Karbonat-silikat tsikli - Carbonate–silicate cycle

Ushbu rasm karbonat silikat tsiklining uzoq muddatli uglerod tsikli doirasidagi geologik jihatlari va jarayonlarini tavsiflaydi.

The karbonat-silikat geokimyoviy aylanishi, deb ham tanilgan noorganik uglerod aylanishi, ning uzoq muddatli o'zgarishini tavsiflaydi silikat toshlar karbonat tomonidan toshlar ob-havo va cho'kma va karbonat jinslarining yana silikat jinslarga aylanishi metamorfizm va vulkanizm.[1][2] Karbonat angidrid atmosfera havosidan tozalangan minerallarni ko'mish paytida chiqarib tashlanadi va atmosfera orqali vulkanizm. Million yillik vaqt miqyosida karbonat-silikat tsikli Yer iqlimini boshqarishda asosiy omil hisoblanadi, chunki u tartibga soladi karbonat angidrid darajalari va shuning uchun global harorat.[2]

Ammo ob-havoning tezligi erning qancha ta'sirlanishini modulyatsiya qiluvchi omillarga sezgir. Ushbu omillarga quyidagilar kiradi dengiz sathi, topografiya, litologiya va o'simlik o'zgarishlar.[3] Bundan tashqari, ushbu geomorfik va kimyoviy o'zgarishlar, quyoshning majburlashi bilan birgalikda, orbital o'zgarishlar yoki yulduz evolyutsiyasi tufayli ham global sirt haroratini aniqlashga yordam berdi. Bundan tashqari, karbonat-silikat tsikli uchun mumkin bo'lgan echim sifatida qaraldi zaif Quyosh paradoksi.[1][2]

Tsiklga umumiy nuqtai

Ushbu sxemada karbonat-silikat tsiklini tashkil etuvchi turli xil fizikaviy va kimyoviy jarayonlar o'rtasidagi bog'liqlik ko'rsatilgan.

Karbonat-silikat tsikli asosiy nazorat hisoblanadi karbonat angidrid uzoq vaqt o'lchovlari bo'yicha darajalar.[2] Uni filiali sifatida ko'rish mumkin uglerod aylanishi, shuningdek, o'z ichiga oladi organik uglerod aylanishi biologik jarayonlar orqali karbonat angidrid va suvni organik moddalar va kislorodga aylantiradi fotosintez.[4]

Fizikaviy va kimyoviy jarayonlar

Cho'kindilarning yadrosida joylashgan mikroskopik chig'anoqlar o'tgan iqlim sharoitlarini, shu jumladan okean harorati va atmosfera kimyosining jihatlarini aniqlash uchun ishlatilishi mumkin.
Serialning bir qismi
Uglerod aylanishi
Organik moddalarning shakllari.webp
Biogeokimyoviy

Noorganik tsikl ishlab chiqarish bilan boshlanadi karbonat kislota (H2CO3) yomg'ir suvi va gazsimon karbonat angidriddan.[5] Karbonat kislota a kuchsiz kislota, lekin uzoq vaqt o'lchovlari davomida u silikat jinslarini (shuningdek karbonat jinslarini) eritishi mumkin. Yer qobig'ining katta qismi (va mantiya) silikatlardan iborat.[6] Ushbu moddalar natijada erigan ionlarga bo'linadi. Masalan, kaltsiy silikat CaSiO3, yoki vollastonit, karbonat angidrid va suv bilan reaksiyaga kirishib, kaltsiy ioni Ca hosil qiladi2+, bikarbonat ioni, HCO3−va erigan silikat. Ushbu reaktsiya tuzilishi kaltsiy silikat minerallarining umumiy silikat ob-havosining vakili hisoblanadi.[7] Kimyoviy yo'l quyidagicha:

Daryo oqimi bu mahsulotlarni dengizga kalsifikatsiya qiluvchi organizmlar Ca ishlatadigan okeanga olib boradi2+ va HCO3− ularning chig'anoqlari va skeletlarini qurish uchun bu jarayon deyiladi karbonat yog'inlari:

CO ning ikkita molekulasi2 silikat jinslarining ob-havosi uchun talab qilinadi; dengiz kalsifikatsiyasi bitta molekulani atmosferaga qaytaradi. Kaltsiy karbonat (CaCO)3) dengiz qobig'i va skeletlari tarkibidagi dengiz organizmi vafot etgandan keyin cho'kib ketadi va okean tubiga cho'kadi.

Jarayonning yakuniy bosqichi dengiz qavatining harakatini o'z ichiga oladi. Da subduktsiya zonalari, karbonat cho'kindi jinslari ko'milib, yana mantiya. Ba'zi karbonat mantiyaga chuqur tushishi mumkin, bu erda yuqori bosim va harorat sharoitlari uning metamorfik ravishda SiO bilan birikishiga imkon beradi.2 CaSiO hosil qilish uchun3 va CO2, ichki qismdan atmosferaga vulkanizm, okeandagi termal teshiklar yoki sodali buloqlar tarkibida karbonat angidrid gazi yoki sodali suv bo'lgan tabiiy buloqlar:

Ushbu yakuniy qadam ikkinchi COni qaytaradi2 molekula atmosferaga tushadi va noorganikni yopadi uglerod byudjeti. Barcha uglerodning 99,6% (taxminan 10 ga teng)8 milliard tonna uglerod) Yer yuzida uzoq muddatli tosh suv omborida sekvestrlanadi. Va asosan barcha uglerodlar karbonat shaklida vaqt o'tkazdilar. Aksincha, uglerodning atigi 0,002% biosferada mavjud.[6]

Qayta aloqa

Sayyoramiz yuzidagi o'zgarishlar, masalan, vulkanlarning yo'qligi yoki dengiz sathining balandligi, bu ob-havoning ta'siriga tushadigan er yuzi miqdorini kamaytiradi, bu tsikldagi turli jarayonlar tezligini o'zgartirishi mumkin.[6] O'n-yuzlab million yillar davomida atmosferadagi karbonat angidrid darajasi tsikldagi tabiiy buzilishlar tufayli o'zgarishi mumkin.[8][9][10] ammo umuman olganda, u karbonat angidrid darajasi va iqlim o'zgarishi o'rtasidagi salbiy teskari aloqa davri bo'lib xizmat qiladi.[5][7] Masalan, CO bo'lsa2 atmosferada to'planib, issiqxona effekti sirt haroratini oshirishga xizmat qiladi, bu esa yog'ingarchilik va silikat ob-havoning tezligini oshiradi, bu esa atmosferadan uglerodni olib tashlaydi. Shu tarzda, uzoq vaqt o'lchovlari davomida karbonat-silikat tsikli Yerning iqlimiga barqarorlashtiruvchi ta'sir ko'rsatadi, shuning uchun uni Yer termostati deb atashgan.[4][11]

Yer tarixidagi o'zgarishlar

Karbonat-silikat tsiklining jihatlari o'zgarib bordi Yer tarixi Natijada biologik evolyutsiya va tektonik o'zgarishlar. Odatda, karbonatlarning hosil bo'lishi atmosferadan karbonat angidridni samarali ravishda olib tashlab, silikatlarnikidan oshib ketdi. Karbonatning paydo bo'lishi biomineralizatsiya yaqinida Prekambriyen -Kembriy chegara, ob-havo mahsulotlarini okeandan yanada samarali olib tashlashga imkon bergan bo'lar edi.[12] Tuproqdagi biologik jarayonlar ob-havo tezligini sezilarli darajada oshirishi mumkin.[13] O'simliklar hosil qiladi organik kislotalar bu o'sish ob-havo. Ushbu kislotalar ildiz va tomonidan ajralib chiqadi mikorizal qo'ziqorinlar, shu qatorda; shu bilan birga mikrobial o'simliklarning parchalanishi. Ildiz nafas olish va oksidlanish ning organik tuproq moddasi ishlab chiqarish karbonat angidrid ga aylantiriladi karbonat kislota, bu esa ob-havoni oshiradi.[14]

Tektonika karbonat-silikat tsiklidagi o'zgarishlarni keltirib chiqarishi mumkin. Masalan, kabi yirik tog 'tizmalarining ko'tarilishi Himoloy va And, deb boshlangan Kekozoyning kech muzlik davri silikat bilan ob-havoning pasayishi va pasayish darajasi oshgani sababli karbonat angidrid.[15] Dengiz ostidagi ob-havo quyosh nurlari va karbonat angidrid konsentratsiyasi bilan ham bog'liq.[16] Biroq, bu gazni pasaytirish va subduktsiya darajasini dengiz sathidagi o'zgarish darajasi bilan bog'lashga urinib ko'rgan modelchilarga qiyinchilik tug'dirdi. Bunday savollar uchun to'g'ri, murakkab bo'lmagan proksi-server ma'lumotlarini olish qiyin. Masalan, olimlar o'tgan dengiz sathidan xulosa chiqarishi mumkin bo'lgan cho'kindi yadrolari ideal emas, chunki dengiz sathi nafaqat dengiz qavatining sozlanishi natijasida o'zgaradi.[17] Yaqinda o'tkazilgan modellashtirish ishlari dengiz tubidagi ob-havoning hayotning dastlabki evolyutsiyasidagi rolini o'rganib chiqdi va dengiz sathini yaratish tezligining tezligi karbonat angidrid darajasini o'rtacha darajada tushirish uchun ishlaganligini ko'rsatdi.[18]

Deb nomlangan kuzatuvlar chuqur vaqt shuni ko'rsatadiki, Yer katta harorat o'zgarishiga imkon beradigan, toshning ob-havosiga nisbatan teskari ta'sirga ega. Atmosferada karbonat angidrid gazining qariyb ikki baravar ko'pligi, paleoklimat yozuvlari shuni ko'rsatadiki, global harorat hozirgi haroratga nisbatan 5 dan 6 ° S gacha yuqori bo'lgan.[19] Biroq, boshqa omillar, masalan, o'zgarishlar orbital / quyoshni majburlash paleo-yozuvdagi global harorat o'zgarishiga hissa qo'shadi.

CO tomonidan inson chiqindilari2 doimiy ravishda oshib bormoqda va natijada CO kontsentratsiyasi2 Yer tizimida juda qisqa vaqt ichida misli ko'rilmagan darajaga erishildi.[20] Dengiz suvida erigan atmosferadagi ortiqcha uglerod karbonat-silikat aylanish tezligini o'zgartirishi mumkin. Eritilgan CO2 gidrokarbonat ionlari, HCO hosil qilish uchun suv bilan reaksiyaga kirishishi mumkin3−va vodorod ionlari, H+. Ushbu vodorod ionlari tezda karbonat, CO bilan reaksiyaga kirishadi32- ko'proq bikarbonat ionlarini ishlab chiqarish va mavjud karbonat ionlarini kamaytirish, bu esa karbonat karbonat yog'ingarchilik jarayoniga to'sqinlik qiladi.[21] Boshqacha qilib aytganda, atmosferaga chiqariladigan ortiqcha uglerodning 30% i okeanlar tomonidan so'riladi. Okeanlardagi karbonat angidridning yuqori konsentratsiyasi karbonat yog'ingarchilik jarayonini teskari yo'nalishda (chapga) surib, kamroq CaCO hosil qiladi3. Qobiq yasaydigan organizmlarga zarar etkazadigan bu jarayon deyiladi okeanning kislotaliligi.[22]

Boshqa sayyoralardagi tsikl

Karbonat-silikat tsikli umuman paydo bo'ladi deb o'ylamaslik kerak sayyoralar. Boshlash uchun karbonat-silikat tsikli suv aylanishining mavjudligini talab qiladi. Shuning uchun u Quyosh tizimining ichki chetida buziladi yashashga yaroqli zona. Agar sayyora yuzasida suyuq suv paydo bo'lsa ham, u juda iliq bo'lsa, u a qochqin issiqxona, er usti suvlarini yo'qotish. Kerakli yomg'ir suvisiz, gazli CO dan uglerod kislotasini hosil qilish uchun hech qanday ob-havo bo'lmaydi2. Bundan tashqari, tashqi chekkada, CO2 quyuqlashishi mumkin, natijada issiqxona effekti va sirt haroratini pasaytirish. Natijada atmosfera qutb qopqog'iga aylanib ketishi mumkin edi.[4]

Mars shunday sayyora. Quyosh sistemasi yashaydigan zonaning chekkasida joylashgan bo'lib, uning yuzasi juda sovuq bo'lib, issiq suv effektisiz suyuq suv hosil bo'lishi mumkin emas. Yupqa atmosferasi bilan Marsning o'rtacha harorati 210 K (-63 ° C) ni tashkil qiladi. Flyuvial kanallarga o'xshash topografik xususiyatlarni tushuntirishga urinishda, kirib kelayotgan quyosh nurlari etarli bo'lmaganiga qaramay, ba'zilari Yerning karbonat-silikat tsikliga o'xshash tsikl mavjud bo'lishi mumkin, deb taxmin qilishdi - bu qor to'pi Yer davridan chekinishga o'xshaydi.[23] Modellashtirish tadqiqotlari yordamida gazli CO ekanligini ko'rsatdi2 va H2Issiq gazlar vazifasini bajaruvchi O Marsni tarixida quyosh zaiflashganda CO ni iliq tutishi mumkin emas edi2 bulutlar ichida quyuqlashar edi.[24] CO bo'lsa ham2 bulutlar Yerdagi suv bulutlari singari aks etmaydi,[25] o'tmishda u ko'p karbonat-silikat tsikliga ega bo'lishi mumkin emas edi.

Aksincha, Venera yashash zonasining ichki chekkasida joylashgan va o'rtacha sirt harorati 737 K (464 ° C). Suvni yo'qotgandan keyin fotodissotsiatsiya va vodoroddan qochish, Venera atmosferadan karbonat angidrid gazini olib tashlashni to'xtatdi va buning o'rniga uni qurishni boshladi va qochqin issiqxonasi ta'sirini boshdan kechirdi.

Vaqtincha qulflangan ekzoplanetalar, joylashgan joy pastki nuqta ning chiqarilishini buyuradi karbonat angidrid dan litosfera.[26]

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ a b Berner, Robert; Lasaga, Antonio; Garrels, Robert (1983). "Karbonat-silikat geokimyoviy tsikli va uning so'nggi 100 million yil ichida atmosferadagi karbonat angidridga ta'siri". Amerika Ilmiy jurnali. 283 (7): 641–683. Bibcode:1983AmJS..283..641B. doi:10.2475 / ajs.283.7.641.
  2. ^ a b v d Walker, Jeyms C. G.; Xeys, P. B.; Kasting, J. F. (1981). "Yer yuzidagi haroratni uzoq muddatli barqarorlashtirish uchun salbiy teskari aloqa mexanizmi". Geofizik tadqiqotlar jurnali: Okeanlar. 86 (C10): 9776-9782. Bibcode:1981JGR .... 86.9776W. doi:10.1029 / JC086iC10p09776. ISSN  2156-2202.
  3. ^ Walker, Jeyms C. G. (1993). "Vaqt o'lchovlari ierarxiyasida uglerodning biogeokimyoviy tsikllari". Global o'zgarish biogeokimyosi: radiatsion faol iz gazlari atrof-muhit biogeokimyosi bo'yicha o'ninchi xalqaro simpoziumdan tanlangan maqolalar.. Boston, MA: Springer. 3-28 betlar. doi:10.1007/978-1-4615-2812-8_1. ISBN  978-1-4613-6215-9.
  4. ^ a b v Sallivan, Woodruff T.; Baross, Jon A. (2007). "Sayyora atmosferasi va hayot". Sayyoralar va hayot. Kembrij, Buyuk Britaniya: Kembrij universiteti matbuoti. 91–116 betlar. ISBN  978-0-521-53102-3.
  5. ^ a b Bonan, Gordon (2013). Ekologik klimatologiya: tushuncha va qo'llanmalar (2-nashr). Nyu-York: Kembrij universiteti matbuoti. 105–128 betlar. ISBN  978-0-521-69319-6.
  6. ^ a b v "Geologiya va iqlim: ACS iqlim fanlari uchun qo'llanma". Amerika kimyo jamiyati.
  7. ^ a b Ketling, Devid S.; Kasting, Jeyms F. (2017). Yashaydigan va jonsiz olamlarda atmosfera evolyutsiyasi. Kembrij, Buyuk Britaniya: Kembrij universiteti matbuoti. 299–326 betlar. ISBN  978-0-521-84412-3.
  8. ^ Berner, Robert A. (1991 yil 1 aprel). "Atmosferadagi CO uchun model2 Fenerozoy vaqti bilan ". Amerika Ilmiy jurnali. 291 (4): 339–376. Bibcode:1991 yil AmJS..291..339B. doi:10.2475 / ajs.291.4.339.
  9. ^ Berner, Robert A. (1998 yil 29 yanvar). "Fenerozoy davrida uglerod aylanishi va karbonat angidrid: quruqlikdagi o'simliklarning roli". London Qirollik Jamiyatining falsafiy operatsiyalari. B seriyasi: Biologiya fanlari. 353 (1365): 75–82. doi:10.1098 / rstb.1998.0192. PMC  1692179.
  10. ^ Berner, Robert A.; Berling, Devid J.; Dadli, Robert; Robinson, Jennifer M.; Wildman, Jr., Richard A. (2003). "Fanerozoy atmosfera kislorodi". Yer va sayyora fanlari bo'yicha yillik sharh. 31 (31): 105–134. Bibcode:2003AREPS..31..105B. doi:10.1146 / annurev.earth.31.100901.141329.
  11. ^ DiVenere, Vik. "Uglerod aylanishi va Yerning iqlimi". Kolumbiya universiteti.
  12. ^ Ridjuell, A; Zeebe, R (2005). "Yer tizimining boshqarilishi va evolyutsiyasida global karbonat tsiklining roli". Yer va sayyora fanlari xatlari. 234 (3–4): 299–315. doi:10.1016 / j.epsl.2005.03.006. ISSN  0012-821X.
  13. ^ Teylor, Lyla L.; Banvart, Stiv A.; Valdes, Pol J.; Lik, Jonatan R.; Berling, Devid J. (2012). "Yerdagi ekotizimlar, iqlim va karbonat angidridning geologik vaqt davomida ob-havo ta'siriga ta'sirini baholash: global miqyosdagi jarayonga asoslangan yondashuv". Qirollik jamiyatining falsafiy operatsiyalari B: Biologiya fanlari. 367 (1588): 565–582. doi:10.1098 / rstb.2011.0251. ISSN  0962-8436. PMC  3248708. PMID  22232768.
  14. ^ Berner, Robert A. (1992). "Ob-havo, o'simliklar va uzoq muddatli uglerod aylanishi". Geochimica va Cosmochimica Acta. 56 (8): 3225–3231. Bibcode:1992 yil GeCoA..56.3225B. doi:10.1016/0016-7037(92)90300-8. ISSN  0016-7037.
  15. ^ Raymo, Mureen E .; Ruddiman, Uilyam F.; Froelich, Filipp N. (1988). "O'tgan kaynozoy tog 'qurilishining okean geokimyoviy tsikllariga ta'siri". Geologiya. 16 (7): 649. Bibcode:1988 yilGeo .... 16..649R. doi:10.1130 / 0091-7613 (1988) 016 <0649: iolcmb> 2.3.co; 2. ISSN  0091-7613.
  16. ^ Brady, Patrik; Gislason, Sigurdur R. (mart 1997). "Atmosferadagi CO2 va global iqlimni dengiz ostidagi ob-havoning nazorati Muallif havolalari ochiq qatlam panelini". Geochimica va Cosmochimica Acta. 61 (5): 965–973. doi:10.1016 / S0016-7037 (96) 00385-7.
  17. ^ Berner, Robert A.; Lasaga, Antonio C. (1989 yil mart). "Geokimyoviy uglerod tsiklini modellashtirish". Ilmiy Amerika. 260 (3): 74–81. Bibcode:1989 yil SciAm.260c..74B. doi:10.1038 / Scientificamerican0389-74.
  18. ^ Krissansen-Totton, Joshua; Arney, Giada N.; Ketling, Devid C. (17.04.2018). "Erning dastlabki davridagi iqlim va okean pH qiymatini uglerod aylanishining geologik modeli bilan cheklash". PNAS. 115 (16): 4105–4110. arXiv:1804.00763. Bibcode:2018PNAS..115.4105K. doi:10.1073 / pnas.1721296115. PMC  5910859. PMID  29610313.
  19. ^ Krissansen-Totton, Joshua; Ketling, Devid C. (2017 yil 22-may). "Teskari geologik uglerod tsikli modeli yordamida iqlim sezgirligi va kontinental va dengizdagi ob-havoni cheklash". Tabiat aloqalari. 8: 15423. Bibcode:2017NatCo ... 815423K. doi:10.1038 / ncomms15423. PMC  5458154. PMID  28530231.
  20. ^ Yozuvchi guruh; R.K. Pachauri; L.A.Meyer, tahrir. (2014). IPCC, 2014: Iqlim o'zgarishi 2014: Sintez hisoboti. I, II va III ishchi guruhlarning iqlim o'zgarishi bo'yicha hukumatlararo panelning beshinchi baholash hisobotiga qo'shgan hissasi. Jeneva, Shveytsariya: IPCC.
  21. ^ "Okean kislotasi". Okean uglerod va biogeokimyo. Vuds Hole okeanografiya instituti (JSST).
  22. ^ "Karbonli tsikl". Yer rasadxonasi. NASA. 2011-06-16.
  23. ^ Batalha, Natasha E.; Kopparapu, Ravi Kumar; Xaq-Misra, Yoqub; Kasting, Jeyms F. (2016). "Karbonat-silikat tsikli sabab bo'lgan Marsning boshida ob-havoning velosiped harakati". Yer va sayyora fanlari xatlari. 455: 7–13. arXiv:1609.00602. Bibcode:2016E & PSL.455 .... 7B. doi:10.1016 / j.epsl.2016.08.044. S2CID  119257332.
  24. ^ Kasting, J. F. (1991). "CO2 kondensatsiyasi va erta Marsning iqlimi". Ikar. 94 (1): 1–13. Bibcode:1991 yil avtoulov ... 94 .... 1K. doi:10.1016 / 0019-1035 (91) 90137-I. PMID  11538088.
  25. ^ Unut, Fransua; Pierrehumbert, Raymond T. (1997). "Erta Marsni infraqizil nurlanishni tarqatadigan karbonat angidrid bulutlari bilan qizdirish". Ilm-fan. 278 (5341): 1273–1276. Bibcode:1997 yil ... 278.1273F. doi:10.1126 / science.278.5341.1273. PMID  9360920.
  26. ^ Edson, Adam R.; Kasting, Jeyms F.; Pollard, Devid; Li, Sukyoung; Bannon, Piter R. (2012). "Karbonat-silikat tsikli va CO2 / Tijorat bilan qulflangan er sayyoralarida iqlim haqida mulohazalar". Astrobiologiya. 12 (6): 562–571. Bibcode:2012AsBio..12..562E. doi:10.1089 / ast.2011.0762. ISSN  1531-1074. PMID  22775488.

Tashqi havolalar