa ilmakehä sisälsi huomattavan määrän happea ja sillä oli hapettava luonne. Hiilikierron hiilidioksidikierto oli hallitseva.

Suoraa tietoa esikvarteerikauden hiilipitoisuuksista ilmakehässä ja valtamerissä ei ole saatavilla. Hiilen kierron historiaa tällä hetkellä voidaan jäljittää sedimenttikivissä olevan hiilen isotooppisen koostumuksen ja niiden suhteellisen runsauden perusteella. Näistä tiedoista seuraa, että phanerozoicissa hiilen kierto koki pitkäaikaisia ​​muutoksia, jotka korreloivat vuoristorakentamisen aikakausien kanssa . Tektonisten liikkeiden aktivoitumisen aikana karbonaattikivien laskeuma voimistuu ja sen isotooppinen koostumus raskaampi, mikä vastaa hiilen poistumisen lisääntymistä pääasiassa painotettua hiiltä sisältävästä maankuoren lähteestä. Siksi uskotaan, että suurimmat muutokset hiilen kierrossa tapahtuivat vuoristorakentamisen seurauksena mantereiden lisääntyneen eroosion vuoksi.

Kvaternaarikausi

Kvaternaarikauden ilmakehän hiilidioksidi- ja CH 4 -pitoisuuksien muutosten historia tunnetaan suhteellisen hyvin Grönlannin ja Etelämantereen jääpeitteiden tutkimuksesta (jäätikköissä on kirjattu jopa noin 800 tuhatta vuotta). paremmin kuin millään maapallon historian ajanjaksolla. Kvaternaarikausi (viimeiset 2,6 Ma) eroaa muista geologisista ajanjaksoista syklisillä jääkausien ja interglasiaalien jaksoilla . Nämä ilmastonmuutokset korreloivat vahvasti hiilen kiertokulun muutoksiin. Tässäkään tutkituimmassa tapauksessa ei kuitenkaan ole täydellistä selvyyttä syklisten muutosten syistä ja geokemiallisten muutosten suhteesta ilmaston muutoksiin.

Kvaternaarikaudella oli useita peräkkäisiä jäätiköitä. CO 2 :n ja CH 4 : n ilmakehän pitoisuudet vaihtelivat lämpötilan vaihteluiden mukaan ja keskenään. Samaan aikaan tästä paleoklimaattisesta tietueesta seuraa seuraavat havainnot:

1. Kaikkien viimeisen miljoonan vuoden jääkausien välisten jaksojen jaksollisuus on noin 100 tuhatta vuotta, aikavälillä 1-2,6 miljoonaa vuotta sitten noin 41 tuhannen vuoden jaksollisuus on tyypillistä.
2. Jokaiseen jääkauteen liittyy ilmakehän CO 2 - ja CH 4 -pitoisuuksien lasku (tyypilliset pitoisuudet ovat 200 ppm ja 400 ppb ).
3. Interglasiaaliset jaksot alkavat CO 2 - ja CH 4 -pitoisuuksien voimakkaalla, geologisesti välittömällä nousulla .
4. Interglasiaalisten kausien aikana pohjoisen ja eteläisen pallonpuoliskon välillä on CH 4 -pitoisuusgradientti . Grönlannin jäätiköistä saadut ilman koostumukset ovat systemaattisesti 40–50 ppb suurempia kuin Etelämantereen jäätiköt. Jääkauden aikana metaanipitoisuudet molemmilla pallonpuoliskoilla laskevat ja tasoittuvat.
5. Jääkausien aikana kevyen hiilen isotoopin pitoisuus vähenee.

Jotkut näistä tosiasioista voidaan selittää modernilla tieteellä, mutta syyn ja seurauksen kysymys on tietysti vielä ratkaisematta.

Jääkauden kehittyminen johtaa maanpäällisen biosfäärin pinta-alan ja massan pienenemiseen. Koska kaikki kasvit absorboivat selektiivisesti kevyen hiilen isotoopin ilmakehästä, jäätiköiden edetessä kaikki tämä kevyt hiili pääsee ilmakehään ja sen kautta valtamereen. Maan biosfäärin nykyisen massan, sen keskimääräisen isotooppisen koostumuksen ja vastaavien valtamerta ja ilmakehää koskevien tietojen perusteella sekä valtameren isotooppisen koostumuksen muutoksen jääkausien aikana meren eliöiden jäännösten vaikutuksesta, valtameren massan muutos Maan biosfääri jääkausien aikana voidaan laskea. Tällaisia ​​arvioita tehtiin ja ne olivat 400 gigatonnia nykyiseen massaan verrattuna. Siten selitettiin muutos hiilen isotooppikoostumuksessa.

Kaikki kvaternaariset jäätiköt kehittyivät enemmän pohjoisella pallonpuoliskolla, jossa on suuria mannerlaaveuksia. Eteläistä pallonpuoliskoa hallitsevat valtameret, eikä siellä juuri ole valtavia soita - metaanin lähteitä. Suot ovat keskittyneet trooppiselle vyöhykkeelle ja pohjoiselle boreaaliselle vyöhykkeelle.

Jäätikön kehittyminen johtaa pohjoisten suiden vähenemiseen - yksi tärkeimmistä metaanin lähteistä (ja samalla hiilidioksidin absorboijista ) . Siksi interglasiaalisilla jaksoilla, jolloin soiden pinta-ala on suurin pohjoisella pallonpuoliskolla, metaanin pitoisuus on suurempi. Tämä selittää metaanin pitoisuusgradientin läsnäolon puolipallojen välillä jääkauden välisenä aikana.

Ihmisperäinen vaikutus hiilen kiertoon

Ihmisen toiminta on tuonut uusia muutoksia hiilen kiertokulkuun. Teollisuuden aikakauden myötä ihmiset alkoivat polttaa fossiilisia polttoaineita : hiiltä, ​​öljyä ja kaasua, joita on kertynyt miljoonien vuosien aikana maapallon olemassaolosta. Ihmiskunta on tuonut merkittäviä muutoksia maankäyttöön: hakannut metsiä , ojittanut suot ja tulvinut aiemmin kuivia maita. Mutta koko planeetan historia koostuu suurenmoisista tapahtumista, joten kun puhutaan ihmisen muutoksesta hiilikierrossa, on tarpeen tasapainottaa tämän vaikutuksen laajuus ja kesto menneisyyden tapahtumien kanssa.

Hiilidioksidi on tärkein ihmisen aiheuttama kasvihuonekaasu, sen pitoisuus ilmakehässä on ylittänyt merkittävästi sen luonnollisen levinneisyysalueen viimeisen 650 tuhannen vuoden aikana [7] .

Vuodesta 1850 lähtien ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on noussut 31 % ja metaanin pitoisuus 149 %, minkä useat tutkijat ovat liittäneet ihmisperäiseen vaikutukseen, ja YK:n IPCC :n mukaan jopa kolmasosa ihmisen aiheuttamasta kokonaishiilestä. 2 päästöt ovat seurausta metsien hävittämisestä . [kahdeksan]

Useat työt viittaavat kasvihuonekaasujen lisääntymiseen 1500-luvun pienen jääkauden päättymisen, sitä seuranneen lämpenemisen ja siihen liittyvien kasvihuonekaasuvarastojen vapautumisen seurauksena. Samaan aikaan valtameren lämpenemisen seurauksena toisaalta vapautuu liuennutta CO 2 :ta ja toisaalta metaaniklatraatit sulavat ja hajoavat, mikä johtaa sen vapautumiseen valtamereen ja ilmakehään.

Katso myös

• Hiilidioksidi maan ilmakehässä
• Myöhäisen paleoseenin lämpömaksimi
• Ilmasto
• Hiilen isotoopit
• Stokastinen resonanssi
• Ilmaston lämpeneminen

Muistiinpanot

1. ↑ Andrews J. et ai. Johdatus ympäristökemiaan. Lontoo: Blackwell Science. 1996. 209 s.
2. ↑ Taulukko 1  (downlink) Falkowski, P.; Scholes, RJ; Boyle, E.; Canadell, J.; Canfield, D.; Elser, J.; Gruber, N.; Hibbard, K.; Högberg, P.; Linder, S.; MacKenzie, FT; Moore b, 3; Pedersen, T.; Rosenthal, Y.; Seitzinger, S.; Smetacek, V.; Steffen, W. Maailmanlaajuinen hiilikierto: Testi maapallon tuntemuksestamme  //  Science : Journal. - 2000. - Voi. 290 , no. 5490 . - s. 291-296 . - doi : 10.1126/tiede.290.5490.291 . - . — PMID 11030643 .
3. ↑ Hiilikierto: Ominaisuusartikkelit . Haettu 17. joulukuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 16. kesäkuuta 2012. (määrätön)
4. ↑ Elementit – tiedeuutisia: Meren kalat vaikuttavat merkittävästi karbonaattien muodostumiseen . Haettu 13. joulukuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 9. joulukuuta 2016. (määrätön)
5. ↑ Hiilikierto: Ominaisuusartikkelit . Haettu 17. joulukuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 30. joulukuuta 2012. (määrätön)
6. ↑ Hiilikierto: Ominaisuusartikkelit . Haettu 17. joulukuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 18. heinäkuuta 2012. (määrätön)
7. ↑ Arkistoitu kopio (linkki ei saatavilla) . Haettu 28. huhtikuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 30. lokakuuta 2012. (määrätön) 
8. ↑ https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/ar4-wg1-chapter7-1.pdf Arkistoitu 3. elokuuta 2019 Wayback Machinen IPCC:n neljänteen arviointiraporttiin, työryhmän I raportti "The Fysikaaliset perusteet”, kohta 7.3.3.1.5 (s. 527)

Kirjallisuus

• Odum Y. Ecology: 2 osassa / käännös. englannista. — M.:. Mir, 1986. - T. 1. - S. 225-229.
• Shilov I. A. Ekologia. - M .: Higher School, 1997. - S. 49-50.
• Aineiden levikki // Suuri Neuvostoliiton Encyclopedia  : [30 nidettä]  / ch. toim. A. M. Prokhorov . - 3. painos - M .  : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1969-1978.
• Villieläinten tietosanakirja. / Ch. Toimittaja: akad. Chubaryan A. O .. - M . : Exlibris, 2006. - V. 5. - S. 10. - 160 s.
• Robert Hazen . Sinfonia nro 6 Hiili ja melkein kaiken kehitys = Robert M. Hazen. Sinfonia in C: Hiili ja (melkein) kaiken kehitys / Anastasia Naumenko. - M . : Alpina tietokirjallisuus, 2021. - 410 s. - ISBN 978-5-00139-283-5 .

Linkit

• Hiilikierto  // Tietosanakirja " Krugosvet ".
• Hiilen kiertokulku luonnossa . (määrätön)

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Suuri tanskalainen Suuri katalaani Hienoa norjalaista maailman ympäri Britannica (verkossa)
Bibliografisissa luetteloissa	GND : 4164552-2 J9U : 987007283487105171 LCCN : sh85020105 NKC : ph225447