Въглеродните цикли са движенията на изместване на въглеродния елемент в различни среди
Редактирано и преоразмерено изображение на Mitchell Griest е достъпно в Unsplash
Въглеродните цикли са движенията на изместване на въглеродния елемент в различни среди, включително скали, почви, океани и растения. Това предотвратява пълното му натрупване в атмосферата и стабилизира температурата на Земята. За геологията има два вида въглероден цикъл: бавният, който се случва след стотици хиляди години, и бързият, който се случва от десетки до сто хиляди години.
Въглеродът
Въглеродът е химичен елемент, който се среща в изобилие в скалите и в по-малка степен в почвата, океана, растенията, атмосферата, организма на живите същества и предметите. Той е кован в звездите, като е четвъртият най-разпространен елемент във Вселената и е от съществено значение за поддържането на живота на Земята, какъвто го познаваме. Това обаче е и една от причините за значителен проблем: изменението на климата.
В много дълги периоди от време (милиони до десетки милиони години) движението на тектонски плочи и промените в скоростта, с която въглеродът прониква във вътрешността на Земята, могат да променят глобалната температура. Земята е претърпяла тази промяна през последните 50 милиона години, от изключително горещия клин на Креда (преди около 145 до 65 милиона години) до ледниковия климат в плейстоцен (преди около 1,8 милиона до 11 500 години).
Бавният цикъл
Чрез поредица от химични реакции и тектонична активност, въглеродът отнема между 100 и 200 милиона години, за да се движи между скалите, почвата, океана и атмосферата във въглеродния цикъл, който се случва бавно. Средно между десет и 100 милиона тона въглерод преминават през бавния цикъл за една година. За сравнение, човешките емисии на въглерод в атмосферата са от порядъка на 10 милиарда тона, докато бързият въглероден цикъл се движи от 10 на 100 милиарда въглерод годишно.
Движението на въглерод от атмосферата към литосферата (скалите) започва с дъжд. Атмосферният въглерод, комбиниран с вода, образува въглена киселина, която се отлага на повърхността чрез дъжд. Тази киселина разтваря скалите в процес, наречен химическо изветряване, освобождавайки калциеви, магнезиеви, калиеви или натриеви йони. Тези йони се транспортират до реките и от реките до океана.
- Какъв е произходът на пластмасата, която замърсява океаните?
- Подкисляване на океана: сериозен проблем за планетата
В океана калциевите йони се комбинират с бикарбонатни йони, образувайки калциев карбонат, активната съставка в антиацидите. В океана повечето калциев карбонат се произвежда от изграждащи черупки (калцифициращи) организми (като корали) и планктон (като коколитофори и фораминифери). След като тези организми умрат, те потъват на морското дъно. С течение на времето слоевете от черупки и утайки се уплътняват и се превръщат в скали, съхраняващи въглерод, пораждайки седиментни скали като варовик.
По този начин се генерират около 80% от карбонатните скали. Останалите 20% съдържат въглерод от разложени живи същества (органичен въглерод). Топлината и налягането компресират богат на въглерод органичен материал в продължение на милиони години, образувайки седиментни скали, като шисти. В специални случаи, когато органичните вещества в мъртвите растения се натрупват бързо, без време за разлагане, слоевете от органичен въглерод стават нефт, въглища или природен газ, вместо седиментни скали като шисти.
В бавния цикъл въглеродът се връща в атмосферата чрез вулканична активност. Това е така, защото когато повърхностите на земната и океанската кора на Земята се сблъскат, едната потъва под другата и скалата, която носи, се стопява под силна топлина и натиск. Нагрятата скала се комбинира в силикатни минерали, отделяйки въглероден диоксид.
- Въглероден диоксид: какво е CO2?
Когато вулканите изригнат, те изхвърлят газ в атмосферата и покриват земята със силициеви скали, започвайки цикъла отново. Вулканите отделят между 130 и 380 милиона метрични тона въглероден диоксид годишно. За сравнение, човешките същества отделят около 30 милиарда тона въглероден диоксид годишно - 100 до 300 пъти повече от вулканите - изгарящи изкопаеми горива.
- Алкохол или бензин?
Ако въглеродният диоксид се повиши в атмосферата поради повишена вулканична активност, например, температурите се повишават, което води до повече дъждове, които разтварят повече скали, създавайки повече йони, които в крайна сметка отлагат повече въглерод на дъното на океана. Необходими са няколкостотин хиляди години, за да се балансира бавният въглероден цикъл.
Бавният цикъл обаче съдържа и малко по-бърз компонент: океанът. На повърхността, където въздухът се среща с вода, въглеродният диоксид се разтваря и вентилира извън океана в постоянен обмен с атмосферата. Попадайки в океана, въглеродният диоксид реагира с молекулите на водата, за да освободи водород, което прави океана по-кисел. Водородът реагира с карбоната при изветрянето на скалите, образувайки бикарбонатни йони.
Преди индустриалната ера океанът изхвърля въглеродния диоксид в атмосферата в равновесие с въглерода, който океанът получава по време на ерозията на скалите. Тъй като обаче концентрациите на въглерод в атмосферата са се увеличили, океанът вече отделя повече въглерод от атмосферата, отколкото отделя. В продължение на хилядолетия океанът ще абсорбира до 85% от допълнителния въглерод, който хората влагат в атмосферата чрез изгаряне на изкопаеми горива, но процесът е бавен, тъй като е свързан с движението на водата от повърхността на океана до неговите дълбини.
Междувременно ветровете, теченията и температурата контролират скоростта, с която океанът премахва въглеродния диоксид от атмосферата. (Вж. Въглеродният баланс на океана в Обсерваторията на Земята.) Промените в океанските температури и течения вероятно са помогнали за премахването на въглерода и възстановяването на въглерода в атмосферата през няколко хиляди години, през които ледниковите епохи започват и приключват .
Бързият въглероден цикъл
Времето, необходимо на въглерода да премине през бързия въглероден цикъл, се измерва през целия живот. Бързият въглероден цикъл е основно движението на въглерода през форми на живот на Земята или в биосферата. Около хиляда до 100 милиарда метрични тона въглерод преминават през бързия въглероден цикъл всяка година.
Въглеродът играе съществена роля в биологията поради способността му да образува много връзки - до четири на атом - в привидно безкрайно разнообразие от сложни органични молекули. Много органични молекули съдържат въглеродни атоми, които са образували силни връзки с други въглеродни атоми, комбинирайки се в дълги вериги и пръстени. Такива въглеродни вериги и пръстени са основата на живите клетки. Например, ДНК се състои от две преплетени молекули, изградени около въглеродна верига.
Връзките в дългите въглеродни вериги съдържат много енергия. Когато токовете се разделят, съхранената енергия се освобождава. Тази енергия прави молекулите на въглерода отличен източник на гориво за всички живи същества.
Растенията и фитопланктонът са основните компоненти на бързия въглероден цикъл. Фитопланктонът (микроскопични организми в океана) и растенията премахват въглеродния диоксид от атмосферата, като го абсорбират в клетките си. Използвайки слънчева енергия, растенията и планктонът комбинират въглероден диоксид (CO2) и вода, за да образуват захар (CH2O) и кислород. Химичната реакция изглежда така:
CO2 + H2O + енергия = CH2O + O2
Може да се случи така, че въглеродът да пътува от растение и да се връща в атмосферата, но всички те включват една и съща химическа реакция. Растенията разграждат захарта, за да получат енергията, необходима за отглеждане. Животните (включително хората) ядат растения или планктон и разграждат захарта на растението за енергия. Растенията и планктонът умират и гният (консумират се от бактерии) или се консумират от огън. Във всички случаи кислородът се комбинира със захарта, за да освободи вода, въглероден диоксид и енергия. Основната химическа реакция изглежда така:
CH2O + O2 = CO2 + H2O + енергия
При четирите процеса въглеродният диоксид, отделен в реакцията, обикновено попада в атмосферата. Бързият въглероден цикъл е толкова тясно свързан с растителния живот, че вегетационният сезон може да се види по начина, по който въглеродният диоксид се носи в атмосферата. През зимата на Северното полукълбо, когато растат малко сухоземни растения и много се разлагат, атмосферните концентрации на въглероден диоксид се увеличават. През пролетта, когато растенията започват да растат отново, концентрациите спадат. Сякаш Земята диша.
Промени във въглеродния цикъл
Оставени необезпокоявани, бързи и бавни въглеродни цикли поддържат относително постоянна концентрация на въглерод в атмосферата, сушата, растенията и океана. Но когато нещо промени количеството въглерод в един резервоар, ефектът пулсира в останалите.
В миналото на Земята въглеродният цикъл се е променил в отговор на изменението на климата. Вариациите в земната орбита променят количеството енергия, което Земята получава от Слънцето и водят до цикъл от ледникови периоди и топли периоди като сегашния климат на Земята. (Виж Милутин Миланкович) Ледниковите епохи се развиват, когато лятото в Северното полукълбо се охлажда и ледът се натрупва на земята, което от своя страна забавя въглеродния цикъл. Междувременно няколко фактора, включително по-ниски температури и повишен растеж на фитопланктона, може да са увеличили количеството въглерод, което океанът е отстранил от атмосферата. Спадът на атмосферния въглерод е довел до допълнително охлаждане. По същия начин, в края на последната Ледена епоха, преди 10 000 години, въглеродният диоксид в атмосферата се увеличи драстично с затопляне на температурите.
Промените в орбитата на Земята се случват постоянно, в предвидими цикли. За около 30 000 години орбитата на Земята ще се промени достатъчно, за да намали слънчевата светлина в Северното полукълбо до нива, довели до последната ледникова епоха.
Днес промени във въглеродния цикъл се случват заради хората. Ние нарушаваме въглеродния цикъл чрез изгаряне на изкопаеми горива и обезлесяване.
Обезлесяването освобождава въглерода, съхраняван в стволовете, стъблата и листата - биомаса. При премахване на гора се отстраняват растения, които иначе биха премахнали въглерода от атмосферата, докато расте. В световен мащаб има тенденция за замяна на горите с монокултури и пасища, които съхраняват по-малко въглерод. Излагаме и почва, която изхвърля въглерода от разлагащите се растителни вещества в атмосферата. В момента хората изхвърлят малко под един милиард тона въглерод в атмосферата всяка година чрез промени в земеползването.
Без човешка намеса въглеродът от изкопаеми горива бавно ще изтече в атмосферата чрез вулканична активност в продължение на милиони години в бавния въглероден цикъл. Изгаряйки въглища, нефт и природен газ, ние ускоряваме процеса, освобождавайки огромни количества въглерод (въглерод, който отнема милиони години, за да се натрупват) всяка година в атмосферата. По този начин ние преместваме въглерода от бавния цикъл към бързия цикъл. През 2009 г. хората изпускат в атмосферата около 8,4 милиарда тона въглерод чрез изгаряне на изкопаеми горива.
От началото на индустриалната революция, когато хората започнаха да изгарят изкопаеми горива, концентрациите на въглероден диоксид в атмосферата са се увеличили от около 280 части на милион до 387 части на милион, което е ръст от 39%. Това означава, че на всеки милион молекули в атмосферата 387 от тях сега са въглероден диоксид - най-високата концентрация от два милиона години. Концентрациите на метан се увеличават от 715 части на милиард през 1750 г. до 1774 части на милиард през 2005 г., най-високата концентрация от поне 650 000 години.
Ефекти от промяната на въглеродния цикъл
Изображение: Въглеродни цикли - НАСА
Всичко това допълнително въглерод трябва да отиде някъде. Досега сухоземните и океанските растения са абсорбирали 55% от допълнителния въглерод в атмосферата, докато около 45% остава в атмосферата. В крайна сметка почвата и океаните абсорбират по-голямата част от допълнителния въглероден диоксид, но до 20% могат да останат в атмосферата в продължение на много хиляди години.
Излишният въглерод в атмосферата затопля планетата и помага на сухоземните растения да растат повече. Излишъкът на въглерод в океана прави водата по-кисела, излагайки на риск морския живот. Научете повече за тази тема в статията: „Подкисляване на океаните: сериозен проблем за планетата“.
Атмосфера
Важно е, че толкова много въглероден диоксид остава в атмосферата, тъй като CO2 е най-важният газ за контролиране на температурата на Земята. Въглеродният диоксид, метанът и халокарбонатите са парникови газове, които абсорбират широк спектър от енергия - включително инфрачервена енергия (топлина), излъчвана от Земята - и след това я излъчват отново. Преиздадената енергия пътува във всички посоки, но някои се връщат на Земята, затопляйки повърхността. Без парникови газове Земята би била замръзнала при -18ºC. С много парникови газове Земята ще бъде като Венера, където атмосферата поддържа температури около 400 ° C.
Тъй като учените знаят какви дължини на вълната на енергия поглъща всеки парников газ и концентрацията на газове в атмосферата, те могат да изчислят колко всеки газ допринася за затоплянето на планетата. Въглеродният диоксид причинява около 20% от парниковия ефект на Земята; водните пари са отговорни за около 50%; и облаците представляват 25%. Останалото се причинява от малки частици (аерозоли) и по-малки парникови газове, като метан.
- Аерозолните кутии рециклират ли се?
Концентрациите на водна пара във въздуха се контролират от температурата на Земята. По-топлите температури изпаряват повече вода от океаните, разширяват въздушните маси и водят до по-голяма влажност. Охлаждането води до кондензация на водни пари и падане като дъжд, градушка или сняг.
Въглеродният диоксид, от друга страна, остава газ в по-широк диапазон от атмосферни температури от водата. Молекулите на въглеродния диоксид осигуряват първоначалното нагряване, необходимо за поддържане на концентрациите на водни пари. Когато концентрациите на въглероден диоксид спаднат, Земята се охлажда, от атмосферата падат малко водни пари и падането на парника, причинено от водните пари. По същия начин, когато се увеличават концентрациите на въглероден диоксид, температурата на въздуха се увеличава и повече водни пари се изпаряват в атмосферата - което усилва отоплението на оранжерията.
Така че, докато въглеродният диоксид допринася по-малко за парниковия ефект, отколкото водните пари, учените са открили, че въглеродният диоксид е газът, който определя температурата. Въглеродният диоксид контролира количеството водни пари в атмосферата и следователно размера на парниковия ефект.
Нарастващите концентрации на въглероден диоксид вече водят до затопляне на планетата. В същото време, когато парниковите газове нарастват, средните глобални температури са се увеличили с 0,8 градуса по Целзий (1,4 градуса по Фаренхайт) от 1880 г. насам.
Това повишаване на температурата не е всичко затопляне, което ще видим въз основа на настоящите концентрации на въглероден диоксид. Отоплението на оранжерията не се случва веднага, защото океанът поглъща топлина. Това означава, че температурата на Земята ще се повиши с поне 0,6 градуса по Целзий (1 градус по Фаренхайт) поради въглеродния диоксид, който вече е в атмосферата. Степента, до която температурите се повишават допълнително, зависи отчасти от това колко повече въглеродни хора ще отделят в атмосферата в бъдеще.
океан
Около 30% от въглеродния диоксид, който хората влагат в атмосферата, се дифузира в океана чрез директен химичен обмен. Разтварянето на въглеродния диоксид в океана създава въглеродна киселина, която увеличава киселинността на водата. Или по-скоро леко алкален океан става малко по-малко алкален. От 1750 г. рН на повърхността на океана е спаднал с 0,1, 30% промяна в киселинността.
Подкисляването на океана засяга морските организми по два начина. Първо, въглеродната киселина реагира с карбонатните йони във водата, образувайки бикарбонат. Същите тези карбонатни йони обаче са това, от което се нуждаят изграждащите черупки животни като коралите, за да създадат черупки от калциев карбонат. С по-малко наличен карбонат, животните трябва да харчат повече енергия, за да изграждат черупките си. В резултат на това черупките в крайна сметка стават по-тънки и по-крехки.
Второ, колкото повече вода е кисела, толкова по-добре тя разтваря калциевия карбонат. В дългосрочен план тази реакция ще позволи на океана да абсорбира излишния въглероден диоксид, тъй като по-киселата вода ще разтвори повече скали, ще освободи повече карбонатни йони и ще увеличи способността на океана да абсорбира въглеродния диоксид. Междувременно обаче по-киселата вода ще разтвори карбонатните черупки на морските организми, правейки ги без кости и слаби.
По-топлите океани - продукт на парниковия ефект - също могат да намалят изобилието от фитопланктон, който расте най-добре в студени, богати на хранителни вещества води. Това може да ограничи способността на океана да извлича въглерод от атмосферата чрез бързия въглероден цикъл.
От друга страна, въглеродният диоксид е от съществено значение за растежа на растенията и фитопланктона. Увеличаването на въглеродния диоксид може да увеличи растежа чрез оплождане на онези няколко вида фитопланктон и океански растения (като морска трева), които премахват въглеродния диоксид директно от водата. Повечето видове обаче не са подпомогнати от повишената наличност на въглероден диоксид.
Земята
Растенията на сушата абсорбират приблизително 25% от въглеродния диоксид, който хората поставят в атмосферата. Количеството въглерод, което растенията поглъщат, варира в широки граници от година на година, но като цяло световните растения увеличават количеството въглероден диоксид, който поглъщат от 1960 г. Само част от това увеличение се е случило в пряк резултат от емисиите на изкопаеми горива.
С повече атмосферни въглеродни диоксиди, които могат да се превърнат в растителни вещества при фотосинтеза, растенията успяха да растат повече. Това увеличаване на растежа е известно като въглеродно торене. Моделите прогнозират, че растенията могат да растат с 12 до 76% повече, ако атмосферният въглероден двуокис се удвои, стига нищо друго, като недостиг на вода, да ограничава растежа им. Учените обаче не знаят колко въглероден диоксид увеличава растежа на растенията в реалния свят, тъй като растенията се нуждаят от повече от въглероден диоксид, за да растат.
Растенията също се нуждаят от вода, слънчева светлина и хранителни вещества, особено азот. Ако едно растение няма едно от тези неща, то няма да расте, независимо колко изобилни са останалите нужди. Има ограничение за това колко въглеродни растения могат да отстранят от атмосферата и това ограничение варира от регион до регион. Досега изглежда, че торенето с въглероден диоксид увеличава растежа на растенията, докато растението достигне ограничение в наличното количество вода или азот.
Някои от промените в усвояването на въглерод са резултат от решения за земеползване. Земеделието стана много по-интензивно, така че да можем да отглеждаме повече храна на по-малко земя. Във високи и средни ширини изоставената земя се връща към гората и тези гори съхраняват много повече въглерод, както в дървесината, така и в почвата, отколкото културите. На много места предотвратяваме навлизането на въглерод в растението в атмосферата чрез гасене на пожари. Това позволява на дървесния материал (който съхранява въглерод) да се натрупва. Всички тези решения за земеползване помагат на растенията да абсорбират въглерод, освободен от човека в Северното полукълбо.
В тропиците обаче горите се почистват, често чрез огън и това отделя въглероден диоксид. През 2008 г. обезлесяването представлява около 12% от всички човешки емисии на въглероден диоксид.
Най-големите промени в земния въглероден цикъл вероятно ще настъпят поради изменението на климата. Въглеродният диоксид повишава температурите, удължава вегетационния сезон и увеличава влажността. И двата фактора доведоха до допълнителен растеж на растенията. По-високите температури обаче стресират и растенията. С по-дълъг, по-топъл вегетационен период, растенията се нуждаят от повече вода, за да оцелеят. Учените вече виждат доказателства, че растенията в Северното полукълбо забавят растежа през лятото заради горещите температури и недостига на вода.
Изсушените и стресирани с вода растения също са по-податливи на огън и насекоми, когато вегетационните сезони стават по-дълги. В далечния север, където повишаването на температурата има най-голямо влияние, горите вече започнаха да изгарят повече, отделяйки въглерод от растенията и почвата в атмосферата. Тропическите гори също могат да бъдат изключително податливи на изсушаване. С по-малко вода тропическите дървета забавят растежа и абсорбират по-малко въглерод или умират и отделят въглерод, съхраняван в атмосферата.
Затоплянето, причинено от увеличаването на парниковите газове, също може да "изпече" почвата, ускорявайки скоростта на изтичане на въглерод на някои места. Това е особено притеснително в далечния север, където замръзналата почва - вечната замръзналост - се размразява. Вечната замръзналост съдържа богати въглеродни отлагания в растителните вещества, които се натрупват в продължение на хиляди години, тъй като студът намалява разпадането. Когато почвата се затопли, органичната материя се разпада и въглеродът - под формата на метан и въглероден диоксид - прониква в атмосферата.
Настоящите изследвания изчисляват, че вечното замръзване в Северното полукълбо съдържа 1,672 милиарда тона (петаграми) органичен въглерод. Ако само 10% от тази вечна лед се разтопи, тя може да освободи достатъчно допълнителен въглероден диоксид в атмосферата, за да повиши температурите с 0,7 градуса по Целзий (1,3 градуса по Фаренхайт) през 2100 година.
Изследване на въглеродния цикъл
Много от въпросите, на които учените все още трябва да отговорят за въглеродния цикъл, се въртят около това как се променя. Сега атмосферата съдържа повече въглерод, отколкото по всяко време от поне два милиона години. Всеки резервоар в цикъла ще се промени, докато този въглерод преминава през цикъла.
Как ще бъдат тези промени? Какво ще се случи с растенията при повишаване на температурите и промяна на климата? Ще премахнат ли повече въглерод от атмосферата, отколкото ще върнат? Ще станат ли по-малко продуктивни? Колко допълнителен въглерод ще се разтопи в атмосферата и колко ще увеличи затоплянето? Променя ли циркулацията или затоплянето на океана скоростта, с която океанът абсорбира въглерода? Ще стане ли океанският живот по-малко продуктивен? Колко ще се подкисли океанът и какви ефекти ще има?
Ролята на НАСА в отговорите на тези въпроси е да предоставя глобални сателитни наблюдения и свързани с тях полеви наблюдения. В началото на 2011 г. два вида сателитни инструменти събираха информация, свързана с въглеродния цикъл.
Инструментите със спектрарадиометър с умерена разделителна способност (MODIS), летящи на сателитите Terra и Aqua на НАСА, измерват количеството въглеродни растения и фитопланктонът се превръщат в материя, докато растат, мярка, наречена нетна първична производителност. Сензорите MODIS също измерват колко пожари възникват и къде изгарят.
Два сателита Landsat предоставят подробен изглед на океанските рифове, какво расте на сушата и как се променя земното покритие. Можете да видите растежа на един град или трансформацията от гора към ферма. Тази информация е от решаващо значение, тъй като използването на земята е отговорно за една трета от всички човешки емисии на въглерод.
Бъдещите сателити на НАСА ще продължат тези наблюдения и също така ще измерват въглероден диоксид и метан в атмосферата, височината и структурата на растителността.
Всички тези мерки ще ни помогнат да видим как глобалният въглероден цикъл се променя с течение на времето. Те ще ни помогнат да оценим въздействието, което оказваме върху въглеродния цикъл, освобождаването на въглерод в атмосферата или намирането на начини да го складираме другаде. Те ще ни покажат как изменението на климата променя въглеродния цикъл и как промяната на цикъла променя климата.
Повечето от нас обаче ще наблюдават промените във въглеродния цикъл по по-личен начин. За нас въглеродният цикъл е храната, която ядем, електричеството в домовете ни, газта в автомобилите ни и времето над главата. Тъй като сме част от въглеродния цикъл, нашите решения за това как живеем се разпространяват през целия цикъл. По същия начин промените във въглеродния цикъл ще повлияят на начина ни на живот. Тъй като всеки от нас започва да разбира своята роля във въглеродния цикъл, знанията ни дават възможност да контролираме личното си въздействие и да разберем промените, които наблюдаваме в света около нас.
