Геохимические циклы все о них

(a. geochemical cycles; н. geochemische Kreisprozesse, geochemischer Kreislauf; ф. cycles geochimiques; и. ciclos geoquimicos) – совокупность последовательно происходящих явлений и процессов, приводящих к круговороту хим. элементов и их соединений в земной коре. Впервые понятие Г. ц. обосновал В. И. Вернадский (1922), к-рый связывал историю хим. элементов с последоват. преобразованием их соединений (минералов) в зависимости от разл. термодинамич. условий в разных частях земной коры. Постоянный круговорот хим. элементов в земной коре определяется динамич. характером природных равновесий, непрерывным преобразованием вещества земной коры в процессах выветривания, осадкообразования, метаморфизма, магматизма. Этот круговорот сопровождается разделением элементов, в наибольшей степени проявляющимся в биосфере при взаимодействии вещества литосферы, гидросферы и атмосферы и при определяющем участии живого вещества. Каждый хим. элемент в соответствии с его хим. свойствами имеет свой Г. ц. Выделяют Г. ц. разл. масштабов, напр. циклы, связанные с биогеохим. круговоротом элементов атмосферы, почв, грунтовых вод и живого вещества, или циклы преобразования пород в процессах выветривания-сноса-осадкообра- зования-выветривания (этот круговорот нередко называют малым Г. ц.), или, наконец, преобразование вещества земной коры в процессах выветривания-осадкообразования- метаморфизма-магматизма-выветривания (большой Г. ц.). Эти циклы взаимодействуют друг с другом, создавая в целом сложную систему путей миграции хим. элементов. Мерой темпа круговорота и обмена веществом между отд. резервуарами (магматич., метаморфич., осадочные породы, атмосфера, гидросфера, живое вещество) является ср. время пребывания элементов в них, представляющее частное от деления полной массы элемента в данном резервуаре на величину потока его из резервуара (или в резервуар – в стационарном состоянии эти величины равны друг другу), выраженного в единицах массы за единицу времени. Напр., ср. время пребывания С в живом веществе 7-8 лет, свободного О2 в атмосфере 3800 лет, СО2 в атмосфере 6 лет, СО2 в океане ок. 330 лет, С в осадочных породах ок. 400 млн. лет. Представление о Г. ц. позволяет связать отд. процессы в единую схему, составить схему распределения элементов в земной коре в целом, количественно описать осн. пути миграции хим. элементов. А. А. Ярошевский.

Горная энциклопедия. – М.: Советская энциклопедия. Под редакцией Е. А. Козловского. 1984-1991.

Смотреть что такое “Геохимические циклы” в других словарях:

• ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ – последовательные ряды геохимических процессов, в которых химические элементы мигрируют, участвуют в различных физико химических превращениях с образованием минералов, претерпевают изменения изотопного состава и возвращаются в исходное состояние.… … Большой Энциклопедический словарь

• геохимические циклы – последовательные ряды геохимических процессов, в которых химические элементы мигрируют, участвуют в различных физико химических превращениях с образованием минералов, претерпевают изменения изотопного состава и возвращаются в исходное состояние.… … Энциклопедический словарь

• Геохимические циклы – совокупность последовательно происходящих геохимических процессов, в которых элементы после ряда миграций возвращаются в исходное состояние. Для земной коры основной Г. ц. охватывает процессы: магматической дифференциации; кристаллизации… … Большая советская энциклопедия

• ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ – последоват. ряды геохим. процессов, в к рых хим. элементы мигрируют, участвуют в разл. физ. хим. превращениях с образованием минералов, претерпевают изменения изотопного состава и возвращаются в исходное состояние. Г. ц. в земной коре включают… … Естествознание. Энциклопедический словарь

• биогеохимические циклы – биогеохимические циклы, биогеохимические круговороты веществ, обмен веществом и энергией между различными компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятельностью организмов и носящий цикличный характер. Основы представлений о биогеохимической… … Сельское хозяйство. Большой энциклопедический словарь

• геохімічні цикли – геохимические циклы geochemical cycles geochemische Kreisprozesse – сукупність послідовних явищ та процесів, що приводять до кругообігу хім. елементів і їх сполук в земній корі. Уперше поняття Г.ц. обґрунтував В.І.Вернадський (1922), зв язавши… … Гірничий енциклопедичний словник

• Барт Томас Фредрик Вейбей – (Barth) (1899 1971), норвежский петрограф и геохимик. Труды по генезису горных пород, вулканологии, геохимическим циклам. * * * БАРТ Томас Фредрик Вейбей БАРТ (Barth) Томас Фредрик Вейбей (1899 1971), норвежский петрограф (см. ПЕТРОГРАФИЯ) и… … Энциклопедический словарь

• ГОСТ Р 53239-2008: Хранилища природных газов подземные. Правила мониторинга при создании и эксплуатации – Терминология ГОСТ Р 53239 2008: Хранилища природных газов подземные. Правила мониторинга при создании и эксплуатации оригинал документа: 2.5. геолого технологические исследования скважин; ГТИ: Комплексные исследования содержания, состава и… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Узбекская Советская Социалистическая Республика – (Узбекистон Совет Социалистик Республикаси) Узбекистан. I. Общие сведения Узбекская ССР образована 27 октября 1924. Расположена в центральной и северной частях Средней Азии. Граничит на С. и С. З. с Казахской ССР, на Ю.… … Большая советская энциклопедия

• Калийные соли – (a. potash salts, potassium salts; н. Kalisalze; ф. sels potassiques; и. sales potasicas) группа генетически связанных легкорастворимых в воде калиевых и калиево магниевых минералов и пород, в хим. составе к рых осн. роль играют катионы… … Геологическая энциклопедия

Источник

Схема геохимического цикла углерода показывает количество углерода в атмосфере, гидросфере и геосфере Земли, а также годовой перенос углерода между ними. Все величины в гигатоннах (миллиардах тонн). В результате сжигания ископаемого топлива, человечество ежегодно добавляет 5,5 гигатонн углерода в атмосферу

Геохимический цикл углерода – это комплекс процессов, в ходе которых происходит перенос углерода между различными геохимическими резервуарами. В истории Земли углеродный цикл менялся весьма значительно, эти изменения были как и медленными постепенными изменениями, так и резкими катастрофическими событиями. Важнейшую роль в круговороте углерода играли и играют живые организмы. В различных формах углерод присутствует во всех оболочках Земли.

Геохимический цикл углерода имеет несколько важных особенностей:

• В разное время разные процессы были определяющими в углеродном цикле.
• Резкие, катастрофические изменения цикла углерода играли ключевую роль в эволюции углеродного цикла в истории Земли.
• Геохимический цикл углерода всегда происходит через атмосферу и гидросферу. Тем самым, даже самые глубинные процессы могут влиять на окружающую среду и биосферу.

Геохимическая запись углеродного цикла изучена неравномерно по геологической шкале времён. Наиболее полно в этом отношении изучен четвертичный период, самый недавний и кратчайший геологический период, так как, с одной стороны, история углеродного цикла в нём наиболее полно зафиксирована ледниками Арктики и Антарктики. С другой стороны, в это время происходили значительные изменения углеродного цикла, и они неразрывно связаны с климатическими изменениями.

При изучении изменений в геохимических циклах элементов необходимо учитывать временной масштаб явлений. Одни процессы могут привносить малозаметные изменения, которые на длительных геологических промежутках времени становятся решающими. Иные изменения могут носить катастрофический характер, и происходить за очень короткие времена. При этом понятие времени характеристики «долго» и «медленно» в этом контексте относительны. Примером мгновенного в геологической шкале времени события в геохимическом цикле углерода является позднепалеоценовый термальный максимум.

Формы углерода[править | править код]

Углерод присутствует в природе в нескольких основных формах:

• восстановленная форма в виде метана и других углеводородов содержится в мантии, коре, атмо- и гидросфере
• в нейтральном состоянии в виде угля, графита, алмаза и карбида в коре и мантии
• в окисленной форме в виде углекислого газа, карбонатов и примеси в силикатах в мантии, коре и атмо- и гидросфере
• в виде сложных органических соединений углерод сосредоточен в биосфере, почве, и океане.

Перенос углерода между различными геохимическими резервуарами осуществляется через атмосферу и мировой океан. При этом углерод в атмосфере находится в виде углекислого газа и метана.

Углерод в атмосфере[править | править код]

В атмосфере углерод содержится в виде углекислого газа (СО2), угарного газа (СО), метана (СH4) и некоторых других углеводородов[1]. Содержание СО2 сейчас составляет ~0,04 % (увеличилось на 31 %, по сравнению с доиндустриальной эпохой), метана ~1,7 ppm (увеличился на 149 %), на два порядка меньше, чем СО2; содержание СО ~0,1 ppm. Метан и углекислый газ создают парниковый эффект, угарный газ такого влияния не оказывает.

Для атмосферных газов применяется понятие время жизни газа в атмосфере, это время, за которое в атмосферу поступает столько же газа, сколько его содержится в атмосфере. Время жизни метана оценивается в 10-14 лет, а время жизни углекислого газа – в 3-5 лет. СО окисляется до СО2 за несколько месяцев.

Метан поступает в атмосферу в результате анаэробного разложения растительных остатков. Основными источниками поступления метана в современную атмосферу являются болота и тропические леса.

Современная атмосфера содержит большое количество кислорода, и метан в ней быстро окисляется. Таким образом, сейчас доминирующим циклом является кругооборот CO2, однако в ранней истории Земли ситуация была принципиально иной и метановый цикл доминировал, а углекислотный имел подчинённое значение. Углекислый газ атмосферы является источником углерода для других приповерхностных геосфер.

Углерод в океане[править | править код]

Океан является исключительно важным резервуаром углерода. Общее количество элемента в нём в 100 раз больше чем содержится в атмосфере. Океан через поверхность может обмениваться углекислым газом с атмосферой, а также, посредством осаждения и растворения карбонатов, с осадочным чехлом Земли. Растворенный в океане углерод существует в трех основных формах:

• неорганический углерод
  • растворённый CO2
  • HCO3−
  • CO32−
• органический углерод, сосредоточенный в океанических организмах

Гидросферу можно разделить на три геохимических резервуара: приповерхностный слой, глубокие воды и слой реактивных морских осадков, способных к обмену углекислотой с водой. Эти резервуары различаются по времени отклика на внешние изменения углеродного цикла.

Углерод в земной коре[править | править код]

Содержание углерода в земной коре составляет порядка 0,27 %. С началом индустриальной эпохи человечество стало использовать углерод из этого резервуара и переводить его в атмосферу. Ещё академик Вернадский сравнивал этот процесс с мощной геологической силой, подобной эрозии или вулканизму.

Резервуары углерода[править | править код]

Рассмотрение углеродного цикла имеет смысл начать с оценок количества углерода, сосредоточенного в различных земных резервуарах. При этом мы будем рассматривать состояние системы на 1850 год, до начала индустриальной эры, когда начались массовые выбросы в атмосферу продуктов сжигания ископаемого топлива.

В атмосфере находится немного углерода по сравнению с океаном и земной корой, но углекислый газ атмосферы очень активен, он является строительным материалом для земной биосферы.

Метан не стабилен в современной окислительной атмосфере, в верхних слоях атмосферы при участии гидроксил-ионов он реагирует с кислородом, образуя всё тот же углекислый газ и воду. Основными производителями метана являются анаэробные бактерии, перерабатывающие образовавшуюся в результате фотосинтеза органику. Большая часть метана поступает в атмосферу из болот.

Для газов атмосферы введено понятие времени жизни, это то время, за которое в атмосферу поступает масса газа равная массе этого газа в атмосфере. Для СО2 время жизни оценивается в 5 лет. Как это ни странно, но время жизни неустойчивого в атмосфере метана значительно больше – порядка 15 лет. Дело в том, что атмосферный углекислый газ участвует в исключительно активном кругообороте с наземной биосферой и мировым океаном, в то время как метан в атмосфере только разлагается.

Приблизительные оценки количества углерода в различных геологических резервуарах[2].

Потоки углерода между резервуарами[править | править код]

Различают быстрый и медленный углеродный цикл. Медленный поток углеродного цикла связан с захоронением углерода в горных породах и может продолжаться сотни миллионов лет. Около 80% углеродосодержащих горных пород образовались в Мировом океане из отложений частей организмов, содержащих карбонат кальция.[3]

потоки между резервуарами

Продолжительность быстрого углеродного цикла определяется продолжительностью жизни организма. Он представляет собой обмен углеродом непосредственно между биосферой (живыми организмами при дыхании, питании и выделениях, а также мёртвыми организмами при разложении) и атмосферой и гидросферой.[5]

потоки между резервуарами[6]

(цифры после знака “+” указывают антропогенное влияние.)

Изменения углеродного цикла[править | править код]

Докембрийская история[править | править код]

На самых ранних этапах развития земли атмосфера была восстановительной, и содержание метана и углекислого газа было значительно выше, чем сейчас. Эти газы обладают значительным парниковым эффектом, и этим объясняют Парадокс слабого молодого Солнца, который заключается в расхождении оценок древней светимости солнца, и наличие воды на поверхности планеты.

В протерозое произошло кардинальное изменение углеродного цикла: от круговорота метана – к углекислотному циклу. Фотосинтезирующие бактерии начали производить кислород, который первоначально расходовался на окисление атмосферных углеводородов, железа, растворённого в океанах, и других восстановленных фаз. Когда эти ресурсы были исчерпаны, содержание кислорода в атмосфере стало увеличиваться. При этом содержание парниковых газов в атмосфере уменьшилось и началась протерозойская ледниковая эра.

Протерозойская ледниковая эра, произошедшая на границе протерозоя и венда, была одним из сильнейших оледенений в истории Земли. Палеомагнитные данные свидетельствуют, что в то время большая часть континентальных блоков коры были расположены в экваториальных широтах и почти на всех них установлены следы оледенения. В протерозойской ледниковой эпохе было несколько оледенений, и все они сопровождались значительными изменениями изотопного состава углерода осадочных пород. С началом оледенения углерод отложений приобретает резко облегчённый состав, считается, что причина этого изменения в массовом вымирании морских организмов, которые избирательно поглощали легкий изотоп углерода. В межледниковые периоды происходило обратное изменение изотопного состава из-за бурного развития жизни, которая накапливала значительную часть лёгкого изотопа углерода и увеличивала отношение 13C/12C в морской воде.

В случае протерозойского оледенения предполагается, что причиной отступления ледников (вообще говоря, оледенение устойчиво, и без дополнительных факторов может существовать неограниченно долго) могли быть вулканические эмиссии парниковых газов в атмосферу.

Фанерозой[править | править код]

Оценки содержания диоксида углерода в атмосфере в фанерозое и расчеты по различным геохимическим моделям

В фанерозое атмосфера содержала значительное количество кислорода и имела окислительный характер. Преобладающим был углекислотный цикл кругооборота углерода.

Прямые данные о дочетвертичных концентрациях углерода в атмосфере и океане отсутствуют. Историю углеродного цикла в это время можно проследить по изотопному составу углерода в осадочных породах и их относительной распространённости. Из этих данных следует, что в фанерозое углеродный цикл испытывал долгопериодические изменения, которые коррелирут с эпохами горообразования. Во время активации тектонических движений отложение карбонатных пород усиливается и его изотопный состав становится более тяжёлым, что соответствует увеличению сноса углерода из корового источника, содержащего в основном утяжелённый углерод. Поэтому считается, что основные изменения углеродного цикла происходили из-за усиления эрозии континентов в результате горообразования.

Четвертичный период[править | править код]

История изменения содержания СО2 и СН4 в атмосфере в четвертичном периоде известна относительно хорошо из изучения покровных ледников Гренландии и Антарктиды (в ледниках зафиксирована история примерно до 800 тыс. лет), лучше, чем для какого-либо периода истории Земли. Четвертичный период (последние 2,6 млн лет) отличается от других геологических периодов циклическими эпохами оледенений и межледниковий. Эти изменения климата чётко коррелированны с изменениями углеродного цикла. Однако даже в этом наиболее изученном случае нет полной ясности в причинах циклических изменений и связи геохимических изменений с климатическими.

Четвертичный период ознаменовался многократными следовавшими друг за другом оледенениями. Атмосферное содержание СО2 и СН4 менялось согласованно с вариациями температуры и между собой. При этом из этой палеоклиматической записи следуют следующие наблюдения:

1. Все ледниково-межледниковые циклы последнего миллиона лет имеют периодичность около 100 тыс. лет, в интервале времени 1-2,6 млн лет назад характерна периодичность около 41 тыс. лет.
2. Каждый ледниковый период сопровождается понижением атмосферной концентрации СО2 и СН4 (характерные содержания 200 ppm и 400 ppb соответственно)
3. Межледниковые периоды начинаются резким, в геологическом масштабе мгновенным, увеличением концентраций СО2 и СН4.
4. Во время межледниковых периодов между северным и южным полушарием существует градиент концентраций СН4. Составы воздуха, полученные из ледников Гренландии, систематически больше антарктических на 40-50 ppb. Во время ледниковых эпох концентрация метана в обоих полушариях падает и выравнивается.
5. Во время ледниковых периодов уменьшается содержание лёгкого изотопа углерода.

Некоторые из этих фактов могут быть объяснены современной наукой, но вопрос причинно-следственных связей, несомненно, пока не имеет ответа.

Развитие оледенения приводит к уменьшению площади и массы наземной биосферы. Так как все растения избирательно поглощают из атмосферы лёгкий изотоп углерода, то при наступлении ледников весь этот облегчённый углерод поступает в атмосферу, а через неё и в океан. Исходя из современной массы наземной биосферы, её среднего изотопного состава и аналогичных данных об океане и атмосфере и зная изменение изотопного состава океана во время ледниковых периодов из останков морских организмов, может быть рассчитано изменение массы наземной биосферы во время ледниковых периодов. Такие оценки были проведены и составили 400 гигатонн по сравнению с современной массой. Таким образом было объяснено изменение изотопного состава углерода.

Все четвертичные оледенения больше развивались в северном полушарии, где есть большие континентальные просторы. В южном полушарии преобладают океаны и там почти полностью отсутствуют обширные болота – источники метана. Болота сосредоточены в тропическом поясе и северном бореальном поясе.

Развитие оледенения приводит к уменьшению северных болот – одного из основных источников метана (и в то же время поглотителей СО2). Поэтому во время межледниковых периодов, когда площадь болот максимальна в Северном полушарии, концентрация метана больше. Этим объясняется наличие градиента концентраций метана между полушариями в межледниковые периоды.

Антропогенное влияние на углеродный цикл[править | править код]

Деятельность людей привнесла новые изменения в цикл углерода. С началом индустриальной эры люди стали всё в возрастающем количестве сжигать ископаемое топливо: уголь, нефть и газ, накопленные за миллионы лет существования Земли. Человечество привнесло значительные изменения в землепользовании: вырубило леса, осушило болота, и затопило прежде сухие земли. Но вся история планеты состоит из грандиозных событий, поэтому, говоря об изменении углеродного цикла человеком необходимо соразмерять масштабы и продолжительность этого воздействия с событиями в прошлом.

Углекислый газ – самый важный антропогенный парниковый газ, его концентрация в атмосфере значительно превысила её естественный диапазон за последние 650 тысяч лет[7].

С 1850 года концентрация СО2 в атмосфере увеличилась на 31 %, а метана на 149 %, что рядом исследователей связывается с антропогенным влиянием, причём по данным МГЭИК ООН, до трети общих антропогенных выбросов CO2 являются результатом обезлесения.[8]

Ряд работ указывает на рост содержания парниковых газов в связи с окончанием малого ледникового периода 16 века, последующим потеплением и высвобождением связанных запасов парниковых газов. При этом за счёт нагрева океана с одной стороны выделяется растворённый СО2, а с другой стороны тают и разрушаются клатраты метана, что приводит к его выделению в океан и атмосферу.[источник не указан 2700 дней]

См. также[править | править код]

• Углекислый газ в атмосфере Земли
• Поздне-палеоценовый термальный максимум
• Климат
• Изотопы углерода
• Стохастический резонанс
• Глобальное потепление

Примечания[править | править код]

1. ↑ Andrews J. et al. An duction to Environmental Chemistry. London: Blackwell Science. 1996. 209 p.
2. ↑ Table 1Falkowski, P.; Scholes, R. J.; Boyle, E.; Canadell, J.; Canfield, D.; Elser, J.; Gruber, N.; Hibbard, K.; Högberg, P.; Linder, S.; MacKenzie, F. T.; Moore b, 3.; Pedersen, T.; Rosenthal, Y.; Seitzinger, S.; Scek, V.; Steffen, W. The Global Carbon Cycle: A Test of Our Knowledge of Earth as a System (англ.) // Science : journal. – 2000. – Vol. 290, no. 5490. – P. 291-296. – doi:10.1126/science.290.5490.291. – Bibcode: 2000Sci…290..291F. – PMID 11030643.
3. ↑ The Carbon Cycle : Feature Articles
4. ↑ Элементы – новости науки: Морские рыбы вносят заметный вклад в образование карбонатов
5. ↑ The Carbon Cycle : Feature Articles
6. ↑ The Carbon Cycle : Feature Articles
7. ↑ Архивированная копия (недоступная ссылка). Дата обращения: 28 апреля 2013. Архивировано 30 октября 2012 года.
8. ↑ https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/ar4-wg1-chapter7-1.pdf IPCC Fourth Assessment Report, Working Group I Report «The Physical Science Basis», Section 7.3.3.1.5 (p. 527)

Литература[править | править код]

• Одум Ю. Экология: В 2-х т. / пер. с англ. – М.:. Мир, 1986. – Т. 1. – С. 225-229.
• Шилов И. А. Экология. – М.: Высшая школа, 1997. – С. 49-50.
• Круговорот веществ // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. – 3-е изд. – М. : Советская энциклопедия, 1969-1978.
• Энциклопедия живой природы. / Гл. редактор: акад. Чубарьян А. О.. – М.: Экслибрис, 2006. – Т. 5. – С. 10. – 160 с.
• Роберт Хейзен. Симфония №6 Углерод и эволюция почти всего = Robert M. Hazen. Symphony in C: Carbon and the Evolution of (Almost) Everything / Анастасия Науменко. – М.: Альпина нон-фикшн, 2021. – 410 p. – ISBN 978-5-00139-283-5.

Ссылки[править | править код]

• Цикл углерода // Энциклопедия «Кругосвет».
• Круговорот углерода в природе.

Источник