Круговорот углерода в природе

Введение

Природные процессы обмена углеродом

Углеродный цикл – это часть биогеохимического цикла, посредством которого углерод обменивается между биосферой, педосферой, геосферой, гидросферой и атмосферой Земли. Другие основные биогеохимические циклы включают цикл азота и цикл воды. Углерод является основным компонентом биологических соединений, а также важным компонентом многих минералов, таких как известняк. Углеродный цикл включает в себя последовательность событий, которые имеют ключевое значение для поддержания жизни на Земле. Он описывает перемещение углерода по мере его переработки и повторного использования в биосфере, а также долгосрочные процессы секвестрации (хранения) углерода в углеродных резервуарах и его высвобождения из них. Для описания динамики углеродного цикла можно выделить различие между быстрым и медленным углеродными циклами. Быстрый углеродный цикл также называют биологическим циклом углерода. Быстрые углеродные циклы могут завершаться в течение нескольких лет, перемещая вещества из атмосферы в биосферу и обратно в атмосферу. Медленные или геологические циклы (также называемые глубоким углеродным циклом) могут занимать миллионы лет, перемещая вещества через земную кору между горными породами, почвой, океаном и атмосферой. Человек вмешивается в углеродный цикл на протяжении многих веков, изменяя землепользование и добывая и сжигая углерод из древних органических остатков (уголь, нефть и газ). Увеличение концентрации углекислого газа также привело к снижению pH океана и коренным образом изменило морскую химию.

Атмосфера

Углерод в атмосфере Земли существует в двух основных формах: углекислый газ и метан. Оба этих газа поглощают и удерживают тепло в атмосфере и частично ответственны за парниковый эффект. Метан оказывает большее парниковое воздействие на единицу объема по сравнению с углекислым газом, но его концентрация в атмосфере значительно ниже, и он имеет меньший срок жизни, чем углекислый газ. Таким образом, углекислый газ вносит больший вклад в глобальный парниковый эффект, чем метан. Углекислый газ удаляется из атмосферы главным образом посредством фотосинтеза и поступает в наземные и океанические биосферы. Углекислый газ также непосредственно растворяется из атмосферы в водоёмах (океан, озёра и т. д.), а также растворяется в осадках по мере падения дождевых капель через атмосферу. Растворяясь в воде, углекислый газ реагирует с молекулами воды, образуя угольную кислоту, которая способствует повышению кислотности океана. Затем он может поглощаться горными породами в процессе выветривания, а также подкислять другие поверхности, с которыми он контактирует, или смываться в океан. Деятельность человека за последние два столетия увеличила количество углерода в атмосфере почти на 50% по состоянию на 2020 год, в основном в виде углекислого газа, как за счёт изменения способности экосистем извлекать углекислый газ из атмосферы, так и за счёт его прямого выброса, например, при сжигании ископаемого топлива и производстве бетона. В конечном итоге это приведёт к тому, что большая часть углекислого газа в атмосфере будет зафиксирована в земной коре в виде карбонатов. Как только концентрация углекислого газа в атмосфере опустится ниже примерно 50 частей на миллион (допустимые значения варьируются в зависимости от вида), фотосинтез типа C3 станет невозможным. А когда океаны на Земле испарятся примерно через 1,1 миллиарда лет,

Геосфера

Сухопутные и морские экосистемы главным образом связаны посредством речного транспорта, который выступает в качестве основного канала, через который эрозионные вещества, образованные на суше, поступают в океанические системы. Материальные и энергетические обмены между наземной биосферой и литосферой, а также процессы фиксации и окисления органического углерода совместно регулируют экосистемные запасы углерода и диоксигена (O2). В процессе транспортировки часть DOC быстро возвращается в атмосферу посредством окислительно-восстановительных реакций, вызывая "дегазацию углерода" между слоями хранения углерода в суше и атмосфере. Оставшиеся DOC и растворенный неорганический углерод (DIC) также экспортируются в океан. В 2015 году экспортные потоки неорганического и органического углерода из глобальных рек оценивались в 0,50–0,70 Pg C год⁻¹ и 0,15–0,35 Pg C год⁻¹ соответственно. Биологический насос – это не столько результат единичного процесса, сколько совокупность множества процессов, каждый из которых может влиять на биологическое перекачивание. Насос переносит около 11 миллиардов тонн углерода ежегодно в глубинные слои океана. В океане, лишенном биологического насоса, уровень CO₂ в атмосфере был бы примерно на 400 ppm выше, чем сейчас. Большая часть углерода, включенного в органические и неорганические биологические вещества, формируется на поверхности моря, откуда он затем начинает погружаться к океанскому дну. Глубоководные слои океана получают большую часть питательных веществ из верхних слоев воды, которые опускаются вниз в виде "морского снега". Он состоит из мертвых или умирающих животных и микробов, фекалий, песка и других неорганических материалов. Биологический насос отвечает за преобразование растворенного неорганического углерода (DIC) в органическую биомассу и перекачивание его в виде частиц или растворенных веществ в глубокий океан. Неорганические питательные вещества и углекислый газ фиксируются в процессе фотосинтеза фитопланктоном, который выделяет растворенное органическое вещество (DOM) и служит пищей для травоядных зоопланктонов. Более крупные зоопланктоны, такие как копеподы, выделяют фекальные гранулы, которые могут быть повторно поглощены, и опускаются на дно или собираются с другими органическими детритом в более крупные, быстро оседающие агрегаты. DOM частично потребляется бактериями и используется для дыхания; оставшийся устойчивый DOM переносится и перемешивается в глубоких водах. DOM и агрегаты, экспортируемые в глубокие воды, потребляются и используются для дыхания, тем самым возвращая органический углерод в огромный глубоководный резервуар DIC. Около 1% частиц, покидающих поверхностный океан, достигает морского дна и потребляется, используется для дыхания или захоранивается в отложениях. Итоговый эффект этих процессов заключается в удалении углерода в органической форме с поверхности и его возвращении в DIC на больших глубинах, поддерживая градиент DIC между поверхностными и глубокими слоями океана. Термохалинная циркуляция возвращает DIC из глубоких вод в атмосферу в масштабах тысячелетий. Углерод, захороненный в отложениях, может быть субдуцирован в мантию Земли и храниться в течение миллионов лет как часть медленного углеродного цикла (см. следующий раздел).

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).

Подпроцессы в рамках медленного углеродного цикла

Медленный или глубокий цикл углерода является важным процессом, хотя он изучен не так хорошо, как относительно быстрое перемещение углерода через атмосферу, наземную биосферу, океан и геосферу. Глубокий цикл углерода тесно связан с движением углерода на поверхности Земли и в атмосфере. Если бы этот процесс не существовал, углерод оставался бы в атмосфере, где он накапливался бы до чрезвычайно высоких уровней в течение длительных периодов времени. Следовательно, обеспечивая возврат углерода на Землю, глубокий цикл углерода играет критически важную роль в поддержании земных условий, необходимых для существования жизни. Более того, этот процесс значим сам по себе из-за огромных количеств углерода, которые он транспортирует по планете. Изучение состава базальтовой магмы и измерение потока углекислого газа из вулканов показывают, что количество углерода в мантии фактически в тысячу раз превышает его количество на поверхности Земли. Бурение и непосредственное наблюдение за глубокими процессами, связанными с углеродом, в недрах Земли, очевидно, чрезвычайно сложно, поскольку нижняя мантия и ядро простираются на глубину от 660 до 2891 км и от 2891 до 6371 км соответственно. Соответственно, о роли углерода в глубинах Земли известно немного. Тем не менее, ряд свидетельств – многие из которых получены в результате лабораторных симуляций глубинных условий Земли – указывает на механизмы перемещения этого элемента вниз, в нижнюю мантию, а также на формы, которые углерод принимает при экстремальных температурах и давлениях этого слоя. Кроме того, такие методы, как сейсмология, позволили лучше понять потенциальное присутствие углерода в ядре Земли.

Углерод в нижней мантии

Углерод в основном поступает в мантию в виде богатых карбонатами осадков на тектонических плитах океанической коры, которые при субдукции увлекают углерод в мантию. О циркуляции углерода в мантии, особенно в ее глубинных слоях, известно немного, однако многие исследования направлены на углубление нашего понимания движения и форм этого элемента в регионе. Например, исследование 2011 года показало, что круговорот углерода простирается до нижней мантии. В ходе исследования были проанализированы редкие, сверхглубокие алмазы из месторождения Джуина в Бразилии, и было установлено, что объемный состав включений в некоторых из них соответствует ожидаемому результату плавления и кристаллизации базальта при температурах и давлениях нижней мантии. Таким образом, результаты исследования указывают на то, что фрагменты базальтовой океанической литосферы служат основным механизмом переноса углерода в недра Земли. Эти субдуцированные карбонаты могут взаимодействовать с силикатами нижней мантии, в конечном итоге формируя сверхглубокие алмазы, подобные обнаруженному. Однако, помимо образования алмазов, карбонаты, опускающиеся в нижнюю мантию, могут претерпевать и другие изменения. В 2011 году карбонаты подверглись воздействию условий, аналогичных тем, что существуют на глубине 1800 км, в пределах нижней мантии. Это привело к образованию магнезита, сидерита и различных видов графита. Другие эксперименты и петрологические наблюдения подтверждают это, указывая на то, что магнезит является наиболее стабильной карбонатной фазой в большей части мантии, что во многом обусловлено его более высокой температурой плавления. Следовательно, ученые пришли к выводу, что по мере погружения в мантию карбонаты подвергаются восстановлению, а затем стабилизируются на глубине в условиях низкой кислородной фугативности. Магний, железо и другие металлические соединения выступают в качестве буферов на протяжении всего этого процесса. Наличие восстановленных элементарных форм углерода, таких как графит, свидетельствует о том, что соединения углерода восстанавливаются по мере опускания в мантию. Полиморфизм влияет на стабильность карбонатных соединений на разных глубинах внутри Земли. В качестве примера, лабораторные моделирования и расчеты теории функционала плотности показывают, что тетраэдрически координированные карбонаты наиболее стабильны на глубинах, приближающихся к границе ядро-мантия. Тригональные группы CO3 не способны образовывать полимеризуемые сети, в то время как тетраэдрические CO4 могут, что указывает на увеличение координационного числа углерода и, следовательно, на существенные изменения свойств карбонатных соединений в нижней мантии. Например, предварительные теоретические исследования показывают, что высокое давление приводит к увеличению вязкости карбонатных расплавов; снижение подвижности расплавов из-за увеличения вязкости способствует образованию крупных залежей углерода в глубинах мантии. Соответственно, углерод может оставаться в нижней мантии в течение длительного времени, но значительные его концентрации часто возвращаются в литосферу. Этот процесс, называемый дегазацией углерода, является результатом декомпрессионного плавления карбонатной мантии, а также подъема мантийных плюмов, переносящих углеродные соединения к коре. При подъеме к вулканическим горячим точкам углерод окисляется и выделяется в виде CO2, чтобы атом углерода соответствовал степени окисления базальтов, извергающихся в этих районах.

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.

Углерод в ядре

Хотя содержание углерода в ядре Земли достаточно хорошо определено, недавние исследования предполагают, что в этой области могут быть накоплены значительные запасы углерода. Поперечные (S) волны, проходящие через внутреннее ядро, распространяются со скоростью, составляющей примерно пятьдесят процентов от ожидаемой для большинства сплавов, богатых железом. Поскольку состав ядра, как считается, представляет собой сплав кристаллического железа с небольшим количеством никеля, эта сейсмическая аномалия указывает на наличие в ядре легких элементов, включая углерод. Более того, исследования с использованием камер с алмазными наковальнями, имитирующих условия в ядре Земли, показали, что карбид железа (Fe7C3) соответствует скорости распространения волн и плотности внутреннего ядра. Следовательно, модель карбида железа может служить доказательством того, что ядро содержит до 67% всего углерода Земли. Кроме того, другое исследование установило, что в условиях давления и температуры внутреннего ядра Земли углерод растворяется в железе, образуя стабильную фазу с тем же составом Fe7C3, хотя и с отличающейся структурой. В заключение, хотя точное количество углерода, потенциально содержащегося в ядре Земли, неизвестно, недавние исследования показывают, что наличие карбидов железа может объяснить некоторые геофизические наблюдения.

Влияние человека на быстрый углеродный цикл

С момента промышленной революции, и особенно после окончания Второй мировой войны, деятельность человека существенно нарушила глобальный углеродный цикл, перераспределяя огромные объемы углерода из геосферы. Изменение климата усиливает и обуславливает дальнейшие косвенные изменения углеродного цикла под воздействием различных положительных и отрицательных обратных связей. Современные тенденции изменения климата приводят к повышению температуры и кислотности океана, что изменяет морские экосистемы. Кроме того, кислотные дожди и загрязненный сток от сельского хозяйства и промышленности меняют химический состав океана. Эти изменения могут оказывать драматическое воздействие на высокочувствительные экосистемы, такие как коралловые рифы, тем самым ограничивая способность океана поглощать углерод из атмосферы в региональном масштабе и снижая океаническое биоразнообразие в глобальном масштабе. Обмен углеродом между атмосферой и другими компонентами системы Земли, в совокупности известный как углеродный цикл, в настоящее время является важным механизмом отрицательной обратной связи, смягчающим влияние антропогенных выбросов углерода на изменение климата. Углеродные поглотители на суше и в океане в настоящее время ежегодно поглощают около четверти антропогенных выбросов углерода. Однако степень ослабления их эффективности остается крайне неопределенной, поскольку модели системы Земли прогнозируют широкий диапазон поглощения углерода сушей и океаном даже при одинаковых сценариях концентрации или выбросов в атмосферу. Выбросы метана в Арктике, косвенно вызванные антропогенным глобальным потеплением, также влияют на углеродный цикл и способствуют дальнейшему потеплению.

Добыча и сжигание ископаемого углерода

Самым значительным и одним из самых быстрорастущих антропогенных воздействий на углеродный цикл и биосферу является добыча и сжигание ископаемого топлива, которое напрямую переносит углерод из геосферы в атмосферу. Углекислый газ также образуется и выделяется в процессе кальцинирования известняка при производстве клинкера – промышленного полупродукта цемента. К 2020 году в общей сложности было извлечено около 450 гигатонн ископаемого углерода, что приблизительно соответствует количеству углерода, содержащемуся во всей наземной живой биомассе Земли. Ожидается и наблюдается, что эти поглотители удалят около половины добавленного в атмосферу углерода в течение столетия. Однако, такие поглотители, как океан, обладают изменяющимися свойствами насыщения, и значительная доля (20–35% по данным комбинированных моделей) добавленного углерода, по прогнозам, останется в атмосфере на протяжении столетий и тысячелетий.

Галоуглеводы

Галоуглероды – это соединения, разработанные для широкого спектра применений в промышленности, например, в качестве растворителей и хладагентов. Тем не менее, накопление даже небольших концентраций (частей на триллион) хлорфторуглеродов, гидрофторуглеродов и перфторуглеродов в атмосфере обуславливает около 10% от общего прямого радиационного воздействия всех долгоживущих парниковых газов (по данным на 2019 год), включая воздействие от значительно более высоких концентраций углекислого газа и метана. Хлорфторуглероды также являются причиной истощения озонового слоя в стратосфере. На международном уровне, в рамках Монреальского и Киотского протоколов, предпринимаются усилия по ограничению быстрого роста промышленного производства и использования этих мощных с точки зрения воздействия на окружающую среду газов. Для некоторых областей применения разработаны и постепенно внедряются более безопасные альтернативы, такие как гидрофторулефины.

Изменения в землепользовании

С момента изобретения сельского хозяйства люди напрямую и постепенно влияли на углеродный цикл на протяжении столетий, изменяя состав растительности в наземной биосфере. За последние несколько столетий прямое и косвенное изменение землепользования и земного покрова, вызванное деятельностью человека, привело к утрате биоразнообразия, что снижает устойчивость экосистем к экологическим стрессам и уменьшает их способность поглощать углерод из атмосферы. Непосредственно это часто приводит к высвобождению углерода из наземных экосистем в атмосферу. Обезлесение с целью развития сельского хозяйства приводит к уничтожению лесов, которые накапливают значительные объемы углерода, и замене их, как правило, сельскохозяйственными угодьями или городскими территориями. Оба этих типа земного покрова хранят относительно небольшое количество углерода, в результате чего в атмосферу попадает больше углерода. Однако воздействие на атмосферу и углеродный цикл в целом может быть обращено вспять как намеренно, так и естественным путем посредством лесовосстановления.