Көміртегі айналымы – биосфера, геосфера, гидросфера және атмосфера арасындағы көміртегі алмасу процесі. Өмірді сақтаудағы маңызы зор, көміртегінің қозғалысын түсіндіреді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Көміртегі алмасудың табиғи процестері
Natural processes of carbon exchange
Көміртегі циклы – көміртегінің биогеохимиялық циклдың бір бөлігі, оның арқылы көміртегі Жердің биосферасы, педосферасы, геосферасы, гидросферасы және атмосферасы арасында алмасады. Басқа маңызды биогеохимиялық циклдерге азот циклы және су циклы жатады. Көміртегі – биологиялық қосылыстардың негізгі құрауышы, сондай-ақ әктас сияқты көптеген минералдардың маңызды бөлігі. Көміртегі циклы Жердің тіршілікке қабілетті болуына қажетті оқиғалар тізбесін қамтиды. Ол көміртегінің биосферада қайта өңделіп, қайта қолданылуын, сондай-ақ көміртекті тұтқындау (сақтау) және көміртегі шөгінділерінен босатудың ұзақ мерзімді процестерін сипаттайды. Көміртегі циклының динамикасын сипаттау үшін жылдам және баяу көміртегі циклдерін ажырату қажет. Жылдам көміртегі циклы биологиялық көміртегі циклы деп те аталады. Жылдам көміртегі циклдары бірнеше жылдың ішінде аяқталуы мүмкін, заттар атмосферадан биосфераға, содан кейін қайта атмосфераға оралады. Баяу немесе геологиялық циклдар (терең көміртегі циклы деп те аталады) миллиондаған жылдарға созылуы мүмкін, заттар Жер қыртысы арқылы тау жыныстары, топырақ, мұхит және атмосфера арасында қозғалады. Адамдар ғасырлар бойы көміртегі циклын бұзып келген. Олар жерді пайдалануды өзгерту арқылы және ежелгі органикалық қалдықтардан (көмір, мұнай және газ) көміртегіні өндіру және жағу арқылы осыны істеді. Көмірқышқыл газының артуы мұхиттың pH көрсеткішінің төмендеуіне және теңіз химиясының түбегейлі өзгеруіне әкелді.
The carbon cycle is that part of the biogeochemical cycle by which carbon is exchanged among the biosphere, pedosphere, geosphere, hydrosphere, and atmosphere of Earth. Other major biogeochemical cycles include the nitrogen cycle and the water cycle. Carbon is the main component of biological compounds as well as a major component of many minerals such as limestone. The carbon cycle comprises a sequence of events that are key to making Earth capable of sustaining life. It describes the movement of carbon as it is recycled and reused throughout the biosphere, as well as long term processes of carbon sequestration (storage) to and release from carbon sinks. To describe the dynamics of the carbon cycle, a distinction can be made between the fast and slow carbon cycle. The fast carbon cycle is also referred to as the biological carbon cycle. Fast carbon cycles can complete within years, moving substances from atmosphere to biosphere, then back to the atmosphere. Slow or geological cycles (also called deep carbon cycle) can take millions of years to complete, moving substances through the Earth's crust between rocks, soil, ocean and atmosphere. Humans have disturbed the carbon cycle for many centuries. They have done so by modifying land use and by mining and burning carbon from ancient organic remains (coal, petroleum and gas). The increased carbon dioxide has also caused a reduction in the ocean's pH value and is fundamentally altering marine chemistry.
Атмосфера
Жер атмосферасындағы көміртегі екі негізгі түрде кездеседі: көмірқышқыл газы және метан. Екі газ да атмосферадағы жылуды сіңіріп, сақтап тұрады және парниктік эффектінің пайда болуына жауапты. Метан көлем бірлігіне шаққанда көмірқышқыл газынан гөрі күштірек парниктік эффекті тудырады, бірақ оның концентрациясы әлдеқайда төмен және көмірқышқыл газына қарағанда аз өмір сүреді. Осылайша, көмірқышқыл газы метанға қарағанда жаһандық парниктік эффектіге көбірек үлес қосады. Көмірқышқыл газы атмосферадан негізінен фотосинтез арқылы алынып тасталады және құрлықтағы және мұхиттық биосфераларға еніп, сіңеді. Көмірқышқыл газы атмосферадан тікелей су объектілеріне (мұхит, көлдер және т.б.) де ерітеді, сондай-ақ жаңбыр тамшылары атмосфера арқылы түскен кезде жауын-шашынмен бірге еріп сіңеді. Суда еріген кезде көмірқышқыл газы су молекулаларымен реакцияласып, көмір қышқылын түзетіп, мұхиттың қышқылдануына себеп болады. Содан кейін ол тау жыныстарымен әрекеттесіп, ыдырайды. Ол басқа да беттерді қышқылдандыра алады немесе мұхитқа шайылып кетеді. Соңғы екі ғасырдағы адамның қызметі 2020 жылға қарай атмосферадағы көміртегі мөлшерін шамамен 50%-ға арттырды, негізінен көмірқышқыл газы түрінде. Бұл экожүйелердің атмосферадан көмірқышқыл газын сіңіру қабілетін өзгерту және оны тікелей шығару арқылы, мысалы, жанармайларды жағу және бетон өндіру сияқты әрекеттер нәтижесінде болды. Нәтижесінде, атмосферадағы көмірқышқыл газының көп бөлігі жер қыртысына карбонаттар түрінде сіңіріледі. Егер атмосферадағы көмірқышқыл газының концентрациясы шамамен 50 миллионнан бір бөлікке (түрлерге қарай төзімділік әртүрлі) төмендесе, C3 фотосинтезі мүмкін болмайды. Жердегі мұхиттар шамамен 1,1 миллиард жылдан кейін буланып кетсе, …
Carbon in the Earth's atmosphere exists in two main forms: carbon dioxide and methane. Both of these gases absorb and retain heat in the atmosphere and are partially responsible for the greenhouse effect. Methane produces a larger greenhouse effect per volume as compared to carbon dioxide, but it exists in much lower concentrations and is more short lived than carbon dioxide. Thus, carbon dioxide contributes more to the global greenhouse effect than methane. Carbon dioxide is removed from the atmosphere primarily through photosynthesis and enters the terrestrial and oceanic biospheres. Carbon dioxide also dissolves directly from the atmosphere into bodies of water (ocean, lakes, etc. ), as well as dissolving in precipitation as raindrops fall through the atmosphere. When dissolved in water, carbon dioxide reacts with water molecules and forms carbonic acid, which contributes to ocean acidity. It can then be absorbed by rocks through weathering. It also can acidify other surfaces it touches or be washed into the ocean. Human activities over the past two centuries have increased the amount of carbon in the atmosphere by nearly 50% as of year 2020, mainly in the form of carbon dioxide, both by modifying ecosystems' ability to extract carbon dioxide from the atmosphere and by emitting it directly, e. g., by burning fossil fuels and manufacturing concrete. This will eventually cause most of the carbon dioxide in the atmosphere to be squelched into the Earth's crust as carbonate. Once the concentration of carbon dioxide in the atmosphere falls below approximately 50 parts per million (tolerances vary among species), C3 photosynthesis will no longer be possible. Once the oceans on the Earth evaporate in about 1.1 billion years from now,
Геосфера
Құрлық және теңіз экожүйелері негізінен өзен арқылы байланысады, ол эрозиялық құрлықтан келген заттардың мұхит жүйелеріне енуінің басты арнасы болып табылады. Жер бетіндегі биосфера мен литосфера арасындағы материал және энергия алмасу, сондай-ақ органикалық көміртегінің тоқтатылуы және тотығу процестері экожүйенің көміртегі және диоксиген (О2) қоймаларын реттейді. Тасымалдау кезінде DOC-тың бір бөлігі тотығу-тоқсыздану реакциялары арқылы атмосфераға жылдам қайта оралады, бұл жер-атмосфера сақтау қабаттары арасында "көміртегінің шығарылуына" себеп болады. Қалған DOC және еріген бейорганикалық көміртек (DIC) де мұхитқа экспортталады. 2015 жылы әлемдік өзендерден шығарылған бейорганикалық және органикалық көміртек ағыны тиісінше 0,50–0,70 Pg C жыл-1 және 0,15–0,35 Pg C жыл-1 деп бағаланды. Биологиялық сорғы бір процестің нәтижесі емес, керісінше, биологиялық сорғылауға әсер ететін бірнеше процестердің жиынтығы. Бұл сорғы жыл сайын шамамен 11 миллиард тонна көміртекті мұхиттың тереңіне жеткізеді. Биологиялық сорғы болмағанда, атмосферадағы CO2 деңгейі қазіргі деңгейден шамамен 400 ppm жоғары болар еді. Органикалық және бейорганикалық биологиялық заттарға енген көміртегінің көп бөлігі теңіз бетінде пайда болады, онда ол мұхит түбіне батып кетуі мүмкін. Терең мұхит өзіне қажетті қоректік заттардың көп бөлігін жоғарыдағы су қабатынан алады, олар "теңіз қарсы" түрінде төмен түседі. Бұл өлі немесе өліп бара жатқан жануарлар мен микроорганизмдер, фекалиялар, құм және басқа да бейорганикалық материалдардан тұрады. Биологиялық сорғы еріген бейорганикалық көміртек (DIC) органикалық биомассаға айналдырып, оны бөлшекті немесе еріген күйде терең мұхитқа жеткізеді. Фитопланктон фотосинтез кезінде бейорганикалық қоректік заттар мен көмірқышқыл газын тоқтатып, еріген органикалық заттарды (DOM) шығарады және шөппен қоректенетін зоопланктонмен тұтылады. Ірі зоопланктон, мысалы, копеподтар, қайта жұтылуы мүмкін фекальді гранулаларды шығарады және басқа органикалық қалдықтармен бірге ірі, жылдам батып бара жатқан агрегаттарға бірігіп, шөгеді. DOM бактериялармен ішінара тұтылады және демалады; қалған тұрақты DOM терең теңізге ағызылады және араласады. DOM және терең суға экспортталған агрегаттар тұтылып, демалады, осылайша органикалық көміртек DIC-тің үлкен терең мұхит резервуарына оралады. Мұхит бетінен шыққан бөлшектердің шамамен 1% теңіз түбіне жетеді және тұнбаларда тұтылады, демалады немесе көміледі. Бұл процестердің жалқы нәтижесі – беттен органикалық түріндегі көміртекті алып тастау және оны тереңдегі DIC-ке қайтару, DIC-тің беттен терең мұхитқа дейінгі градиентін сақтау. Термохалиндік айналым терең мұхиттың DIC-ін мыңжылдықтар ішінде атмосфераға қайтарады. Тұнбалардағы көміртегі Жердің мантиісіне сіңіп, миллиондаған жылдар бойы баяу көміртегі айналымының бір бөлігі ретінде сақталуы мүмкін (келесі бөлімді қараңыз).
Terrestrial and marine ecosystems are chiefly connected through riverine transport, which acts as the main channel through which erosive terrestrially derived substances enter into oceanic systems. Material and energy exchanges between the terrestrial biosphere and the lithosphere as well as organic carbon fixation and oxidation processes together regulate ecosystem carbon and dioxygen (O2) pools. During transport, part of DOC will rapidly return to the atmosphere through redox reactions, causing "carbon degassing" to occur between land atmosphere storage layers. The remaining DOC and dissolved inorganic carbon (DIC) are also exported to the ocean. In 2015, inorganic and organic carbon export fluxes from global rivers were assessed as 0.50–0.70 Pg C y−1 and 0.15–0.35 Pg C y−1 respectively. The biological pump is not so much the result of a single process, but rather the sum of a number of processes each of which can influence biological pumping. The pump transfers about 11 billion tonnes of carbon every year into the ocean's interior. An ocean without the biological pump would result in atmospheric CO2 levels about 400 ppm higher than the present day. Most carbon incorporated in organic and inorganic biological matter is formed at the sea surface where it can then start sinking to the ocean floor. The deep ocean gets most of its nutrients from the higher water column when they sink down in the form of marine snow. This is made up of dead or dying animals and microbes, fecal matter, sand and other inorganic material. The biological pump is responsible for transforming dissolved inorganic carbon (DIC) into organic biomass and pumping it in particulate or dissolved form into the deep ocean. Inorganic nutrients and carbon dioxide are fixed during photosynthesis by phytoplankton, which both release dissolved organic matter (DOM) and are consumed by herbivorous zooplankton. Larger zooplankton such as copepods, egest fecal pellets which can be reingested, and sink or collect with other organic detritus into larger, more rapidly sinking aggregates. DOM is partially consumed by bacteria and respired; the remaining refractory DOM is advected and mixed into the deep sea. DOM and aggregates exported into the deep water are consumed and respired, thus returning organic carbon into the enormous deep ocean reservoir of DIC. About 1% of the particles leaving the surface ocean reach the seabed and are consumed, respired, or buried in the sediments. The net effect of these processes is to remove carbon in organic form from the surface and return it to DIC at greater depths, maintaining a surface to deep ocean gradient of DIC. Thermohaline circulation returns deep ocean DIC to the atmosphere on millennial timescales. The carbon buried in the sediments can be subducted into the earth's mantle and stored for millions of years as part of the slow carbon cycle (see next section).
Жедел көміртектік циклдің ішкі процестері
Көміртегінің баяу немесе терең айналымы маңызды процесс, бірақ ол атмосфера, құрлықтағы биосфера, мұхит және геосфера арқылы салыстырмалы түрде жылдам қозғалатын көміртегіге қарағанда жақсы түсініксіз. Терең көміртегі айналымы Жер беті мен атмосферадағы көміртегінің қозғалысымен тығыз байланысты. Егер бұл процесс болмаса, көміртегі атмосферада қалып, ұзақ уақыт бойына өте жоғары деңгейге жетер еді. Сондықтан, көміртегінің Жерге қайта оралуына мүмкіндік бере отырып, терең көміртегі циклі тіршілік үшін қажетті жер бетіндегі жағдайларды сақтауда маңызды рөл атқарады. Бұдан әрі, бұл процесс планета арқылы тасымалданатын көміртегінің мол мөлшеріне байланысты да маңызды. Шындығында, базальттық магманың құрамын зерттеу және жанартаулардан шығатын көмірқышқыл газы ағынын өлшеу, мантиядағы көміртегі мөлшері Жер бетіндегіден мың есе артық екенін көрсетеді. Жердің терең қабаттарындағы көміртегі процестерін бұрғылау және физикалық түрде бақылау өте қиын, себебі төменгі мантия мен ядро сәйкесінше 660-2891 км және 2891-6371 км тереңдікте жатыр. Осылайша, Жердің терең қабаттарында көміртегінің қандай рөл атқаратыны туралы көп мәлімет жоқ. Дегенмен, көптеген дәлелдер – олардың көп бөлігі Жердің терең қабаттарының зертханалық модельдеуінен алынған – элементтің төменгі мантияға қарай қозғалу механизмдерін, сондай-ақ осы қабаттың ең жоғары температурасы мен қысымында көміртегінің қандай формада болатынын көрсеткен. Сонымен қатар, сейсмология сияқты әдістер Жердің ядросында көміртегі болу мүмкіндігін жақсырақ түсінуге көмектесті.
Slow or deep carbon cycling is an important process, though it is not as well understood as the relatively fast carbon movement through the atmosphere, terrestrial biosphere, ocean, and geosphere. The deep carbon cycle is intimately connected to the movement of carbon in the Earth's surface and atmosphere. If the process did not exist, carbon would remain in the atmosphere, where it would accumulate to extremely high levels over long periods of time. Therefore, by allowing carbon to return to the Earth, the deep carbon cycle plays a critical role in maintaining the terrestrial conditions necessary for life to exist. Furthermore, the process is also significant simply due to the massive quantities of carbon it transports through the planet. In fact, studying the composition of basaltic magma and measuring carbon dioxide flux out of volcanoes reveals that the amount of carbon in the mantle is actually greater than that on the Earth's surface by a factor of one thousand. Drilling down and physically observing deep Earth carbon processes is evidently extremely difficult, as the lower mantle and core extend from 660 to 2,891 km and 2,891 to 6,371 km deep into the Earth respectively. Accordingly, not much is conclusively known regarding the role of carbon in the deep Earth. Nonetheless, several pieces of evidence—many of which come from laboratory simulations of deep Earth conditions—have indicated mechanisms for the element's movement down into the lower mantle, as well as the forms that carbon takes at the extreme temperatures and pressures of said layer. Furthermore, techniques like seismology have led to a greater understanding of the potential presence of carbon in the Earth's core.
Төменгі мантиядағы көміртек
Көміртек негізінен мантияға мұхит қабығының тектоникалық пластиналарындағы карбонатқа бай шөгінділер түрінде енеді, олар көміртекті мантияға тартып, субдукцияға ұшырайды. Жердің мантиясындағы көміртегі айналымы туралы көп нәрсе белгілі емес, әсіресе Жердің терең бөліктерінде, бірақ көптеген зерттеулер осы аймақтағы элементтің қозғалысы мен формалары туралы түсінігімізді арттыруға тырысты. Мысалы, 2011 жылы жүргізілген зерттеулер көміртегі циклінің төменгі мантияға дейін созылатынын көрсетті. Зерттеу Бразилияның Джуина қаласындағы сирек кездесетін, өте терең алмастарды талдап, кейбір алмастардың құрамының базальттың балқыуы мен кристалдануының төменгі мантия температурасы мен қысымы кезінде күтілетін нәтижеге сәйкес келетінін анықтады. Осылайша, зерттеу нәтижелері базальттық мұхиттық литосфераның бөлшектері көміртегіне Жердің ішкі терең бөліктеріне тасымалдаудың негізгі механизмі ретінде қызмет ететінін көрсетеді. Бұл карбонаттар төменгі мантия силикаттарымен өзара әрекеттесе алады, сонда табылған сияқты өте терең алмастар пайда болады. Алайда төменгі мантияға түсетін карбонаттар алмас қалыптастырумен қатар басқа да тағдырларға тап болады. 2011 жылы карбонаттар Жердің төменгі мантиясының 1800 км тереңдігіне ұқсас ортаға ұшырады. Бұл процесс магнезит, сидерит және графиттің көптеген түрлерін пайда етті. Басқа эксперименттер, сондай-ақ петрологиялық байқаулар бұл талапты қолдайды, бұл магнезит шын мәнінде мантияның көп бөлігіндегі ең тұрақты карбонат фазасы екенін көрсетеді. Бұл негізінен оның балқу температурасының жоғары болуымен байланысты. Сондықтан ғалымдар карбонаттар мантияға түсіп бара жатқанда азаяды, ал тереңдікте төмен оттегілік ортада тұрақтанады деген қорытындыға келді. Магний, темір және басқа металл қосылыстары процесте буферлер ретінде әрекет етеді. Көміртектің графит сияқты азайып кеткен элементтік түрлерінің болуы көміртек қосылыстарының мантияға түсіп бара жатқанда азаятынын көрсетеді. Полиморфизм жердің әр түрлі тереңдіктеріндегі карбонат қосылыстарының тұрақтылығын өзгертеді. Мысалы, зертханалық симуляция және тығыздық функционалдық теориясының есептеулері тетраэдрлік үйлестірілген карбонаттар ядролық-мантиялық шекараға жақындаған тереңдікте ең тұрақты екенін көрсетеді. CO3 тригональды топтары полимерленетін желілерді құра алмайды, ал тетраэдрлі CO4 құра алады, бұл көміртектің координациялық санының артуын білдіреді, сондықтан төменгі мантиядағы карбонат қосылыстарының қасиеттерінде күрт өзгерістер болады. Мысалы, алдын ала теориялық зерттеулер жоғары қысымның көміртекті еріген тұтқырлықтың артуына себепші болатынын көрсетеді; ерігендердің төменгі қозғалыс қабілеті оның жоғары тұтқырлығының нәтижесінде мантияның терең жерінде көміртектің үлкен жинақталуына себеп болады. Осыған сәйкес, көміртек төменгі мантияда ұзақ уақыт бойы қалуы мүмкін, бірақ көміртегінің үлкен концентрациясы литосфераға жиі оралады. Көміртекті газдан шығару деп аталатын бұл процесс - көміртекті мантияның ыдыраудан ажырату процесінің нәтижесінде, сондай-ақ мантияның көміртекті қосылыстарды қабыққа қарай тасымалдайтын қалыңдықтары. Көміртек вулкандық ыстық нүктелерге қарай өрлеу кезінде тотыққаннан кейін, ол CO2 түрінде шығарылады. Бұл көміртек атомының окистену күйіне сәйкес келетіндігіне байланысты болады.
Carbon principally enters the mantle in the form of carbonate rich sediments on tectonic plates of ocean crust, which pull the carbon into the mantle upon undergoing subduction. Not much is known about carbon circulation in the mantle, especially in the deep Earth, but many studies have attempted to augment our understanding of the element's movement and forms within the region. For instance, a 2011 study demonstrated that carbon cycling extends all the way to the lower mantle. The study analyzed rare, super deep diamonds at a site in Juina, Brazil, determining that the bulk composition of some of the diamonds' inclusions matched the expected result of basalt melting and crystallisation under lower mantle temperatures and pressures. Thus, the investigation's findings indicate that pieces of basaltic oceanic lithosphere act as the principle transport mechanism for carbon to Earth's deep interior. These subducted carbonates can interact with lower mantle silicates, eventually forming super deep diamonds like the one found. However, carbonates descending to the lower mantle encounter other fates in addition to forming diamonds. In 2011, carbonates were subjected to an environment similar to that of 1800 km deep into the Earth, well within the lower mantle. Doing so resulted in the formations of magnesite, siderite, and numerous varieties of graphite. Other experiments—as well as petrologic observations—support this claim, indicating that magnesite is actually the most stable carbonate phase in most part of the mantle. This is largely a result of its higher melting temperature. Consequently, scientists have concluded that carbonates undergo reduction as they descend into the mantle before being stabilised at depth by low oxygen fugacity environments. Magnesium, iron, and other metallic compounds act as buffers throughout the process. The presence of reduced, elemental forms of carbon like graphite would indicate that carbon compounds are reduced as they descend into the mantle. Polymorphism alters carbonate compounds' stability at different depths within the Earth. To illustrate, laboratory simulations and density functional theory calculations suggest that tetrahedrally coordinated carbonates are most stable at depths approaching the core–mantle boundary. CO3 trigonal groups cannot form polymerisable networks, while tetrahedral CO4 can, signifying an increase in carbon's coordination number, and therefore drastic changes in carbonate compounds' properties in the lower mantle. As an example, preliminary theoretical studies suggest that high pressure causes carbonate melt viscosity to increase; the melts' lower mobility as a result of its increased viscosity causes large deposits of carbon deep into the mantle. Accordingly, carbon can remain in the lower mantle for long periods of time, but large concentrations of carbon frequently find their way back to the lithosphere. This process, called carbon outgassing, is the result of carbonated mantle undergoing decompression melting, as well as mantle plumes carrying carbon compounds up towards the crust. Carbon is oxidised upon its ascent towards volcanic hotspots, where it is then released as CO2. This occurs so that the carbon atom matches the oxidation state of the basalts erupting in such areas.
Көміртек ядрода
Жердің өзегінде көміртектің болуы жақсы анықталғанымен, соңғы зерттеулер осы аймақта көміртектің үлкен қоры сақталуы мүмкін екенін көрсетеді. Ішкі өзек арқылы өтетін серпінді (S) толқындары, көптеген темірге бай қоспалар үшін күтілетін жылдамдықтың шамамен елу пайызымен қозғалады. Өзектің құрамы кристалды темір мен аздаған мөлшерде никель қорытпасынан тұрады деп есептелетіндіктен, бұл сейсмикалық аномалия өзекте көміртекті қоса алғанда, жеңіл элементтердің бар екенін көрсетеді. Шындығында, Жердің өзегіндегі жағдайларды модельдеу үшін алмаз ұяшықтарын қолданған зерттеулер темір карбидінің (Fe7C3) ішкі өзектегі толқын жылдамдығы мен тығыздығына сәйкес екенін көрсетті. Сондықтан, темір карбиді моделі өзекте Жердегі көміртектің 67%-ға дейін сақталатынына дәлел бола алады. Сонымен қатар, тағы бір зерттеу Жердің ішкі өзегінің қысым және температура жағдайында көміртектің темірде еріп, бұрын айтылғаннан өзгеше құрылымымен, бірақ сол Fe7C3 құрамында тұрақты фаза құратынын анықтады. Қорытындылай айтқанда, Жердің өзегінде сақталатын көміртектің нақты мөлшері белгісіз болғанымен, соңғы зерттеулер темір карбидтерінің болуы кейбір геофизикалық байқауларды түсіндіруге мүмкіндік беретінін көрсетеді.
Although the presence of carbon in the Earth's core is well constrained, recent studies suggest large inventories of carbon could be stored in this region. Shear (S) waves moving through the inner core travel at about fifty percent of the velocity expected for most iron rich alloys. Because the core's composition is believed to be an alloy of crystalline iron and a small amount of nickel, this seismic anomaly indicates the presence of light elements, including carbon, in the core. In fact, studies using diamond anvil cells to replicate the conditions in the Earth's core indicate that iron carbide (Fe7C3) matches the inner core's wave speed and density. Therefore, the iron carbide model could serve as an evidence that the core holds as much as 67% of the Earth's carbon. Furthermore, another study found that in the pressure and temperature condition of the Earth's inner core, carbon dissolved in iron and formed a stable phase with the same Fe7C3 composition—albeit with a different structure from the one previously mentioned. In summary, although the amount of carbon potentially stored in the Earth's core is not known, recent studies indicate that the presence of iron carbides can explain some of the geophysical observations.
Көмiртектiң жылдам айналуына адамның әсерi
Өнеркәсіптік революциядан бері, әсіресе Екінші дүниежүзілік соғыс аяқталғаннан кейін, адам қызметі жер асты көміртегінің үлкен мөлшерін қайта бөлу арқылы жаһандық көміртегі айналымын айтарлықтай бұзды. Климаттың өзгеруі оң және теріс кері байланыстардың нәтижесінде көміртегі айналымына адамның жасаған жанама өзгерістерін күшейтеді және одан әрі күштеп жүзеге асырады. Климаттың өзгеруінің қазіргі үрдістері мұхиттың температурасы мен қышқылдығының жоғарылауына алып келеді, осылайша теңіздік экожүйелерді өзгертеді. Сонымен қатар, қышқыл жаңбырлар және ауыл шаруашылығы мен өнеркәсіптен шыққан ластану мұхиттың химиялық құрамын өзгертеді. Мұндай өзгерістер аймақтық деңгейде мұхиттың атмосферадан көміртегі сіңіру қабілетін шектеп, жаһандық мұхиттың биологиялық әртүрлілігін азайту арқылы коралл рифтері сияқты жоғары сезімтал экожүйелерге күрт әсер етуі мүмкін. Атмосфера мен Жер жүйесінің басқа да құрамдастар арасындағы көміртегі алмасу, жиынтығында көміртегі циклі деп аталады, қазіргі уақытта антропогендік көміртегі шығарылымдарының климаттың өзгеруіне тигізетін әсерін азайтуға маңызды теріс кері байланыс құрайды. Құрлықтағы және мұхиттағы көміртегі шөгінділері жыл сайын антропогендік көміртегі шығарылымдарының шамамен төрттен бірін сіңіреді. Дегенмен, олардың әлсіреу дәрежесі жоғары белгісіз, Жер жүйесінің модельдері тіпті бірдей атмосфералық концентрация немесе шығарылым сценарийлерінде де құрлықтағы және мұхиттағы көміртегі сіңірудің кең ауқымын болжайды. Адамның әсерінен туындаған жаһандық жылыну нәтижесінде Арктикадағы метан шығарылымдары да көміртегі цикліне әсер етеді және одан әрі жылынуға себеп болады.
Since the industrial revolution, and especially since the end of WWII, human activity has substantially disturbed the global carbon cycle by redistributing massive amounts of carbon from the geosphere. Climate change is amplifying and forcing further indirect human changes to the carbon cycle as a consequence of various positive and negative feedbacks.]] Current trends in climate change lead to higher ocean temperatures and acidity, thus modifying marine ecosystems. Also, acid rain and polluted runoff from agriculture and industry change the ocean's chemical composition. Such changes can have dramatic effects on highly sensitive ecosystems such as coral reefs, thus limiting the ocean's ability to absorb carbon from the atmosphere on a regional scale and reducing oceanic biodiversity globally. The exchanges of carbon between the atmosphere and other components of the Earth system, collectively known as the carbon cycle, currently constitute important negative (dampening) feedbacks on the effect of anthropogenic carbon emissions on climate change. Carbon sinks in the land and the ocean each currently take up about one quarter of anthropogenic carbon emissions each year. The degree to which they will weaken, however, is highly uncertain, with Earth system models predicting a wide range of land and ocean carbon uptakes even under identical atmospheric concentration or emission scenarios. Arctic methane emissions indirectly caused by anthropogenic global warming also affect the carbon cycle and contribute to further warming.
Көміртекті өндіру және жағу
Көміртегі айналымы мен биосфераға адамның ең үлкен және ең жылдам өсіп келе жатқан әсері – табиғи отынды өндіру және жағу, ол көміртекті геосферадан тікелей атмосфераға ауыстырады. Клинкер өндіру үшін әк тасын күйдіру кезінде де көмірқышқыл газы түзіліп, шығарылады. Клинкер – цементтің өнеркәсіптік алдынан жасалатын материалы. 2020 жылға дейін барлығы шамамен 450 гигатонна көміртек өндірілді, бұл Жердегі барлық құрлықтағы тірі биомассадағы көміртек мөлшеріне жуық. Осы сіңіргіштер атмосфераға қосылған көміртектің шамамен жартысын бір ғасырдың ішінде сіңіріп алады деп күтілуде және осылай байқалады. Дегенмен, мұхит сияқты сіңіргіштердің қанығу қасиеттері өзгеріп отырады, және қосылған көміртектің маңызды бөлігі (бірнеше модельдерге сүйенсек, 20–35%) ғасырлар мен мыңжылдықтар бойы атмосферада қалатын болады.
The largest and one of the fastest growing human impacts on the carbon cycle and biosphere is the extraction and burning of fossil fuels, which directly transfer carbon from the geosphere into the atmosphere. Carbon dioxide is also produced and released during the calcination of limestone for clinker production. Clinker is an industrial precursor of cement. as of 2020, about 450 gigatons of fossil carbon have been extracted in total; an amount approaching the carbon contained in all of Earth's living terrestrial biomass. These sinks have been expected and observed to remove about half of the added atmospheric carbon within about a century. Nevertheless, sinks like the ocean have evolving saturation properties, and a substantial fraction (20–35%, based on coupled models) of the added carbon is projected to remain in the atmosphere for centuries to millennia.
Галокөмірсутектер
Галокарбондар – өнеркәсіпте әртүрлі қолданыстар үшін жасалған, мысалы, еріткіштер мен тоңазытқыштар ретінде пайдаланылатын, салыстырмалы түрде аз өнімділігі бар қосылыстар. Дегенмен, атмосферада хлорфторкөміртектер, гидрофторкөміртектер және перфторкөміртектер газдарының өте аз концентрациясының (триллионнан бір бөлігі) жиналуы, барлық ұзақ өмір сүретін парниктік газдардың (2019 жылғы) жалпы тікелей радиациялық күшінің шамамен 10% құрайды; оның ішінде көмірқышқыл газ бен метанның әлдеқайда жоғары концентрацияларынан туындайтын күш те бар. Хлорфторкөміртектер стратосфералық озон қабатының азаюына да себеп болады. Осы экологиялық зиянды газдардың өнеркәсіптік өндірісі мен қолдануының қарқынды өсуін бақылау мақсатында Монреаль және Киото протоколдары аясында халықаралық күш-жігерлер жалғастырылуда. Кейбір қолданулар үшін гидрофторолефиндер сияқты зиянсыз баламалар жасалған және олар кезең-кезеңімен енгізілуде.
Halocarbons are less prolific compounds developed for diverse uses throughout industry; for example as solvents and refrigerants. Nevertheless, the buildup of relatively small concentrations (parts per trillion) of chlorofluorocarbon, hydrofluorocarbon, and perfluorocarbon gases in the atmosphere is responsible for about 10% of the total direct radiative forcing from all long lived greenhouse gases (year 2019); which includes forcing from the much larger concentrations of carbon dioxide and methane. Chlorofluorocarbons also cause stratospheric ozone depletion. International efforts are ongoing under the Montreal Protocol and Kyoto Protocol to control rapid growth in the industrial manufacturing and use of these environmentally potent gases. For some applications more benign alternatives such as hydrofluoroolefins have been developed and are being gradually introduced.
Жер пайдаланудың өзгеруі
Ауыл шаруашылығының пайда болуынан бері адамдар жер бетіндегі биосферадағы өсімдік құрамын өзгерту арқылы көміртегі циклына тікелей және біртіндеп әсер етіп келеді, бұл процестер ғасырлар бойы жүзеге асып келеді. Соңғы бірнеше ғасырларда адамның тікелей және жанама әрекеттері нәтижесінде жерді пайдалану мен жер жамылуының өзгеруі (ЖЖӨ) биоәртүрліліктің жоғалуына алып келді, бұл экожүйелердің қоршаған орта стрессіне төзімділігін азайтады және атмосферадан көміртегіні сіңіру қабілетін төмендетеді. Тікелейінен айтқанда, бұл көбінесе жер бетіндегі экожүйелерден көміртегінің атмосфераға бөлінуіне себеп болады. Ауыл шаруашылығы үшін орманды кесу орманды, оның ішінде көп мөлшерде көміртегі сақталған аймақты жойып, оны көбінесе ауыл шаруашылығы немесе қалалық жерлермен алмастырады. Бұл екі жаңа жер жамылу түрі де салыстырмалы түрде аз көміртегі сақтайды, сондықтан осы өзгерістің нәтижесінде көміртегі атмосферада көбірек қалады. Дегенмен, орманды қайта өсіру арқылы атмосфераға және жалпы көміртегі циклына тигізетін әсерді қасақана және/немесе табиғи жолмен кері қайтаруға болады.
Since the invention of agriculture, humans have directly and gradually influenced the carbon cycle over century long timescales by modifying the mixture of vegetation in the terrestrial biosphere. Over the past several centuries, direct and indirect human caused land use and land cover change (LUCC) has led to the loss of biodiversity, which lowers ecosystems' resilience to environmental stresses and decreases their ability to remove carbon from the atmosphere. More directly, it often leads to the release of carbon from terrestrial ecosystems into the atmosphere. Deforestation for agricultural purposes removes forests, which hold large amounts of carbon, and replaces them, generally with agricultural or urban areas. Both of these replacement land cover types store comparatively small amounts of carbon so that the net result of the transition is that more carbon stays in the atmosphere. However, the effects on the atmosphere and overall carbon cycle can be intentionally and/or naturally reversed with reforestation.