Ciclul carbonului profund - Deep carbon cycle

Carbon de pământ adânc

Ciclul profund al carbonului este ciclul geochimic (mișcarea) carbonului prin mantaua și nucleul Pământului . Face parte din ciclul carbonului și este strâns legat de mișcarea carbonului pe suprafața și atmosfera Pământului. Prin returnarea carbonului pe Pământul adânc, acesta joacă un rol critic în menținerea condițiilor terestre necesare existenței vieții. Fără acesta, carbonul s-ar acumula în atmosferă, atingând concentrații extrem de mari pe perioade lungi de timp.

Deoarece Pământul adânc este inaccesibil forajului, nu se știe foarte mult despre rolul carbonului în el. Cu toate acestea, mai multe dovezi - dintre care multe provin din simulări de laborator ale condițiilor adânci ale Pământului - au indicat mecanisme pentru deplasarea elementului în jos în mantaua inferioară, precum și formele pe care le ia carbonul la temperaturile și presiunile extreme ale acestui strat. Mai mult, tehnici precum seismologia au condus la o mai bună înțelegere a prezenței potențiale a carbonului în nucleul Pământului. Studiile asupra compoziției magmei bazaltice și a fluxului de dioxid de carbon din vulcani arată că cantitatea de carbon din manta este mai mare decât cea de pe suprafața Pământului cu un factor de o mie.

Cantitatea de carbon

Parte a unei serii pe
Ciclul carbonului
Pe regiuni Terestru Marin Atmosferic Carbon profund Sol Permafrost pădure boreală Geochimie
Dioxid de carbon În atmosferă Acidificarea oceanelor Îndepărtarea Măsurători prin satelit
Forme de carbon Producția primară marin Carbon negru Carbon albastru Kerogen
Căi metabolice Fotosinteză Chemosinteza Ciclul Calvin Ciclul invers Krebs Fixarea carbonului C3 C4 Respirația carbonului Sol Fotografie
Pompele de carbon Pompa biologică Pompa de solubilitate Pompa lipidică Zăpadă marină Buclă microbiană Șunt viral Pompa de jeleu Pompa de balene Pompa raft continentală
Sechestrarea carbonului Biosechestrarea Chiuveta de carbon Depozitarea carbonului din sol Depozitarea dioxidului de carbon în ocean Sedimente marine
Metan Metan atmosferic Metanogeneză Emisiile de metan Arctic Zonă umedă Producția aerobă Ipoteza pistolului Clathrate Clatrat de dioxid de carbon
Biogeochimic Cicluri marine Ciclul nutrienților Ciclul carbonat-silicat Adâncimea de compensare a carbonatului Raportul Redfield
Alte Repere de reconstrucție climatică Observatorul Deep Carbon Proiectul Global Carbon Captarea și stocarea carbonului Reechilibrarea ciclului carbonului Teritorializarea guvernanței carbonului Rețeaua totală de observare a coloanei de carbon C4MIP
v t e

Există aproximativ 44.000 de gigatone de carbon în atmosferă și oceane. Un gigatonne reprezintă un miliard de tone metrice , echivalent cu masa de apă din peste 400.000 de piscine olimpice. Oricât de mare este această cantitate, aceasta se ridică doar la o mică fracțiune de 1% din carbonul Pământului. Peste 90% pot locui în miez, majoritatea restului fiind în crustă și manta.

În fotosfera Soarelui, carbonul este al patrulea element din abundență . Pământul a început probabil cu un raport similar, dar a pierdut mult din cauza evaporării pe măsură ce s-a acumulat . Cu toate acestea, chiar și pentru evaporare, silicații care alcătuiesc scoarța și mantaua Pământului au o concentrație de carbon de cinci până la zece ori mai mică decât în condritele CI , o formă de meteor care se crede că reprezintă compoziția nebuloasei solare înainte planetele s-au format . O parte din acest carbon ar fi putut ajunge în miez. În funcție de model, se estimează că carbonul va contribui între 0,2 și 1% din greutate în nucleu. Chiar și la o concentrație mai mică, acest lucru ar reprezenta jumătate din carbonul Pământului.

Estimările conținutului de carbon din mantaua superioară provin din măsurători ale chimiei bazaltelor de creastă ale oceanului mediu (MORBs). Acestea trebuie corectate pentru degazarea carbonului și a altor elemente. De când s-a format Pământul, mantaua superioară și-a pierdut 40-90% din carbon prin evaporare și transport către miez în compuși de fier. Cea mai riguroasă estimare oferă un conținut de carbon de 30 de părți pe milion (ppm). Se așteaptă ca mantaua inferioară să fie mult mai puțin epuizată - aproximativ 350 ppm.

Mantaua inferioară

Carbonul pătrunde în principal în manta sub formă de sedimente bogate în carbonat pe plăcile tectonice ale scoarței oceanice, care trag carbonul în manta după ce sunt supuse subducției . Nu se știu prea multe despre circulația carbonului în manta, în special pe Pământul adânc, dar multe studii au încercat să ne sporească înțelegerea despre mișcarea și formele elementului în regiunea menționată. De exemplu, un studiu din 2011 a demonstrat că ciclul carbonului se extinde până la mantaua inferioară. Studiul a analizat diamante rare, super-adânci, la un sit din Juina, Brazilia , determinând că compoziția în vrac a unora dintre incluziunile diamantelor se potrivește cu rezultatul scontat al topirii și cristalizării bazaltului la temperaturi și presiuni mai mici ale mantalei. Astfel, descoperirile anchetei indică faptul că bucăți de litosferă oceanică bazaltică acționează ca principalul mecanism de transport al carbonului către interiorul adânc al Pământului. Acești carbonați subductibili pot interacționa cu silicații și metalele mantalei inferioare , formând în cele din urmă diamante super-adânci, precum cea găsită.

Rezervoare de carbon din manta, crustă și suprafață.

Rezervor	gigatonne C
Deasupra suprafeței	${\ displaystyle (43-45) \ times 10 ^ {3}}$
Crusta continentală și litosferă	${\ displaystyle (0.9-3.1) \ times 10 ^ {8}}$
Crusta oceanica si litosfera	${\ displaystyle 1.4 \ times 10 ^ {8}}$
Mantaua superioara	${\ displaystyle <3,2 \ ori 10 ^ {7}}$
Mantaua inferioară	${\ displaystyle <1,0 \ ori 10 ^ {9}}$

Carbonații care coboară spre mantaua inferioară formează alți compuși în afară de diamante. În 2011, carbonații au fost supuși unui mediu similar cu cel de 1800 km adâncime în Pământ, bine în mantaua inferioară. Acest lucru a dus la formațiuni de magnezit , siderit și numeroase soiuri de grafit . Alte experimente - precum și observații petrologice - susțin această afirmație, constatând că magnezita este de fapt cea mai stabilă fază carbonată din majoritatea mantalei. Acest lucru este în mare parte rezultatul temperaturii sale mai mari de topire. În consecință, oamenii de știință au ajuns la concluzia că carbonații suferă reduceri pe măsură ce coboară în manta înainte de a fi stabilizați la adâncime de mediile cu fugacitate scăzută de oxigen . Magneziul, fierul și alți compuși metalici acționează ca tampoane pe tot parcursul procesului. Prezența unor forme elementare reduse de carbon, cum ar fi grafitul, ar indica faptul că compușii de carbon sunt reduși pe măsură ce coboară în manta.

Procese de degazare a carbonului

Cu toate acestea, polimorfismul modifică stabilitatea compușilor carbonatici la diferite adâncimi ale Pământului. Pentru a ilustra, simulările de laborator și calculele teoriei funcționale a densității sugerează că carbonații coordonați tetraedric sunt cei mai stabili la adâncimi care se apropie de limita miez-manta . Un studiu din 2015 indică faptul că presiunile ridicate ale mantalei inferioare determină tranziția legăturilor de carbon de la sp ₂ la sp ₃ orbitali hibridizați , rezultând legarea carbonului tetraedric de oxigen. Grupurile trigonale de CO ₃ nu pot forma rețele polimerizabile, în timp ce CO ₄ tetraedric poate, ceea ce înseamnă o creștere a numărului de coordonare a carbonului și, prin urmare, modificări drastice ale proprietăților compușilor carbonatici din mantaua inferioară. De exemplu, studiile teoretice preliminare sugerează că presiunile ridicate determină creșterea vâscozității topiturii carbonatului; mobilitatea redusă a topiturilor ca urmare a modificărilor proprietății descrise este dovada existenței unor depozite mari de carbon adânc în manta.

În consecință, carbonul poate rămâne în mantaua inferioară pentru perioade lungi de timp, dar concentrații mari de carbon își găsesc frecvent drumul înapoi către litosferă. Acest proces, numit degajarea carbonului, este rezultatul topirii decompresiunii a mantalei carbogazoase, precum și a panourilor mantalei care transportă compușii de carbon în sus spre crustă. Carbonul este oxidat la ascensiunea sa către punctele fierbinți vulcanice, unde este apoi eliberat sub formă de CO ₂ . Acest lucru se întâmplă astfel încât atomul de carbon să se potrivească cu starea de oxidare a bazaltelor care erup în astfel de zone.

Miezul

Parte dintr-o serie pe
Cicluri biogeochimice
Ciclu de apă Ciclu de apă ciclul apei adânci
Ciclul carbonului Global atmosferic terestru oceanic Sechestrarea chiuveta de carbon ciclul carbonului profund carbon din sol ciuperci micorizale Păduri boreale
Ciclul nutrienților Ciclul hidrogenului Ciclul azotului impact uman nitrificare azot și licheni fixare asimilare Ciclul oxigenului Ciclul fosforului asimilare Ciclul sulfului asimilare
Ciclul rockului Ciclul rockului Ciclul calciului Ciclul de silice Ciclul carbonat-silicat
Ciclul marin Cicluri biogeochimice marine Pompa biologică bucla microbiană șunt viral Vâscoase calcaroase Vâscoase silicioase
Ciclul metanului Metan atmosferic Clatrat de metan ipoteza pistolului clatrat Emisiile de metan arctice
Alte cicluri Aluminiu Arsenic Brom Clor Crom Fluor Aur Iod Fier Conduce Litiu Mangan Mercur ozon – oxigen seleniu vanadiu zinc
subiecte asemănătoare Biogeochimie ciclul geochimic ciclism chimic chimia mediului Biosechestrarea Acidificarea oceanelor ploaie acidă Limitele planetare biogeochimice
Grupuri de cercetare DAAC GEOTRACE IMBER NOBM SOLAS
v t e

Deși prezența carbonului în nucleul Pământului este bine constrânsă, studii recente sugerează că stocurile mari de carbon ar putea fi stocate în această regiune. Undele de forfecare (S) care se deplasează prin miezul interior se deplasează la aproximativ cincizeci la sută din viteza așteptată pentru majoritatea aliajelor bogate în fier. Având în vedere că compoziția miezului este considerată a fi un aliaj de fier cristalin cu o cantitate mică de nichel, această anomalie seismografică indică existența unei alte substanțe în regiune. O teorie postulează că un astfel de fenomen este rezultatul diferitelor elemente ușoare, inclusiv carbonul, în nucleu. De fapt, studiile au folosit celule de nicovală diamantată pentru a reproduce condițiile din miezul Pământului, ale căror rezultate indică faptul că carbura de fier (Fe ₇ C ₃ ) se potrivește cu sunetul și viteza densității nucleului interior, având în vedere profilul său de presiune și temperatură. Prin urmare, modelul din carbură de fier ar putea servi drept dovadă că nucleul deține până la 67% din carbonul Pământului. Mai mult, un alt studiu a constatat că carbonul s-a dizolvat în fier și a format o fază stabilă cu aceeași compoziție de Fe ₇ C ₃ - deși cu o structură diferită de cea menționată anterior. Prin urmare, deși cantitatea de carbon potențial stocată în miezul Pământului nu este cunoscută, cercetările recente indică faptul că prezența carburilor de fier ar putea fi în concordanță cu observațiile geofizice.

• 

  Mișcarea plăcilor oceanice - care transportă compuși de carbon - prin manta

• 

  Două modele ale conținutului de carbon pe Pământ

• 

  Analiza vitezei undelor de forfecare a jucat un rol integral în dezvoltarea cunoștințelor despre existența carbonului în nucleu

• 

  Diagrama carbonului legată tetraedric de oxigen

Fluxuri

Fluxuri majore de carbon către, din și în interiorul sistemelor exogene și endogene ale Pământului
Valorile dau fluxurile maxime și minime de acum 200 de milioane de ani. Cele două limite majore evidențiate sunt discontinuitatea Mohorovicic (-crusta manta de delimitare; Moho) și limita litosferă-astenosferă (LAB).

Vezi si

• Observatorul Deep Carbon
• Geochimia carbonului

Referințe

Lecturi suplimentare