Въглерод в океана (просто) - климатични промени

Океанът е много важен за количеството въглероден диоксид (прост) (CO2) в атмосферата, следователно и за степента на парниковия ефект. Това е така, защото той може да абсорбира огромни количества CO2 и следователно отнема част от CO2, който хората отделят, обратно от въздуха. За целта обаче му е необходимо много повече време, отколкото му е на разположение при днешните силни емисии; и следователно част от отделените CO2 остават в атмосферата (около 40%). В допълнение към океана, растенията на сушата поглъщат и CO2.

въглерод

Защо океанът се държи по този начин и какво влияе върху поведението му сега и в бъдеще е предмет на тази статия.

Съдържание

  • 1 Какво определя обмена на CO2?
  • 2 Малко химия: буферната система
  • 3 парциално налягане и концентрация
  • 4 Трите въглеродни помпи
    • 4.1 Физическата помпа
    • 4.2 Органичната помпа
    • 4.3 Карбонатната противопомпа
  • 5 Съхранение на въглерод в бъдеще
  • 6 Известие за лиценз

1 Какво определя обмена на CO2?

Поради теглото на въздуха, винаги има определено налягане в атмосферата, въздушното налягане. Делът на въглеродния диоксид в това налягане се нарича парциално налягане. Същото се отнася и за океана: Частта под налягане на разтворения във водата CO2 е парциалното налягане в океана. Тези два частични налягания сега се срещат на морската повърхност. Ако парциалното налягане в океана е по-силно, океанът отделя CO2 в атмосферата. Ако, от друга страна, парциалното налягане във въздуха се увеличи, океанът поглъща CO2, какъвто е случаят днес, защото все повече и повече CO2 се изпускат в атмосферата от хората.

Можете да си представите, че именно налягането, а не количеството, определя обмена между атмосферата и океана с помощта на бутилка сода (или друга газирана напитка): Капакът се завинтва така, че да не се сваля, така че натиска малкото въздух в бутилката. При отваряне налягането отвън се намалява чрез отстраняване на капака. Следователно налягането на молекулите CO2 в напитката внезапно е по-голямо от противоналягането отвън и CO2 напуска бутилката. Можете да видите това в многото малки мехурчета, които се образуват вътре и да чуете съскащ звук, когато газът излезе. Това се случва, въпреки че количеството CO2 в бутилката и във въздуха изобщо не се е променило, когато е било отворено (отначало). Разликата в налягането е единствената причина, поради която CO2 тече във или извън водата.

2 Малко химия: буферната система

Въглеродният диоксид се държи напълно различно във водата, отколкото в атмосферата. За съжаление CO2 не се превръща в други вещества в атмосферата, поради което остава във въздуха до 200 години и причинява климатичен проблем в големи количества. Той изчезва от атмосферата само когато е погълнат от океана или от растителността на сушата. В океана, от друга страна, CO2 се превръща в две нови вещества в комбинация с вода, хидрогенкарбонат и карбонат. По време на тези процеси на преобразуване обаче карбонатът също се консумира, повече отколкото се получава, когато въглеродният диоксид реагира с вода. Водородният карбонат и карбонатът съдържат въглерод (С), т.е. те са въглеродни съединения. Освен това чистият CO2 също се разтваря във водата.

Тези три въглеродни съединения са в определено съотношение едно към друго в океана, при което явно преобладава водородният карбонат: водороден карбонат до карбонат до въглероден диоксид като 91: 8: 1. Така че, ако добавите ограничено количество CO2 към водата, по-голямата част от нея се превръща във водороден карбонат. Това е една от причините океанът да съдържа толкова много въглерод. Ако всички въглеродни съединения присъстваха само под формата на СО2, налягането му щеше да бъде по-голямо от това в атмосферата днес, така че по-голямата част от океана щеше да замине за атмосферата. Но тъй като по-голямата част изобщо не присъства като CO2, той до известна степен е "скрит" от атмосферата, защото вижда само налягането от CO2. Това "скриване" е често срещано в химическите разтвори и е известно като буфер.

Между другото, съществата в океана имат и един вид буферен ефект. Фотосинтетичните растения също така отстраняват CO2 от водата и го задържат под формата на други съединения. Въпреки това количеството въглерод, което е свързано с морския живот, е много малко (3 милиарда тона от общо 38 000 милиарда тона в океана). Защо тези същества са все пак много важни за отстраняване на CO2 от въздуха е разгледано по-долу ("Органичната помпа").

3 парциално налягане и концентрация

Както е описано по-горе, налягането е определящо за количеството СО2 във въздуха в равновесие между океана и атмосферата. Парциалното налягане в океана обаче не е същото като количеството въглерод в океана, което е напр. като концентрация (брой частици в кубичен метър). За да се определи колко въглерод може да съхранява океанът, трябва да се знае връзката между парциалното налягане и концентрацията. Факторът, който свързва двете заедно, е разтворимостта на CO2. Колкото по-добра е разтворимостта, толкова повече въглерод може да поеме океанът, без да се налага парциалното налягане да се повишава. В допълнение, съотношението на отделните въглеродни съединения едно към друго също може да се промени, т.е. при различни условия делът на CO2 в общото количество въглерод също е различен. Ако делът на CO2 е по-голям, по-малко може да се съхранява в океана, така че "скривалището" вече не работи добре. И двете влияещи променливи, разтворимостта и равновесието между въглеродните съединения, се влияят от:

  • температурата
  • солеността
  • налягането (което винаги е приблизително еднакво на повърхността!)
  • състава на морската вода (тъй като тя съдържа много други вещества, които могат да окажат влияние)

Ако сравните типичните свойства на морската вода на различни места по света, ще откриете, че температурните разлики имат най-голямо влияние върху количеството въглерод, което океанът може да поеме.

4 Трите въглеродни помпи

Ако измервате концентрацията на въглеродни съединения на различни дълбочини, можете да видите, че тя се увеличава значително до дълбочина от около 1000 m. Този факт също така означава, че океанът може да съхранява толкова много CO2. Ако на повърхността имаше толкова висока концентрация, колкото в дълбините, океанът щеше да трябва да изпусне част от нея в атмосферата, защото парциалното налягане би било твърде високо. По този начин обаче атмосферата изпитва само ниското съдържание на повърхността, големите количества в дълбочината са безопасни от изпускане на газове.

Но как може въглеродните съединения да не се разпределят, така че тези разлики да се намалят? В крайна сметка капка мастило във водна чаша в крайна сметка ще се смеси равномерно с водата. Причината трябва да е, че други процеси непрекъснато движат въглерода отгоре надолу, срещу посоката на доброволно смесване - точно както помпата транспортира вода нагоре по планината, която сама би се стичала надолу. Поради тази причина тези процеси се наричат ​​още помпи.

4.1 Физическата помпа

Физическата помпа се нарича още "помпа за разтворимост", тъй като се основава на зависимостта на разтворимостта на CO2 от температурата. В тропиците, където е топло, водата не може да абсорбира много CO2; напротив, там океанът отделя дори повече CO2, отколкото поглъща. Във високите географски ширини като Южния океан, Северния Атлантик и Северния ледовит океан водата абсорбира повече CO2, отколкото излъчва. Тъй като потъващия клон на глобалната океанска циркулация също може да бъде намерен на тези места, богатата на CO2 вода се пренася в дълбините. След това се разпространява към екватора, така че студената, богата на CO2 вода се изтласква под топлата и бедна на CO2 вода близо до повърхността.

Тази помпа грубо обяснява половината от разликата на въглерод между горната и долната част. Можете също така да се досетите защо поглъщането на CO2 от океана е толкова бавно: Тъй като са необходими няколкостотин години, за да премине през преобръщащата се циркулация, поглъщането на CO2 не може да стане много по-бързо. В крайна сметка, богатата на CO2 вода първо трябва да се транспортира надолу от повърхността. Само поглъщането на повърхността може да се случи толкова бързо; Ако водата не се замени с нова, капацитетът на резервоара за съхранение бързо се изчерпва!

4.2 Органичната помпа

В зависимост от хранителните запаси в океана живеят редица растения и животни, повечето от които са близо до повърхността, където има достатъчно светлина за растенията и следователно достатъчно растения за хранене на животните. Ако тези растения и животни умрат или ако отделят вещества, те потъват в дълбините поради силата на гравитацията. В зависимост от това колко големи и тежки са, те потъват бързо или бавно и в зависимост от това колко добре се разтварят във водата, стигат много далеч или не много. В дълбините, където се разтварят, те се разграждат до неорганичен въглерод, така че там се добавя допълнителен въглерод. От друга страна, на повърхността, където растенията абсорбират CO2 по време на фотосинтеза, те намаляват съдържанието на въглерод.

Съдържанието на CO2 в атмосферата би било около 150-200 ppm по-високо в равновесие без органичната помпа, което е много в сравнение с доиндустриалната стойност от 280 ppm.

4.3 Карбонатната противопомпа

Тази помпа всъщност не е истинска помпа, защото за разлика от предишните две, тя води до по-високо ниво на CO2 в атмосферата; следователно е известен и като „противопомпа“. Начинът им на работа е резултат от доста сложната океанска химия и не е много лесно да се обясни изчерпателно. За по-голяма простота обаче обикновено се обвинява реакция, при която карбонатът и CO2 реагират, образувайки водороден карбонат (двете външни съединения в буферното уравнение стават по този начин средните). Това означава, че колкото повече има карбонат, толкова по-малко е CO2, защото той реагира. Двете съединения се държат в противоположни посоки по отношение на тяхната концентрация. Имайте предвид, това е ограничение на правилото, че съотношението на въглеродните съединения остава същото и специална характеристика в сравнение с други киселини във водата.

Сега карбонатната противопомпа произтича от факта, че някои живи същества (като ракообразни) изграждат варови черупки (калциев карбонат; CaCO3). Когато умрат, те потъват в дълбините и премахват свързания карбонат от горните слоеве, където в резултат се увеличава съдържанието на CO2. Алтернативно и по-точно обяснение, от друга страна, е, че калциевите йони също се губят на повърхността с карбоната, което влияе върху баланса на йони (компенсирането на положително и отрицателно заредени частици). Потъващата вар е електрически неутрална, но равновесието на буферната система не зависи само от (водородните) карбонатни йони и протони, но и от някои други положително заредени йони, които балансират електрически отрицателните DIC компоненти.

Карбонатната помпа е насочена срещу другите две, но нейната сила е само около една десета по-голяма от помпата за органични вещества и разтворимост, така че тя не е толкова важна.

5 Съхранение на въглерод в бъдеще

За в бъдеще е интересно колко добре океанът може да абсорбира човешките емисии на CO2. За да направите това, трябва да прецените как помпите вероятно могат да се развият. Ясно е, че с по-висока концентрация на CO2 в атмосферата, океанът поглъща и повече CO2 от преди; Колко ефективно обаче прави това, зависи от модела на океана и основните предположения! Един важен момент е ограничаването на буферния ефект на океана. Съхранението на карбонат и хидроген карбонат също има ограничен капацитет, така че все по-малко CO2 може да се превърне в тези две - „скривалището“ става по-малко. В допълнение, повечето от настоящите модели на циркулация на океана показват по-слабо потъване за следващия век от преди в Северния Атлантик, най-вече (но не само), защото високите географски ширини се нагряват по-бързо и топлата вода вече също не потъва. По този начин CO2 след това вече няма да може да бъде транспортиран толкова ефективно. Физическата помпа е отслабена от изменението на климата. Следователно в атмосферата вероятно ще остане повече CO2, което допълнително ще затопли горивото.

От друга страна, възможно е в резултат на това потъващите частици на органичната помпа да достигнат по-големи дълбочини. На повечето места на земята в океана водата (за да компенсира потъването във високите ширини) идва отдолу нагоре, което забавя потъването на частиците. При по-слаба циркулация те не биха се забавили толкова много и биха могли да транспортират въглерода на по-големи дълбочини, което също помага за отстраняване на CO2 от въздуха. И двата ефекта са трудни за оценка, тъй като компютърните модели оставят твърде много отворени възможности, които не могат да бъдат изключени. Съществува обаче презумпцията, че отслабването на физическата помпа ще бъде по-важно от укрепената органична помпа.

Независимо от помпите, трябва също да се отбележи, че разтворът на CO2 в океанската вода не винаги ще бъде толкова силен, колкото преди. Това е така, защото буферът на океана става по-слаб, когато в него има повече въглерод. За съжаление способността за абсорбиране на CO2 не е неограничена. В допълнение, океанът става все по-кисел поради повече CO2, така че много живи същества вече не могат да живеят добре в него. Повече за това можете да намерите в статията Окисляване на океана.