Вуглець в океані (простий) - зміна клімату

Океан дуже важливий для кількості вуглекислого газу (простого) (СО2) в атмосфері, отже, також для масштабу парникового ефекту. Це пов’язано з тим, що він може поглинати величезну кількість СО2 і, отже, забирає частину СО2, який люди викидають, назад із повітря. Однак для цього йому потрібно набагато більше часу, ніж йому доступно за сьогоднішніх потужних викидів; і тому частина викидів СО2 залишається в атмосфері (близько 40%). Окрім океану, рослини на суші також поглинають СО2.

океані

Чому океан поводиться так і що впливає на його поведінку зараз і в майбутньому - це тема цієї статті.

Зміст

  • 1 Що визначає обмін СО2?
  • 2 Деякі хімії: буферна система
  • 3 парціальний тиск і концентрація
  • 4 Три вугільні насоси
    • 4.1 Фізичний насос
    • 4.2 Органічний насос
    • 4.3 Карбонатний зустрічний насос
  • 5 Зберігання вуглецю в майбутньому
  • 6 Повідомлення про ліцензію

1 Що визначає обмін СО2?

Через вагу повітря в атмосфері завжди існує певний тиск, тиск повітря. Частка вуглекислого газу в цьому тиску називається парціальним. Те саме стосується і океану: Частина тиску газу СО2, розчиненого у воді, є парціальним тиском в океані. Зараз ці два парціальні тиски зустрічаються на поверхні моря. Якщо парціальний тиск в океані сильніший, океан виділяє СО2 в атмосферу. Якщо, навпаки, збільшується парціальний тиск у повітрі, океан поглинає СО2, як це відбувається сьогодні, оскільки все більше і більше СО2 викидається в атмосферу людьми.

Ви можете собі уявити, що саме тиск, а не кількість, визначає обмін між атмосферою та океаном за допомогою пляшки з газованою водою (або іншого газованого напою): кришку прикручують так, щоб вона не відривалася, тому вона натискає трохи повітря в пляшці. При відкритті тиск ззовні зменшується, знімаючи кришку. Тому тиск молекул СО2 у напої раптово перевищує зустрічний тиск ззовні, і СО2 залишає пляшку. Ви можете побачити це на безлічі дрібних бульбашок, що утворюються всередині, і почути шиплячий звук, коли газ виходить. Це трапляється, навіть якщо кількість СО2 у пляшці та в повітрі зовсім не змінилося, коли її відкрили (спочатку). Тому різниця в тиску є єдиною причиною того, чому CO2 тече у воду або виходить з неї.

2 Деякі хімії: буферна система

Двоокис вуглецю поводиться у воді зовсім інакше, ніж в атмосфері. На жаль, СО2 не перетворюється в інші речовини в атмосфері, саме тому він залишається в повітрі до 200 років і викликає кліматичні проблеми в надмірних кількостях. Він зникає з атмосфери лише тоді, коли поглинається океаном або рослинністю на суші. З іншого боку, в океані СО2 перетворюється на дві нові речовини у поєднанні з водою - карбонатом гідрогену та карбонатом. Однак під час цих процесів перетворення карбонату також споживається більше, ніж утворюється при взаємодії вуглекислого газу з водою. Карбонат водню та карбонат містять вуглець (С), тобто вони є сполуками вуглецю. Крім того, чистий СО2 також розчиняється у воді.

Ці три сполуки вуглецю перебувають у певному співвідношенні один до одного в океані, в якому явно переважає карбонат гідрогену: карбонат гідрогену до карбонату до вуглекислого газу, такий як 91: 8: 1. Отже, якщо ви додаєте у воду обмежену кількість СО2, більша частина його перетворюється на карбонат гідрогену. Це одна з причин, чому океан може вмістити стільки вуглецю. Якби всі сполуки вуглецю були присутніми лише у вигляді СО2, його тиск був би більшим, ніж у сьогоднішній атмосфері, так що більша частина океану пішла б в атмосферу. Але оскільки більшість із них взагалі не присутня у вигляді СО2, вона певною мірою "прихована" від атмосфери, оскільки вона бачить лише тиск від СО2. Це "приховування" є загальним у хімічних розчинах і відоме як буфер.

До речі, істоти в океані також мають своєрідний буферний ефект. Рослини фотосинтезу також видаляють CO2 з води і утримують його у вигляді інших сполук. Однак кількість вуглецю, що зв’язується з морським життям, дуже мала (3 мільярди тонн із загальної кількості 38 000 мільярдів тонн в океані). Чому ці істоти все ще дуже важливі для виведення CO2 з повітря, розглянуто нижче ("Органічний насос").

3 парціальний тиск і концентрація

Як описано вище, тиск є визначальним для кількості СО2 у повітрі в рівновазі між океаном та атмосферою. Однак парціальний тиск в океані не є таким, як кількість вуглецю в океані, яку можна вказати як концентрацію (кількість частинок у кубічному метрі). Для того, щоб визначити, скільки вуглецю може зберігати океан, потрібно знати зв’язок між парціальним тиском і концентрацією. Фактором, що пов'язує їх між собою, є розчинність СО2. Чим краща розчинність, тим більше вуглецю може поглинати океан без часткового тиску. Крім того, співвідношення окремих сполук вуглецю між собою також може змінюватися, тобто за різних умов частка СО2 у загальній кількості вуглецю також різна. Якщо частка СО2 більша, менше може зберігатися в океані, тому "схованка" вже не працює. На обидва фактори впливу, розчинність та рівновагу між сполуками вуглецю, впливають:

  • Температура
  • солоність
  • тиск (який завжди приблизно однаковий на поверхні!)
  • склад морської води (оскільки вона містить багато інших речовин, які можуть впливати)

Якщо порівняти типові властивості морської води в різних місцях світу, можна побачити, що різниця температур найбільше впливає на кількість вуглецю, який океан може поглинути.

4 Три вугільні насоси

Якщо виміряти концентрацію сполук вуглецю на різній глибині, можна побачити, що вона значно зростає аж до глибини близько 1000 м. Цей факт також означає, що океан може зберігати стільки СО2. Якби на поверхні була така висока концентрація, як у глибинах, океану довелося б випустити частину її в атмосферу, оскільки парціальний тиск був би занадто високим. Однак таким чином атмосфера відчуває лише низький вміст на поверхні, великі кількості в глибині є безпечними від газоутворення.

Але як може бути, що сполуки вуглецю не розподіляються так, що ці відмінності зменшуються? Зрештою, крапля чорнила у склянці води з часом змішається рівномірно з водою. Причиною повинно бути те, що інші процеси постійно рухають вуглець зверху вниз, проти напрямку добровільного перемішування - подібно до того, як насос транспортує воду в гору, яка сама стікає вниз. З цієї причини ці процеси також називають насосами.

4.1 Фізичний насос

Фізичний насос також називають "насосом розчинності", оскільки він базується на залежності розчинності СО2 від температури. У тропіках, де тепло, вода не може поглинати багато СО2; навпаки, там океан виділяє навіть більше СО2, ніж поглинає. У високих широтах, таких як Південний океан, Північна Атлантика та Північний Льодовитий океан, вода поглинає більше СО2, ніж виділяє. Оскільки в цих місцях також можна знайти потопну гілку світової океанічної циркуляції, багата СО2 вода транспортується в глибину. Потім він поширюється у напрямку до екватора, так що холодна, багата на CO2 вода підштовхується під теплу та бідну на CO2 воду біля поверхні.

Цей насос приблизно пояснює половину різниці вуглецю між верхом і днищем. Ви також можете здогадатися, чому поглинання СО2 океаном відбувається так повільно: оскільки для того, щоб пройти через перевертаючу циркуляцію, потрібно кілька сотень років, поглинання СО2 не може відбуватися набагато швидше. Зрештою, багата СО2 вода спочатку повинна транспортуватися з поверхні вниз. Поглинання лише на поверхні може відбутися так швидко; Якщо воду не замінити новою, ємність накопичувального бака швидко вичерпується!

4.2 Органічний насос

Залежно від запасу поживних речовин, в океані мешкає цілий ряд рослин і тварин, більшість з яких знаходяться близько до поверхні, де рослинам вистачає світла, а отже, достатньо рослин для годування тварин. Якщо ці рослини і тварини гинуть або якщо вони виділяють речовини, вони опускаються в глибину через силу тяжіння. Залежно від того, наскільки вони великі і важкі, вони швидко або повільно тонуть, і залежно від того, наскільки добре вони розчиняються у воді, вони заходять дуже далеко або не дуже далеко. У глибині, де вони розчиняються, вони розпадаються на неорганічний вуглець, завдяки чому туди додається додатковий вуглець. З іншого боку, на поверхні, де рослини поглинають СО2 під час фотосинтезу, вони знижують вміст вуглецю.

Вміст атмосферного СО2 в рівновазі був би приблизно на 150-200 ppm у рівновазі без органічного насоса, що є значним порівняно з доіндустріальною величиною 280 ppm.

4.3 Карбонатний зустрічний насос

Цей насос насправді не є справжнім насосом, оскільки, на відміну від попередніх двох, він викликає більш високий рівень СО2 в атмосфері; тому його також називають "зустрічним насосом". Те, як вони працюють, є результатом досить складної хімії океану, і не дуже легко пояснити всебічно. Однак для простоти реакція, як правило, несе відповідальність, коли карбонат і СО2 реагують, утворюючи гідрогенкарбонат (два зовнішні сполуки в буферному рівнянні, таким чином, стають середніми). Це означає, що чим більше карбонату, тим менше СО2, оскільки він реагує. Ці дві сполуки ведуть себе в протилежних напрямках щодо їх концентрації. Майте на увазі, це обмеження правила, згідно з яким співвідношення сполук вуглецю залишається незмінним і особливістю порівняно з іншими кислотами у воді.

В даний час карбонатна зустрічна помпа виникає внаслідок того, що деякі живі істоти (наприклад, ракоподібні) утворюють оболонки вапна (карбонат кальцію; CaCO3). Померши, вони занурюються в глибину і видаляють зв’язаний карбонат з верхніх шарів, де в результаті збільшується вміст СО2. З іншого боку, альтернативним і більш точним поясненням є те, що іони кальцію також втрачаються на поверхні разом з карбонатом, що впливає на іонний баланс (компенсація позитивно і негативно заряджених частинок). Поглинається вапно є електрично нейтральним, але рівновага буферної системи залежить не тільки від (гідроген) карбонатних іонів і протонів, але і від деяких інших позитивно заряджених іонів, які електрично врівноважують негативні компоненти ДВЗ.

Карбонатний насос спрямований проти двох інших, але його сила лише приблизно на десяту частину більша, ніж насос для органіки та розчинності, так що це не так важливо.

5 Зберігання вуглецю в майбутньому

На майбутнє, звичайно, цікаво, наскільки добре океан може поглинати людські викиди СО2. Для цього потрібно оцінити, як можуть розвиватися насоси. Зрозуміло, що за вищої концентрації СО2 в атмосфері океан також поглинає більше СО2, ніж раніше; Однак наскільки ефективно це робиться, це залежить від моделі океану та основних припущень! Важливим моментом є обмеження буферного ефекту океану. Зберігання карбонату та гідрокарбонату також має обмежену ємність, так що все менше і менше СО2 може перетворюватися в ці два - "схованка" стає меншою. Крім того, більшість сучасних моделей циркуляції океану демонструють слабке занурення на наступне століття, ніж раніше, у Північній Атлантиці, здебільшого (але не тільки), оскільки високі широти швидше нагріваються, а тепла вода також більше не тоне. Роблячи це, CO2 тоді більше не зможе транспортуватися настільки ефективно. Фізичний насос ослаблений зміною клімату. Отже, в атмосфері, ймовірно, залишиться більше СО2, що призведе до подальшого потепління палива.

З іншого боку, можна подумати, що в результаті тонучі частинки органічного насоса досягають більшої глибини. У більшості місць на Землі в океані вода (щоб компенсувати опускання у високих широтах) надходить знизу вгору, що уповільнює опускання частинок. При слабшій циркуляції вони більше не будуть сповільнюватися настільки сильно і можуть транспортувати вуглець на більші глибини, що також сприяє видаленню CO2 з повітря. Обидва ефекти важко оцінити, оскільки комп'ютерні моделі залишають надто багато можливостей, які не можна виключати. Однак вважається, що послаблення фізичного насоса буде важливішим за посилений органічний насос.

Незалежно від насосів, слід також зазначити, що розчин СО2 в океанічній воді не завжди буде таким сильним, як раніше. Це тому, що буфер океану стає слабшим, коли в ньому більше вуглецю. На жаль, здатність поглинати СО2 не є необмеженою. Крім того, океан стає все більш кислим через більшу кількість СО2, так що багато живих істот вже не можуть жити в ньому добре. Більше про це можна дізнатись у статті Закислення океану.