Углеродный цикл и изменения климата кратко

Обновлено: 05.07.2024

Схема геохимического цикла углерода показывает количество углерода в атмосфере, гидросфере и геосфере Земли, а также годовой перенос углерода между ними. Все величины в гигатоннах (миллиардах тонн). В результате сжигания ископаемого топлива, человечество ежегодно добавляет 5,5 гигатонн углерода в атмосферу

Геохимический цикл углерода — это комплекс процессов, в ходе которых происходит перенос углерода между различными геохимическими резервуарами. В истории Земли углеродный цикл менялся весьма значительно, эти изменения были как и медленные постепенные изменения, так и резкие катастрофические события. Важнейшую роль в круговороте углерода играли и играют живые организмы. В различных формах углерод присутствует во всех оболочках Земли.

Геохимический цикл углерода имеет несколько важных особенностей:

Разные процессы контролировали углеродный цикл на разных промежутках времени.
Резкие, катастрофические изменения цикла углерода играли ключевую роль в эволюции углеродного цикла в истории Земли.
Геохимический цикл углерода всегда происходит через атмосферу и гидросферу. Тем самым, даже самые глубинные процессы могут влиять на окружающую среду и биосферу.

Геохимическая запись углеродного цикла изучена неравномерно по геологической шкале времён. Наиболее полно в этом отношении изучен четвертичный период, самый недавний и кратчайший геологический период, так как, с одной стороны, история углеродного цикла в нём наиболее полно зафиксирована ледниками Арктики и Антарктики. С другой стороны, в это время происходили значительные изменения углеродного цикла, и они неразрывно связаны с климатическими изменениями.

Содержание

Формы углерода

Углерод присутствует в природе в нескольких основных формах:

восстановленная форма в виде метана и других углеводородов содержится в мантии, коре, атмо- и гидросфере
в нейтральном состоянии в виде угля, графита, алмаза и карбида в коре и мантии
в окисленной форме в виде углекислого газа, карбонатов и примеси в силикатах в мантии, коре и атмо- и гидросфере
в виде сложных биоорганических соединений углерод сосредоточен в биосфере, почве, и океане.

Перенос углерода между различными геохимическими резервуарами осуществляется через атмосферу и мировой океан. При этом углерод в атмосфере находится в виде углекислого газа и метана.

Углерод в атмосфере

В атмосфере углерод содержится в виде углекислого газа (СО₂), угарного газа (СО), метана (СH₄) и некоторых других углеводородов [1] . Содержание СО₂ сейчас составляет ~0,04 % (увеличилось на 31 %, по сравнению с доиндустриальной эпохой), метана ~1,7 ppm (увеличился на 149 %), на два порядка меньше, чем СО₂; содержание СО ~0,1 ppm. Метан и углекислый газ создают парниковый эффект, угарный газ такого влияния не оказывает.

Для атмосферных газов применяется понятие время жизни газа в атмосфере, это время, за которое в атмосферу поступает столько же газа, сколько его содержится в атмосфере. Время жизни метана оценивается в 10-14 лет, а время жизни углекислого газа — в 3-5 лет. СО окисляется до СО₂ за несколько месяцев.

Метан поступает в атмосферу в результате анаэробного разложения растительных остатков. Основными источниками поступления метана в современную атмосферу являются болота и тропические леса.

Современная атмосфера содержит большое количество кислорода, и метан в ней быстро окисляется. Таким образом, сейчас доминирующим циклом является кругооборот CO₂, однако в ранней истории Земли ситуация была принципиально иной и метановый цикл доминировал, а углекислотный имел подчинённое значение. Углекислый газ атмосферы является источником углерода для других приповерхностных геосфер.

Углерод в океане

Океан является исключительно важным резервуаром углерода. Общее количество элемента в нём в 100 раз больше чем содержится в атмосфере. Океан через поверхность может обмениваться углекислым газом с атмосферой посредством осаждения и растворения карбонатов с осадочным чехлом Земли. Растворенный в океане углерод существует в трех основных формах:

неорганический углерод

растворённый CO₂
HCO₃ −
CO₃ 2−

Гидросферу можно разделить на три геохимических резервуара: приповерхностный слой, глубокие воды и слой реактивных морских осадков, способных к обмену углекислотой с водой. Эти резервуары различаются по времени отклика на внешние изменения углеродного цикла.

Углерод в земной коре

Содержание углерода в земной коре составляет порядка 0,27 %. С началом индустриальной эпохи человечество стало использовать углерод из этого резервуара и переводить его в атмосферу. Ещё академик Вернадский сравнивал этот процесс с мощной геологической силой, подобной эрозии или вулканизму.

Резервуары углерода

Рассмотрение углеродного цикла имеет смысл начать с оценок количества углерода, сосредоточенного в различных земных резервуарах. При этом мы будем рассматривать состояние системы на 1850 год, до начала индустриальной эры, когда начались массовые выбросы в атмосферу продуктов сжигания ископаемого топлива.

В атмосфере находится немного углерода по сравнению с океаном и земной корой, но углекислый газ атмосферы очень активен, он является строительным материалом для земной биосферы.

Метан не стабилен в современной окислительной атмосфере, в верхних слоях атмосферы при участии гидроксил-ионов он реагирует с кислородом, образуя всё тот же углекислый газ и воду. Основными производителями метана являются анаэробные бактерии, перерабатывающие образовавшуюся в результате фотосинтеза органику. Большая часть метана поступает в атмосферу из болот.

Для газов атмосферы введено понятие времени жизни, это то время, за которое в атмосферу поступает масса газа равная массе этого газа в атмосфере. Для СО₂ время жизни оценивается в 5 лет. Как это ни странно, но время жизни неустойчивого в атмосфере метана значительно больше — порядка 15 лет. Дело в том, что атмосферный углекислый газ участвует в исключительно активном кругообороте с наземной биосферой и мировым океаном, в то время как метан в атмосфере только разлагается.

Представительные оценки количества углерода в различных геологических резервуарах для доиндустриальной эпохи (до 1750 года).

Резервуар	количество углерода в гигатоннах С
Атмосфера	590
Океан	(3,71—3,9)·10 4
поверхностный слой, неорганический углерод	700—900
глубокие воды, неорганический углерод	35 600—38 000
весь биологический углерод океанов	685—700
Пресноводная биота	1—3
наземная биота и почва	2000—2300
растения	500—600
почвы	1500—1700
Морские осадки, способные к обмену углеродом с океанической водой	3000
неорганические, главным образом карбонатные осадки	2500
органические осадки	650
Кора	(7,78—9,0)·10 7
осадочные карбонаты	6,53·10 7
органический углерод	1,25·10 7
Мантия	3,24·10 8
Ресурсы и резервы ископаемого топлива	(7,78—9,0)·10 7
Нефть	636—842
Природный газ	483—564
Уголь	(3,10—4,27)·10 3

Потоки углерода между резервуарами

Различают быстрый и медленный углеродный цикл. Медленный поток углеродного цикла связан с захоронением углерода в горных породах и может продолжаться сотни миллионов лет. [2]

потоки между резервуарами

Потоки	гигатонн в год
захоронение карбонатов	0,13-0,38
захоронение органического углерода	0,05-0,13
Речной снос в океаны, растворённый неорганический углерод	0,39-0,44
Речной снос в океаны, весь органический углерод	0,30-0,41
Вынос реками растворённого органического углерода	0,21-0,22
Вынос реками органического углерода в виде частиц	0,17-0,30
Вулканизм	0,04-0,10
вынос из мантии	0,022-0,07

Продолжительность быстрого углеродного цикла определяется продолжительностью жизни организма. Он представляет собой обмен углеродом непосредственно между биосферой (живыми организмами при дыхании, питании и выделениях, а также мёртвыми организмами при разложении) и атмосферой и гидросферой. [3]

потоки между резервуарами [4]

Потоки	гигатонн в год
атмосферный фотосинтез	120+3
дыхание растений	60
дыхание микроорганизмов и разложение	60
антропогенная эмиссия	3
обмен с океаном	90+2

Изменения углеродного цикла

Докембрийская история

На самых ранних этапах развития земли атмосфера была восстановительной, и содержание метана и углекислого газа было значительно выше, чем сейчас. Эти газы обладают значительным парниковым эффектом, и этим объясняют Парадокс слабого молодого Солнца, который заключается в расхождении оценок древней светимости солнца, и наличие воды на поверхности планеты.

В протерозое произошло кардинальное изменение углеродного цикла: от круговорота метана — к углекислотному циклу. Фотосинтезирующие бактерии начали производить кислород, который первоначально расходовался на окисление атмосферных углеводородов, железа, растворённого в океанах, и других восстановленных фаз. Когда эти ресурсы были исчерпаны, содержание кислорода в атмосфере стало увеличиваться. При этом содержание парниковых газов в атмосфере уменьшилось и началась протерозойская ледниковая эра.

Протерозойская ледниковая эра, произошедшая на границе протерозоя и венда, была одним из сильнейших оледенений в истории Земли. Палеомагнитные данные свидетельствуют, что в то время большая часть континентальных блоков коры были расположены в экваториальных широтах и почти на всех них установлены следы оледенения. В протерозойской ледниковой эпохе было несколько оледенений, и все они сопровождались значительными изменениями изотопного состава углерода осадочных пород. С началом оледенения углерод отложений приобретает резко облегчённый состав, считается, что причина этого изменения в массовом вымирании морских организмов, которые избирательно поглощали легкий изотоп углерода. В межледниковые периоды происходило обратное изменение изотопного состава из-за бурного развития жизни, которая накапливала значительную часть лёгкого изотопа углерода и увеличивала отношение 13 C/ 12 C в морской воде.

В случае протерозойского оледенения предполагается, что причиной отступления ледников (вообще говоря, оледенение устойчиво, и без дополнительных факторов может существовать неограниченно долго) могли быть вулканические эмиссии парниковых газов в атмосферу.

Фанерозой

Оценки содержания диоксида углерода в атмосфере в фанерозое и расчеты по различным геохимическим моделям

В фанерозое атмосфера содержала значительное количество кислорода и имела окислительный характер. Преобладающим был углекислотный цикл кругооборота углерода.

Прямые данные о до четвертичных концентрациях углерода в атмосфере и океане отсутствуют. Историю углеродного цикла в это время можно проследить по изотопному составу углерода в осадочных породах и их относительной распространённости. Из этих данных следует, что в фанерозое углеродный цикл испытывал долгопериодические изменения, которые коррелирут с эпохами горообразования. Во время активации тектонических движений отложение карбонатных пород усиливается и его изотопный состав становится более тяжёлым, что соответствует увеличению сноса углерода из корового источника, содержащего в основном утяжелённый углерод. Поэтому считается, что основные изменения углеродного цикла происходили из-за усиления эрозии континентов в результате горообразования.

Четвертичный период

История изменения содержания СО₂ и СН₄ в атмосфере в четвертичном периоде известна относительно хорошо из изучения покровных ледников Гренландии и Антарктиды (в ледниках зафиксирована история примерно до 800 тыс. лет), лучше, чем для какого-либо периода истории Земли. Четвертичный период (последние 2,6 млн лет) отличается от других геологических периодов циклическими эпохами оледенений и межледниковий. Эти изменения климата чётко коррелированны с изменениями углеродного цикла. Однако даже в этом наиболее изученном случае нет полной ясности в причинах циклических изменений и связи геохимических изменений с климатическими.

Четвертичный период ознаменовался многократными следовавшими друг за другом оледенениями. Атмосферное содержание СО₂ и СН₄ менялось согласованно с вариациями температуры и между собой. При этом из этой палеоклиматической записи следуют следующие наблюдения:

Все ледниково-межледниковые циклы последнего миллиона лет имеют периодичность около 100 тыс. лет, в интервале времени 1—2,6 млн лет назад характерна периодичность около 41 тыс. лет.
Каждый ледниковый период сопровождается понижением атмосферной концентрации СО₂ и СН₄ (характерные содержания 200 ppm и 400 ppb соответственно)
Межледниковые периоды начинаются резким, в геологическом масштабе мгновенным, увеличением концентраций СО₂ и СН₄.
Во время межледниковых периодов между северным и южным полушарием существует градиент концентраций СН₄. Составы воздуха, полученные из ледников Гренландии, систематически больше антарктических на 40—50 ppb. Во время ледниковых эпох концентрация метана в обоих полушариях падает и выравнивается.
Во время ледниковых периодов уменьшается содержание лёгкого изотопа углерода.

Некоторые из этих фактов могут быть объяснены современной наукой, но вопрос причинно-следственных связей, несомненно, пока не имеет ответа.

Развитие оледенения приводит к уменьшению площади и массы наземной биосферы. Так как все растения избирательно поглощают из атмосферы лёгкий изотоп углерода, то при наступлении ледников весь этот облегчённый углерод поступает в атмосферу, а через неё и в океан. Исходя из современной массы наземной биосферы, её среднего изотопного состава и аналогичных данных об океане и атмосфере и зная изменение изотопного состава океана во время ледниковых периодов из останков морских организмов, может быть рассчитано изменение массы наземной биосферы во время ледниковых периодов. Такие оценки были проведены и составили 400 гигатонн по сравнению с современной массой. Таким образом было объяснено изменение изотопного состава углерода.

Все четвертичные оледенения больше развивались в северном полушарии, где есть большие континентальные просторы. В южном полушарии преобладают океаны и там почти полностью отсутствуют обширные болота — источники метана. Болота сосредоточены в тропическом поясе и северном бореальном поясе.

Развитие оледенения приводит к уменьшению северных болот — одного из основных источников метана (и в то же время поглотителей СО₂). Поэтому во время межледниковых периодов, когда площадь болот максимальна в Северном полушарии концентрация метана больше. Этим объясняется наличие градиента концентраций метана между полушариями в межледниковые периоды.

Антропогенное влияние на углеродный цикл

Деятельность людей привнесла новые изменения в цикл углерода. С началом индустриальной эры люди стали всё в возрастающем количестве сжигать ископаемое топливо: уголь, нефть и газ, накопленные за миллионы лет существования Земли. Человечество привнесло значительные изменения в землепользовании: вырубило леса, осушило болота, и затопило прежде сухие земли. Но вся история планеты состоит из грандиозных событий, поэтому, говоря об изменении углеродного цикла человеком необходимо соразмерять масштабы и продолжительность этого воздействия с событиями в прошлом.

С 1850 года в результате сжигания ископаемого топлива концентрация СО₂ в атмосфере увеличилась на 31 %, а метана на 149 %.

См. также

Примечания

↑ Andrews J. et al. An Introduction to Environmental Chemistry. London: Blackwell Science. 1996. 209 p.
↑The Carbon Cycle : Feature Articles
↑The Carbon Cycle : Feature Articles
↑The Carbon Cycle : Feature Articles

Литература

Одум Ю. Экология: В 2-х т. / пер. с англ. — М. Мир, 1986. — Т. 1. — С. 225—229.
Шилов И. А. Экология. — М.: Высшая школа, 1997. — С. 49—50.

Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 13 мая 2011.

1. Цикл углерода и его значение

Углерод (С) — основа жизни на Земле. Совсем не кислород, как думают многие! Мы сделаны из углерода, мы едим углерод, и вся наша цивилизация, всё вокруг построено на углероде. Нам нужен углерод, но эта потребность также вплетена в одну из самых серьезных проблем, стоящих перед нами сегодня: глобальное изменение климата. Зависят ли эти изменения от деятельности человека? Это очень интересный вопрос, но о нём чуть позже.

Углеродный цикл на планете делится на медленный и быстрый.

Быстрый углеродный цикл — это фиксация атмосферного CO₂. Растения и фитопланктон морей и океанов являются основными компонентами быстрого цикла, поглощая CO₂ из воздуха с использованием энергии Солнца:

CO₂ + Н₂О + энергия = СН₂О + O₂

Таким образом, С прочно фиксируется растениями с помощью Солнца и переводится в органическую форму. В этом случае (спойлер) не стоит ли связывать изменение климата не с деятельностью человека (хотя загрязнять воздух дымом ТЭЦ и выхлопами авто, конечно же, плохо), а с солнечной активностью?

Для возвращения углерода из растений обратно в атмосферу (большой цикл) должны произойти четыре вещи, но все они связаны с одной и той же химической реакцией:

Растения расщепляют углеводы, чтобы получить энергию, необходимую им для роста.
Животные (включая людей) едят растения (или животных) и также расщепляют углеводы для получения энергии.
Растения и планктон погибают и разлагаются в конце вегетационного периода.
Огонь уничтожает лес.

В каждом случае O₂ соединяется с углеводами:

СН₂О + O₂ = CO₂ + Н₂О + энергия

Считается, что в настоящее время выделяется больше CO₂, чем может естественным образом поглотить растительность Земли и океаны. Якобы, избыток CO₂ образовал в нашей атмосфере защитное покрытие, задерживающее солнечное тепло и изменяющее наш климат, о чем свидетельствуют изменения в океанских течениях и температуре воздуха. Якобы, характер выпадения осадков меняется, и ледники тают. Но виноваты ли мы с вами и должны ли за это платить?

Короче: когда вам говорят про экологию, декарбонизацию и CO₂ — помните, это всегда про деньги. Большие деньги. И кто-то должен заплатить. И вряд ли вам.

2. Агро-декарбонизация

Считается, что сельское хозяйство — это ЕДИНСТВЕННЫЙ сектор, который способен превратиться из чистого источника выбросов CO₂ в чистый улавливатель CO₂ — другой области, управляемой человеком, с таким потенциалом, не существует.

При этом новомодные принципы ESG (окружающая среда, социальная направленность, прозрачность в управлении) могут привести к следующей ситуации: вам откажут в участии в тендере на продажу зерна, потому что вы углерод не сохраняли в процессе производства этого зерна. Вы не в тренде. Или закупочную цену снизят на сумму Х именно для вас как применение опосредованного налога на декарбонизацию, и никто не станет на вашу сторону. Или вы применяли аммиачную селитру при производстве этого зерна. Думаете, это фантастика? К сожалению, это всё похоже на реальность уже ближайших двух-трёх лет.

Вот вам суперцитата из материалов Института карбонового цикла , США:

Я-то не против солнечной энергии, но завёрнуто слишком заумно и выводы странные. Регенеративное сельское хозяйство? Или дегенеративное? Тут можно бы и поспорить….

Вот ещё пара цитат:

Отучали: не получилось…

Умные люди ловят волну и строят ещё одну финансовую пирамиду…

Хотя на мой взгляд — это всё PR-пустота и мыльный хайповый пузырь. Это рынок акций, основанный ни на чём (я не прав, правильнее было бы — основанный на воздухе и солнечном свете). Не удивлюсь, если этой темой скоро займётся Илон Маск, вызвав истерику на биржах.

Вот ещё порция агропафоса:

Как вам? Плуг-де угрожает цивилизации! Как считали — это не спрашивайте.))

Если вы со мной не согласны, просто подождите. Я, конечно, немного утрирую, но совсем чуть-чуть: тут один шаг остался до введения налога на воздух. А потом налог на дождь…

Если думать головой, то любой умный человек понимает, что всё происходящее на планете — это система замкнутого цикла, в которой ничего не берётся ниоткуда и не исчезает никуда. Так что эти истерические крики понятно откуда и понятно зачем — но опять про деньги, не про планету.

3. Углеродное земледелие

Эта схема быстрого углеродного цикла показывает перемещение углерода между сушей, атмосферой и океанами в миллиардах тонн в год. Желтые числа — это естественные потоки, красные числа — человеческий вклад, белые числа — накопленный углерод.

Круговорот углерода — это биогеохимический цикл , посредством которого происходит обмен углеродом между биосферой Земли , педосферой , геосферой , гидросферой и атмосферой . Наряду с круговоротом азота и круговоротом воды углеродный цикл включает в себя последовательность событий, которые являются ключом к тому, чтобы сделать Землю способной поддерживать жизнь; описывает движение углерода по мере того, как он перерабатывается и повторно используется биосферой, включая поглотители углерода .

Глобальный углеродный баланс представляет собой баланс углеродных обменов (поступлений и потерь) между запасами углерода или между конкретным циклом (например, атмосфера ⇔ биосфера) углеродного цикла. Изучение углеродного баланса резервуара или резервуара может предоставить информацию о том, функционирует ли он как источник или поглотитель углекислого газа. Углеродный цикл был первоначально открыт Джозефом Пристли и Антуаном Лавуазье и популяризирован Хамфри Дэви . [ 1 ]

глобальный климат

Молекулы на основе углерода имеют решающее значение для жизни на Земле, потому что это основной компонент биологических соединений. Углерод также является важным компонентом многих минералов. Углерод также существует в различных формах в атмосфере. Углекислый газ (CO ₂ ) частично отвечает за парниковый эффект и является наиболее важным парниковым газом , производимым человеком. [ 2 ]

За последние два столетия деятельность человека серьезно изменила углеродный цикл, особенно в атмосфере. Хотя уровни углекислого газа естественным образом менялись в течение нескольких тысяч лет, антропогенные выбросы углекислого газа в атмосферу превышают естественные колебания. [ 2 ] Изменения в количестве атмосферного CO ₂ сильно меняют погодные условия и косвенно влияют на химический состав океана. Текущие уровни углекислого газа в атмосфере превышают измерения за последние 420 000 лет, и уровни растут быстрее, чем когда-либо фиксировалось [ 3 ] . Поэтому крайне важно лучше понять, как работает углеродный цикл и как он влияет на глобальный климат. [ 2 ]

Основные компоненты

Запасы углерода в основных месторождениях Земли [ 2 ]

Бронирование	Количество (гигатонны)
Атмосфера	720
Океаны (все)	38 400
Всего неорганических	37 400
Всего органических	1000
Поверхностный слой	670
глубокая крышка	36 730
литосфера
осадочные карбонаты	> 60 000 000
керогены	15 000 000
Наземная биосфера (всего)	2000 г.
живая биомасса	600 - 1000
мертвая биомасса	1200
водная биосфера	1 - 2
Ископаемое топливо (всего)	4130
Уголь	3510
Масло	230
Газ	140
Прочее ( торф )	250

Глобальный углеродный цикл в настоящее время обычно делится на следующие основные пулы, связанные между собой путями обмена:

Атмосфера . _
Земная биосфера .
Океаны , включая растворенный неорганический углерод , а также живую и неживую морскую биоту .
Отложения , включая ископаемое топливо , системы пресной воды и инертный органический материал .
Недра Земли, углерод из мантии и земной коры . Эти запасы углерода взаимодействуют с другими компонентами посредством геологических процессов.

Углеродный обмен между запасами происходит в результате различных химических, физических, геологических и биологических процессов. Океан содержит самый большой активный резервуар углерода у поверхности Земли [ 2 ] Естественные потоки углерода между атмосферой, океаном, наземными экосистемами и отложениями довольно сбалансированы, поэтому уровни углерода были бы относительно стабильными без влияния человека. [ 4 ] [ 5 ]

Атмосфера

Эпифиты на электрических кабелях. Этот тип растений поглощает CO ₂ и воду из атмосферы, чтобы жить и расти, и выбрасывает, также в атмосферу, часть свободного кислорода, который они не используют из CO ₂ .

Углерод в атмосфере Земли существует в двух основных формах: углекислый газ и метан . Оба газа поглощают и сохраняют тепло в атмосфере и частично ответственны за парниковый эффект . Метан производит большой парниковый эффект по сравнению с тем же объемом углекислого газа, но он существует в гораздо более низких концентрациях и имеет более короткое время жизни в атмосфере, чем углекислый газ, что делает последний наиболее важным парниковым газом. [ 6 ]

Углекислый газ покидает атмосферу в результате фотосинтеза , попадая в земную и океаническую биосферы. Углекислый газ также растворяется непосредственно из атмосферы в водоемах (океаны, озера и т. д.), помимо растворения в осадках, когда капли падают из атмосферы. При растворении в воде углекислый газ вступает в реакцию с молекулами воды с образованием угольной кислоты , которая способствует повышению кислотности океана. Затем он может быть поглощен горными породами в результате эрозии. Он также может окислять другие контактные поверхности или стекать в океан. [ 7 ]

Человеческая деятельность за последние два столетия значительно увеличила количество углерода в атмосфере, в основном в форме двуокиси углерода, как за счет изменения способности экосистем извлекать углекислый газ из атмосферы, так и за счет его прямого выброса, т.е. например, сжигание ископаемого топлива и производство бетона. [ 2 ]

земная биосфера

Наземная биосфера включает органический углерод всех живых организмов на суше, как живых, так и мертвых, в дополнение к углероду, хранящемуся в почвах . Приблизительно 500 гигатонн углерода хранится над землей в растениях и других живых организмах [ 4 ] , в то время как земля хранит примерно 1500 гигатонн углерода. [ 8 ] Большая часть углерода в земной биосфере представляет собой органический углерод, в то время как около трети углерода на суше хранится в неорганических формах, таких как карбонат кальция . [ 9 ] Органический углерод является важным компонентом всех живых организмов на планете. Автотрофы извлекают его из воздуха в виде углекислого газа, превращая в органический углерод, а гетеротрофы получают углерод, потребляя другие организмы.

Поскольку поглощение углерода наземной биосферой зависит от биотических факторов, оно следует суточному и сезонному циклу. В измерениях CO ₂ эта особенность проявляется на кривой Килинга . Он сильнее в северном полушарии , потому что в этом полушарии больше суши, чем в южном полушарии, и, следовательно, больше места для экосистем, чтобы поглощать и выделять углерод.

Углерод покидает земную биосферу разными путями и в разных временных масштабах. При сгорании или вдыхании органического углерода он быстро высвобождается в атмосферу . Он также может быть экспортирован в океаны через реки или оставаться в почве в виде инертного углерода. Углерод, хранящийся в почве, может оставаться там до тысяч лет, прежде чем он будет смыт в реки в результате эрозии или выброшен в атмосферу в результате дыхания почвы . В период с 1989 по 2008 год дыхание почвы увеличивалось примерно на 0,1 в год. [ 10 ] В 2008 г. общемировой объем CO ₂ выбросы из почвы достигли около 98 миллиардов тонн, что примерно в 10 раз больше углерода, чем люди выбрасывают в атмосферу каждый год, сжигая ископаемое топливо. Есть несколько правдоподобных объяснений этой тенденции, но наиболее вероятное объяснение состоит в том, что повышение температуры увеличило скорость разложения органического вещества почвы, что увеличило поток CO ₂ . Величина депонирования углерода в почве зависит от местных климатических условий и, таким образом, изменяется в ходе изменения климата . С доиндустриальной эпохи до 2010 года наземная биосфера представляла собой чистый источник CO _{2 .} атмосферный до 1940 г., позже замененный на сетчатый сток. [ 11 ]

океаны

Океаны содержат самое большое количество активно циркулирующего углерода на планете и уступают только литосфере по количеству хранящегося в них углерода. [ 2 ] Поверхностный слой океана хранит большое количество растворенного органического углерода, который быстро обменивается с атмосферой. Концентрация растворенного неорганического углерода (DIC) в глубинном слое примерно на 15% выше, чем в поверхностном слое. [ 12 ] CID хранится на глубоком уровне гораздо дольше. [ 4 ] Термосолевая циркуляция обменивает углерод между этими двумя слоями. [ 2 ]

Углерод попадает в океан главным образом в результате растворения атмосферного углекислого газа, который превращается в карбонат . Он также может поступать через реки в виде растворенного органического углерода . Он преобразуется организмами в органический углерод посредством фотосинтеза и может передаваться через пищевую цепь или осаждаться в более глубоких, богатых углеродом слоях океана в виде мертвых мягких тканей или в раковинах в виде карбоната кальция . Он циркулирует в этом слое в течение длительных периодов времени, прежде чем отложиться в виде осадка или, наконец, вернуться в поверхностные воды посредством термохалинной циркуляции . [ 4 ]

Поглощение CO ₂ океаном является одной из наиболее важных форм секвестрации углерода, которая ограничивает антропогенное увеличение содержания углекислого газа в атмосфере. Тем не менее, этот процесс ограничивается несколькими факторами. Поскольку скорость растворения CO ₂ в океане зависит от эрозии горных пород, и этот процесс происходит медленнее, чем текущие темпы антропогенных выбросов парниковых газов, поглощение CO ₂ океаном в будущем уменьшится. [ 2 ] Поглощение CO ₂ также делает воду более кислой, что влияет на биосистемы океана. Прогнозируемые темпы повышения кислотности океана может задержать биологическое осаждение карбонатов кальция и, таким образом, уменьшить способность океана поглощать углекислый газ. [ 13 ] [ 14 ]

геологический углеродный цикл

Изображение, иллюстрирующее движение тектонических плит , переносящих соединения углерода через мантию .

Геологическая составляющая углеродного цикла работает медленнее по сравнению с другими частями глобального цикла. Это один из наиболее важных факторов, определяющих количество углерода в атмосфере и, следовательно, глобальные температуры. [ 15 ]

Большая часть углерода на Земле хранится в инертной форме в литосфере . [ 2 ] Большая часть углерода, хранящегося в мантии Земли, хранилась там, когда Земля формировалась. [ 16 ] Часть его была отложена биосферой в виде органического углерода. [ 17 ] Из углерода, хранящегося в геосфере, примерно 80% составляет известняк и его производные, которые образуются в результате осаждения карбоната кальция, хранящегося в раковинах морских организмов. Остальные 20% хранятся в керогенах образовались в результате осадконакопления и захоронения наземных организмов в условиях высокого давления и температуры. Органический углерод, хранящийся в геосфере, может оставаться там миллионы лет. [ 15 ]

Углерод может покинуть геосферу несколькими путями. Углекислый газ выделяется при метаморфозе карбонатных пород, когда они скользят сквозь мантию Земли. Этот углекислый газ может выбрасываться в атмосферу и океан через вулканы и горячие точки . [ 16 ] Он также может быть удален человеком путем прямого извлечения керогенов в виде ископаемого топлива . После извлечения ископаемое топливо сжигается для высвобождения энергии, высвобождая углерод, который они хранят, в атмосферу.

человеческое влияние

CO ₂ в атмосфере Земли , если половина выбросов парниковых газов не поглощается. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]

Со времен промышленной революции человеческая деятельность изменила углеродный цикл, изменив функции его компонентов и напрямую добавив углерод в атмосферу. [ 2 ]

Самое большое и непосредственное влияние человека на углеродный цикл осуществляется через прямые выбросы от ископаемого топлива , которые переносят углерод из геосферы в атмосферу. Люди также косвенно влияют на углеродный цикл, изменяя биосферу суши и океана.

На протяжении нескольких столетий землепользование человека и изменение поверхности привели к утрате биоразнообразия, что снижает устойчивость экосистем к экологическим стрессам и уменьшает их способность удалять углерод из атмосферы. Точнее говоря, это часто приводит к выбросу углерода наземными экосистемами в атмосферу. Вырубка лесов в сельскохозяйственных целях приводит к удалению лесов, которые хранят большое количество углерода, и часто заменяет их сельскохозяйственными или городскими районами. Оба типа замещающей поверхности удерживают сравнительно небольшое количество углерода, поэтому конечным результатом процесса является то, что в атмосфере остается больше углерода.

Другие антропогенные воздействия на окружающую среду изменяют продуктивность экосистем и их способность удалять углерод из атмосферы. Загрязнение воздуха , например, наносит ущерб растениям и почвам, в то время как многие методы ведения сельского хозяйства и землепользования приводят к более высоким темпам эрозии , вытягиванию углерода из почв и снижению продуктивности растений.

Люди также влияют на круговорот углерода в океане. Текущие тенденции изменения климата заключаются в повышении температуры океана, изменении экосистем. Кроме того, химический состав океанов меняют кислотные дожди и загрязненные сельскохозяйственные и промышленные стоки. Такие изменения могут иметь драматические последствия для очень чувствительных экосистем, таких как коралловые рифы, ограничивая способность океана поглощать атмосферный углерод в региональном масштабе и уменьшая биоразнообразие океана в глобальном масштабе.

12 ноября 2015 года ученые НАСА сообщили, что антропогенный углекислый газ (CO _{2 )} продолжает расти выше уровней, невиданных сотни тысяч лет: в настоящее время около половины углекислого газа, выделяемого при сжигании земного ископаемого топлива, не поглощается растительностью. или океанов и не поглощается атмосферой. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]

Углеродный цикл – это цикл, посредством которого углерод проходит через различные системы нашей Земли. На углеродный цикл влияют живые существа, атмосферные изменения, химический состав океана и геологическая активность – все это часть этого цикла. Уровни углерода находятся на рекордно высоком уровне, в основном благодаря деятельности человека.

Обзор углеродного цикла

Углерод является существенным элементом для жизни, поскольку мы знаем это из-за его способности сформировать многократные, устойчивые связи с другими молекулами. Вот почему нуклеотиды, аминокислоты Сахар и липиды зависят от углеродных основ: углерод обеспечивает стабильную структуру, которая позволяет химии жизни происходить. Без углерода ни одна из этих молекул не могла бы существовать и функционировать так, чтобы происходила химия жизни.

График ниже иллюстрирует некоторые общие пути, по которым углерод проходит через экосистема :

Как газ, углерод в значительной степени принимает форму углекислого газа. Углекислый газ выделяется организмами, поскольку они расщепляются глюкозой. Автотрофные организмы, такие как растения, используют углекислый газ и солнечный свет для создания глюкозы. Однако углекислый газ также выделяется при разложении органических веществ, геологических процессах и сжигании ископаемого топлива. Избыток двуокиси углерода в значительной степени поглощается океаном, что приводит к подкислению океана и может быть причиной нескольких массовых вымирания.

Углеродный цикл

Углерод в атмосфере

Чтобы стать частью углеродного цикла, атомы углерода начинают в газообразной форме. Углекислый газ – CO2 – может быть произведен неорганическими процессами или метаболизмом живых существ.

До того, как на Земле появилась жизнь, углекислый газ, вероятно, возник в результате вулканической активности и ударов астероидов. Сегодня углерод также выделяется в атмосферу в результате деятельности живых существ, таких как выдохи животных, действия редуцент организмов, а также сжигание древесины и ископаемого топлива людьми.

Несмотря на то, что углекислый газ попадает в атмосферу, газ CO2 является отправной точкой углеродного цикла. Следующий шаг …

Производители Absorb Carbon

«Производители ”- организмы, которые производят пищу из солнечного света, такие как растения, – поглощают углекислый газ из атмосферы и используют его для создания сахаров, липидов, белков и других необходимых строительных блоков жизни.

Для растений CO2 абсорбируется через поры в их листьях, называемые устьицами. Углекислый газ поступает в растение через устьица и входит в состав углеродистых соединений с помощью энергии солнечного света. Растения и другое режиссер организмы, такие как цианобактерии, имеют решающее значение для жизни на Земле, потому что они могут превращать атмосферный углерод в живое вещество. Следующий…

Производители едят

«Потребители ”Являются организмами, которые питаются другими живыми существами. Животные являются наиболее видимым типом потребитель в наших экосистемах, хотя многие виды микробов также попадают в эту категорию.

Потребители включают углеродистые соединения из растений и других источников пищи, когда они их едят. Они используют некоторые из этих соединений углерода из пищи, чтобы построить свое собственное тело, но большая часть пищи, которую они едят, расщепляется, чтобы выпустить энергию, в процессе, который почти противоположен тому, что делают производители.

В то время как производители используют энергию солнечного света для установления связей между атомами углерода, животные разрывают эти связи для высвобождения содержащейся в них энергии, превращая в конечном итоге сахара, липиды и другие углеродные соединения в одноуглеродные единицы. В конечном итоге они выбрасываются в атмосферу в виде CO2.

Но как насчет углеродных соединений, которые не съедаются и не расщепляются животными?

Декомпозеры выпускают углерод

Как и животные, разложители разрушают химические связи в молекулах пищи. Они создают много химических продуктов, в том числе в некоторых случаях CO2.

Деятельность человека

В последнее время люди внесли большие изменения в углеродный цикл Земли. Сжигая огромное количество ископаемого топлива и вырубая примерно половину лесов Земли, люди снижают способность Земли выводить углерод из атмосферы, одновременно выпуская в атмосферу большое количество углерода, который хранился в твердой форме в виде растительного вещества. и ископаемое топливо.

Научный сообщество вызывает тревогу, что, внося значительные изменения в углеродный цикл Земли, мы можем в конечном итоге изменить наш климат или другие важные аспекты экосистемы, на которые мы надеемся выжить. В результате многие ученые выступают за уменьшение количества углерода, сжигаемого людьми, за счет сокращения использования автомобилей и потребления электроэнергии, а также за инвестиции в негорючие источники энергии, такие как солнечная энергия и энергия ветра.

атмосфера

Одним из основных хранилищ углерода является углекислый газ в атмосфере Земли. Углерод образует стабильный, газообразный молекула в сочетании с двумя атомами кислорода. В природе этот газ выделяется в результате вулканической активности и дыхания животных, которые прикрепляют молекулы углерода из пищи, которую они едят, к молекулам кислорода, прежде чем выдыхать его.

Углекислый газ может быть удален из атмосферы растениями, которые поглощают атмосферный углерод и превращают его в сахара, белки, липиды и другие жизненно важные молекулы. Он также может быть удален из атмосферы путем поглощения в океане, молекулы воды которого могут связываться с углекислым газом с образованием углекислоты.

литосфера

Вулканическая активность может привести к естественным выбросам углекислого газа. Некоторые ученые считают, что повсеместная вулканическая активность может быть виновата в потеплении Земли, которое вызвало пермский вымирание.

Хотя земная кора может добавлять углерод в атмосферу, она также может удалять его. Движения земной коры могут закапывать углеродсодержащие химические вещества, такие как мертвые растения и животные, глубоко под землей, где их углерод не может уйти обратно в атмосферу. В течение миллионов лет эти подземные резервуары органического вещества разжижаются и превращаются в уголь, нефть и бензин. В последние годы люди начали выпускать большую часть этого изолированного углерода обратно в атмосферу, сжигая эти материалы для питания автомобилей, электростанций и другого человеческого оборудования.

биосфера

Среди живых существ некоторые удаляют углерод из атмосферы, а другие возвращают его обратно. Наиболее заметными участниками этой системы являются растения и животные.

В изящно сбалансированном наборе химических реакций животные едят растения (и других животных) и снова разделяют эти синтезированные молекулы. Животные получают топливо из химических энергетических растений, которые хранятся в связях между атомами углерода и другими атомами во время фотосинтеза. Для этого клетки животных разлагают сложные молекулы, такие как сахара, жиры и белки, вплоть до одноуглеродных единиц – молекул углекислого газа, которые образуются в результате реакции углеродсодержащих пищевых молекул с кислородом из воздуха.

Океаны

Земные океаны обладают способностью поглощать и выделять углекислый газ. Когда углекислый газ из атмосферы вступает в контакт с океанской водой, он может вступать в реакцию с молекулами воды с образованием углекислоты – растворенной жидкой формы углерода.

Когда в океане содержится больше углекислоты по сравнению с двуокисью углерода в атмосфере, некоторое количество углекислоты может выделяться в атмосферу в виде двуокиси углерода. С другой стороны, когда в атмосфере будет больше углекислого газа, большее количество углекислого газа будет преобразовано в углекислоту, и уровень кислотности океана повысится.

Некоторые ученые высказывают опасения, что в некоторых частях океана повышается кислотность, возможно, в результате увеличения содержания углекислого газа в атмосфере в результате деятельности человека. Хотя эти изменения в кислотности океана могут показаться незначительными по человеческим стандартам, многие виды морской жизни зависят от химических реакций, для выживания которых требуется высокоспецифичный уровень кислотности. Фактически, подкисление океана в настоящее время убивает многие сообщества коралловых рифов.

Почему углеродный цикл важен?

Углеродный цикл в нормальных условиях обеспечивает стабильность таких переменных, как атмосфера Земли, кислотность океана и наличие углерода для использования живыми существами. Каждый из его компонентов имеет решающее значение для здоровья всех живых существ, особенно людей, которые полагаются на многие продовольственные культуры и животных, чтобы кормить наших больших Население.

Углекислый газ в атмосфере предотвращает выход солнечного тепла в космос, очень похожий на стеклянные стены теплицы. Это не всегда плохо – некоторое количество углекислого газа в атмосфере полезно для поддержания тепла Земли и ее стабильной температуры.

Но Земля в прошлом переживала катастрофические циклы потепления, такие как вымирание в Перми, которое, как считается, было вызвано резким повышением уровня парниковых газов в атмосфере. Никто не уверен, что послужило причиной перемен, которые привели к исчезновению перми. Но парниковые газы, возможно, были добавлены в атмосферу в результате воздействия астероидов, вулканической активности или даже сильных лесных пожаров.

Независимо от причины, во время этого потепления температура резко возросла. Большая часть Земли стала пустыней, и более 90% всех вид жизнь в то время вымерла. Это хороший пример того, что может произойти, если жизненно важные циклы нашей планеты претерпят большие изменения.

Читайте также: