Насос растворимости
В океанической биогеохимии насос растворимости представляет собой физико-химический процесс, который переносит углерод в виде растворенного неорганического углерода (DIC) с поверхности океана в его внутреннюю часть.
Обзор
[ редактировать ]| Часть серии о |
| Углеродный цикл |
|---|
 |
Насос растворимости приводится в действие совпадением двух процессов в океане:
- Растворимость ( углекислого газа является строго обратной функцией температуры морской воды т.е. растворимость выше в более прохладной воде).
- Термохалинная циркуляция обусловлена образованием глубоких вод в высоких широтах, где морская вода обычно холоднее и плотнее.
Поскольку глубинная вода (то есть морская вода во внутренней части океана) образуется в тех же поверхностных условиях, которые способствуют растворимости углекислого газа, она содержит более высокую концентрацию растворенного неорганического углерода, чем можно было бы ожидать, исходя из средних приземных концентраций. Следовательно, эти два процесса действуют вместе, перекачивая углерод из атмосферы в недра океана.
Одним из последствий этого является то, что когда глубинные воды поднимаются вверх в более теплых экваториальных широтах, они сильно выделяют углекислый газ в атмосферу из-за пониженной растворимости газа.
У насоса растворимости есть биологический аналог, известный как биологический насос . Обзор обоих насосов см. в Raven & Falkowski (1999). [1]
Растворимость углекислого газа
[ редактировать ]
Углекислый газ , как и другие газы, растворим в воде. Однако, в отличие от многих других газов ( например, кислорода ), он реагирует с водой и образует баланс нескольких ионных и неионных частиц (вместе известных как растворенный неорганический углерод , или DIC). Это растворенная свободная углекислота (CO 2 (вод) ), угольная кислота (H 2 CO 3 ), бикарбонат (HCO 3 − ) и карбонат (CO 3 2− ), и они взаимодействуют с водой следующим образом:
Баланс этих видов карбонатов (который в конечном итоге влияет на растворимость углекислого газа) зависит от таких факторов, как pH , как показано на графике Бьеррума . В морской воде это регулируется балансом зарядов ряда положительных (например, Na + , К + , мг 2+ , Как 2+ ) и отрицательные (например, CO 3 2− сам, кл − , ТАК 4 2− , Бр − ) ионы. Обычно баланс этих видов оставляет чистый положительный заряд. Что касается карбонатной системы, этот избыточный положительный заряд смещает баланс карбонатных частиц в сторону отрицательных ионов для компенсации. Результатом этого является снижение концентрации свободного углекислого газа и углекислоты, что, в свою очередь, приводит к поглощению океаном углекислого газа из атмосферы для восстановления баланса. Таким образом, чем больше дисбаланс положительных зарядов, тем выше растворимость углекислого газа. В терминах карбонатной химии этот дисбаланс называется щелочностью .
С точки зрения измерения ключевое значение имеют четыре основных параметра: общий неорганический углерод (TIC, TCO 2 или CT ) , общая щелочность (T ALK или AT ), pH и pCO 2 . Измерение любых двух из этих параметров позволяет определить широкий спектр pH-зависимых видов (включая вышеупомянутые виды). Этот баланс может быть изменен рядом процессов. Например, воздух-море поток CO 2 , растворение / осаждение CaCO как 3 или биологическая активность, такая фотосинтез / дыхание . Каждый из них по-разному влияет на каждый из четырех основных параметров, а вместе они оказывают сильное влияние на глобальные циклы. Чистый и локальный заряд океанов остается нейтральным во время любого химического процесса.
Антропогенные изменения
[ редактировать ]
Сжигание изменения , ископаемого топлива в землепользовании и производство цемента привели к выбросу CO 2 в атмосферу. В настоящее время около трети (около 2 гигатонн углерода в год) [2] [3] Считается , что антропогенные выбросы CO 2 попадают в океан. Насос растворимости является основным механизмом, управляющим этим потоком, в результате чего антропогенный CO 2 достигает глубины океана через высокоширотные участки глубоководного образования (особенно Северную Атлантику). В конечном итоге большая часть CO2 , выбрасываемого в результате деятельности человека, растворится в океане. [4] однако скорость, с которой океан поглотит его в будущем, менее определенна.
Изучая углеродный цикл до конца 21 века, Кокс и др. (2000) [5] предсказал, что скорость поглощения CO 2 начнет достигать максимальной скорости в 5 гигатонн углерода в год к 2100 году. Частично это произошло из -за нелинейностей в карбонатной системе морской воды, но также и из-за изменения климата . Потепление океана снижает растворимость CO 2 в морской воде, замедляя реакцию океана на выбросы. Потепление также приводит к увеличению стратификации океана , изолируя поверхностный океан от более глубоких вод. океана Кроме того, изменения в термохалинной циркуляции (в частности, замедление) [6] может способствовать уменьшению переноса растворенного CO 2 в глубины океана. Однако масштабы этих процессов все еще неопределенны, что не позволяет сделать хорошие долгосрочные оценки судьбы насоса растворимости.
Хотя поглощение океаном антропогенного CO 2 из атмосферы способствует уменьшению изменения климата, оно вызывает закисление океана, которое, как полагают, будет иметь негативные последствия для морских экосистем. [7]
См. также
[ редактировать ]- Щелочность
- Биологический насос
- Насос для континентального шельфа
- Закисление океана
- Термохалинная циркуляция
- Общий неорганический углерод
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Рэйвен, Дж. А. и П. Г. Фальковски (1999). Океанические поглотители атмосферного CO 2 . Окружающая среда растительной клетки. 22 , 741-755.
- ^ Такахаси, Таро; Сазерленд, Стюарт К.; Суини, Колм; Пуассон, Ален; Мецль, Николас; Тилбрук, Бронте; Бейтс, Николас; Ваннинхоф, Рик; Фили, Ричард А.; Сабина, Кристофер; Олафссон, Джон; Нодзири, Юкихиро (2002). «Глобальный поток CO 2 из моря в воздух , основанный на климатологических показателях pCO2 на поверхности океана, а также сезонных биологических и температурных эффектах». Глубоководные исследования, часть II: Актуальные исследования в океанографии . 49 (9–10): 1601–1622. Бибкод : 2002DSRII..49.1601T . дои : 10.1016/S0967-0645(02)00003-6 .
- ^ Орр, Дж. К., Э. Майер-Реймер, У. Миколаевич, П. Монфрей, Дж. Л. Сармьенто, Дж. Р. Тоггвейлер, Н. К. Тейлор, Дж. Палмер, Н. Грубер, К. Л. Сабина, К. Ле Кере, Р. М. Ки и Дж. Бутен (2001). Оценки антропогенного поглощения углерода на основе четырех трехмерных моделей глобального океана. Глобальная биогеохимия. Циклы 15 , 43-60.
- ^ Арчер, Д. (2005). Судьба ископаемого топлива CO 2 в геологическом времени. Дж. Геофиз. Рез. , 110 , дои : 10.1029/2004JC002625 .
- ^ Кокс, П.М., Беттс, Р.А., Джонс, К.Д., Сполл, С.А. и Тоттерделл, И.Дж. (2000). Ускорение глобального потепления из-за обратной связи углеродного цикла в совместной климатической модели. Природа , 408 , 184–187.
- ^ Брайден, HL, Лонгворт, HR и Каннингем, SA (2005). Замедление атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции на 25° с.ш. Nature , 438 , 655-657.
- ^ Орр, JC и др. (2005). Антропогенное закисление океана в XXI веке и его влияние на кальцифицирующие организмы. Природа 437 , 681-686.