Информация

Как тази диаграма илюстрира кръговрата на въглерода в езерата?

Как тази диаграма илюстрира кръговрата на въглерода в езерата?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Може ли някой да ми обясни следния процес:

Този процес се отнася до въглеродния цикъл в езерата и е описан в контекста на потока на $CO_2$ от езерата в атмосферата. GPP е бруто първично производство, $CO_2$ е въглероден диоксид, R е дишането, а OM е органична материя. Осъзнавам, че този въпрос може да е доста опростен за някои, но основните ми познания за всякакви биологични/екологични процеси са доста ограничени. Така че по принцип това, което питам е

  1. правилно ли съм написал този процес?
  2. как може да се опише този процес?

Това показва основните биологични трансформации на въглерода във всяка система (не само в езера).

Отляво:

  • $GPP$ (бруто първично производство) е общата сума от $C$ от атмосферни $CO_2$ който се редуцира до органични молекули по време на цикъла на фотосинтезата на Калвин. Това е процесът, извършван от фотосинтезиращи организми като зелени растения и водорасли.

† атмосферният $CO_2$ дифундира във вода и се развива в няколко вида неорганични въглеродни молекули, които растенията и водораслите могат да използват, но като цяло можете да мислите за този въглерод като много тясно свързан с атмосферния $CO_2$

  • $OM$ е съвкупност от органична материя, което е общ термин за редуцирани въглеродни молекули. $OM$ могат да бъдат тъкани на жив организъм (например риба), мъртви тъкани (например старещи листа) или биологично генерирани органични молекули (например захар, излужена от растение). $OM$ е основният резерв от енергия и суровини за всички живи същества на Земята, така че това е наистина важен фонд от неща.

Тъй като $GPP$ приема $CO_2$ и го преобразува в $OM$ с напредването на лявата страна, количеството $CO_2$ в атмосферата намалява, а количеството $OM$ в биосферата се увеличава.

От дясната страна:

  • $R$ (дишане) е окисляването на молекули, съдържащи редуциран въглерод с цел извличане на използваема енергия. Това може да е познато като "клетъчно дишане", но има и други метаболитни пътища, които постигат същата цел. В крайна сметка, когато $C$ в $OM$ се окислява и освободената енергия, $C$, която е била в $OM$, се превръща в $CO_2$.

Имайте предвид, че това е обратното на лявата страна, така че когато това се случи, количеството $OM$ в биосферата намалява и количеството $CO_2$ в атмосферата се увеличава.

Ако лявата и дясната страна са балансирани, тогава няма нетна промяна в размера на $OM$ пула или количеството $CO_2$ в атмосферата. Имайте предвид обаче, че за сравнително кратки времеви мащаби те могат да бъдат много небалансирани. Всеки път, когато растенията или водораслите растат (т.е. набират маса като $OM$), лявата страна > дясната страна или $GPP$ > $R$. След като тези растения умрат, те се натрупват в системата като мъртви $OM$. Разлагането на натрупаните мъртви $OM$ от микроби обикновено прави дясната страна > лявата страна или $R$ > $GPP$.

Тази снимка от Wikicommons показва същия цикъл в по-реалистична обстановка.


Финален изпит по биология (гл. 4)

Диаграмата показва моделна връзка на хранене в екосистема. Какво е показано от стрелките, които водят към и от миещата мечка?

Какъв тип екологичен модел е построил Томас?

0,1% Потребители от трето ниво
1% Потребители от второ ниво
10% Потребители от първо ниво
100% Първични производители

Какво представлява моделът?

Наблюденията на Даниел и моделът на хранителната верига предоставят най-силното доказателство за кое твърдение за езерните организми?

Даниел наблюдава рак, който хапе останките на мъртва слънчева риба. Създайте нова хранителна верига въз основа на това наблюдение, като съпоставите организмите с правилните места в диаграмата.

Нейният приятел Брайън оценява модела. той предлага тя да сгъсти стрелата, водеща от изкопаеми горива към атмосферата. Разсъжденията му са, че изкопаемите горива се изгарят с много по-бързи темпове, отколкото естествените процеси ги възстановяват.

Как моделът на Франсин показва ефекта от фотосинтезата и клетъчното дишане върху земните системи?

Нейният приятел Брайън оценява модела. той предлага тя да сгъсти стрелата, водеща от изкопаеми горива към атмосферата. Разсъжденията му са, че изкопаемите горива се изгарят с много по-бързи темпове, отколкото естествените процеси ги възстановяват.

Коя номерирана стрелка представлява фотосинтезата?

Рафаел мисли за преразглеждане на модела, за да представи ролята на фотосинтезата във водния цикъл. Би ли било разумно включването на фотосинтезата в модела и по каква причина?


Фоновият въглероден цикъл

Отстраняването на въглерода трябва да се разглежда в контекста на глобалния въглероден цикъл - обменът на въглерод в различни химически състояния между сушата, океана, атмосферата и геосферата. Всеки резервоар има „запас“ от съхраняван въглерод и въглеродни „потоци“ между резервоарите, като милиарди тонове въглерод (GtC) се движат през системата всяка година.

Увеличеният въглерод в атмосферата причинява затопляне на земната повърхност. От 1750-те години въглеродът в атмосферата се е увеличил с около 30% (от

870 GtC), с човешки емисии (

10 GtC/година) сега съставляват около 5% от общите потоци атмосфера/океан и атмосфера/земя, взети заедно. 1 1 P Friedlingstein et al. (2019) Глобален въглероден бюджет за 2019 г Научни данни за земната система , 2 2 P. Ciais et al. (2013) Въглеродни и други биогеохимични цикли Изменение на климата 2013: Основата на физичните науки. Принос на Работна група I към Петия доклад за оценка на Междуправителствената група по изменение на климата (Тези числа пренебрегват важната, но по-малка роля на промените в други концентрации и емисии на парникови газове.) Ефикасността и въздействието на всяко усилие за отстраняване на въглерода зависи от неговия относителен мащаб и от начина, по който то взаимодейства с фоновия цикъл.

За да помогнем на читателя да развие интуиция относно премахването на въглерода, ние използваме „диаграми за интервенция“, за да илюстрираме накратко въздействието на конкретни проекти. Празна диаграма изглежда така:

За всеки проект ние използваме цветове, за да подчертаем кои запаси са включени и кои потоци са подобрени или блокирани. Затъмняваме другите.

Тези диаграми са предназначени да илюстрират ключови концепции, но умишлено опростяват основната наука. Те не изобразяват размерите нито на запасите, нито на потоците. Те показват само интервенцията в определен момент от време, закривайки факта, че всяка интервенция причинява обратна връзка, която динамично засяга други запаси и потоци поради взаимосвързания характер на въглеродния цикъл. 3 3 Keller et al. (2018) Ефектите от отстраняването на въглероден диоксид върху въглеродния цикъл Текущи доклади за изменението на климата Въпреки това те предлагат лесен начин за разграничаване на различни механизми за отстраняване на въглерод.

С тази диаграма в ръка, нека изградим нашата интуиция, като първо преминем през примери, включващи проектирани системи.


Биологичният въглероден цикъл

Биологията играе важна роля в движението на въглерода между сушата, океана и атмосферата чрез процесите на фотосинтеза и дишане. На практика целият многоклетъчен живот на Земята зависи от производството на захари от слънчева светлина и въглероден диоксид (фотосинтеза) и метаболитното разграждане (дишане) на тези захари, за да се произведе енергията, необходима за движение, растеж и размножаване. Растенията поемат въглероден диоксид (CO2) от атмосферата по време на фотосинтезата и отделят CO2 обратно в атмосферата по време на дишане чрез следните химични реакции:

Дишане:

Фотосинтеза:

Чрез фотосинтеза зелените растения използват слънчева енергия, за да превърнат атмосферния въглероден диоксид във въглехидрати (захари). Растенията и животните използват тези въглехидрати (и други продукти, получени от тях) чрез процес, наречен дишане, обратен на фотосинтезата. Дишането освобождава енергията, съдържаща се в захарите за използване в метаболизма и променя въглехидратното "гориво" обратно във въглероден диоксид, който от своя страна се освобождава обратно в атмосферата. Количеството въглерод, погълнат от фотосинтезата и освободен обратно в атмосферата чрез дишане всяка година, е около 1000 пъти по-голямо от количеството въглерод, което се движи през геоложкия цикъл на годишна база.

На сушата основният обмен на въглерод с атмосферата е резултат от фотосинтеза и дишане. През деня през вегетационния период листата абсорбират слънчевата светлина и поемат въглероден диоксид от атмосферата. В същото време растенията, животните и почвените микроби консумират въглерода в органичната материя и връщат въглеродния диоксид в атмосферата. Фотосинтезата спира през нощта, когато слънцето не може да осигури движещата енергия за реакцията, въпреки че дишането продължава. Този вид дисбаланс между тези два процеса се отразява в сезонните промени в атмосферния CO2 концентрации. През зимата в северното полукълбо фотосинтезата спира, когато много растения губят листата си, но дишането продължава. Това състояние води до увеличаване на атмосферния CO2 концентрации през зимата в северното полукълбо. С настъпването на пролетта обаче фотосинтезата се възобновява и атмосферният CO2 концентрациите са намалени. Този цикъл се отразява в месечните средни стойности (светлосинята линия) на концентрациите на атмосферния въглероден диоксид, показани на фигура 2.

Фигура 2: "Кривата на Килинг", дългосрочен запис на атмосферния CO2 концентрация, измерена в обсерваторията на Мауна Лоа (Keeling et al.). Въпреки че годишните колебания представляват естествени, сезонни вариации, дългосрочното увеличение означава, че концентрациите са по-високи, отколкото са били за 400 000 години (вижте текста и фигура 3). Графично с любезното съдействие на Земната обсерватория на НАСА. изображение &копие НАСА

В океаните фитопланктонът (микроскопични морски растения, които формират основата на морската хранителна верига) използва въглерод, за да направи черупки от калциев карбонат (CaCO3). Черупките се утаяват на дъното на океана, когато фитопланктонът умира и се заравя в седиментите. Черупките на фитопланктона и други същества могат да се компресират с течение на времето, докато са заровени и често в крайна сметка се трансформират във варовик. Освен това, при определени геоложки условия, органичната материя може да бъде заровена и с течение на времето да образува отлагания от въглерод-съдържащи горива въглища и нефт. Това е органичната материя, която не съдържа калций, която се трансформира в изкопаемо гориво. Както образуването на варовик, така и образуването на изкопаеми горива са биологично контролирани процеси и представляват дългосрочни поглъщатели на атмосферния CO2.

Основният биологичен обмен на въглерод с атмосферата е от


Въглероден цикъл и екосистеми

Въглеродът е основна част от земната система. Той е един от основните градивни елементи на цялата органична материя на Земята и ключов елемент при определянето на температурата на Земята. Въглеродът се движи от атмосферата към земята, океана и живота чрез биологични, химични, геоложки и физични процеси в цикъл, наречен въглероден цикъл. Тъй като някои въглеродни газове са парникови газове, промените във въглеродния цикъл, които внасят повече въглерод в атмосферата, също затоплят климата на Земята.

В кратката времева скала въглеродният цикъл е най-видим в живота. Растенията на сушата и в океана превръщат въглеродния диоксид в биомаса (като листа и стъбла) чрез фотосинтеза. Въглеродът се връща в атмосферата, когато растенията се разлагат, изяждат се и се усвояват от животни или изгарят в пожари. Тъй като растенията и животните са неразделна част от въглеродния цикъл, въглеродният цикъл е тясно свързан с екосистемите. Тъй като екосистемите се променят при променящ се климат, въглеродният цикъл също ще се промени. Например, растенията могат да цъфтят по-рано през годината и да растат повече месеци (при условие, че има достатъчно вода), тъй като вегетационният сезон става по-дълъг, променяйки доставките на храна за животните в екосистемата. Ако растат повече растения, те ще извадят повече въглерод от атмосферата и ниските температури. Ако, от друга страна, затоплянето забавя растежа на растенията, местообитанията ще се изместят и повече въглерод ще навлезе в атмосферата, където може да причини допълнително затопляне.

Тера и въглеродният цикъл

Петте инструмента на Terra осигуряват измервания на състава, структурата, обхвата и промяната на растенията (растителност). И четирите измервания са необходими, за да се прецени колко въглеродни растения поемат, докато растат, и колко количество се отделя в атмосферата с течение на времето. Terra също така измерва концентрациите на въглероден оксид в атмосферата. Тъй като измерванията на Terra започват през 2000 г., те осигуряват запис за скоростта и степента на промяна за повече от десетилетие.

MODIS измерва концентрациите на хлорофил и флуоресценцията на повърхността на океана, за да оцени концентрацията и здравето на фотосинтезиращи организми като фитопланктона. Такива измервания показват колко въглерод се поема от океанската биология. MODIS също така измерва органичен въглерод на частици и неорганичен въглерод на частици, които могат да се използват за измерване на колко въглерод океанът обменя директно с атмосферата. Вижте Въглеродния баланс на океана в обсерваторията на Земята.

Земна растителност

MISR събира данни за общата височина и структура на широки участъци от растителност (структурата на сенника), площта, покрита от фотосинтезиращи листа, и количеството енергия, погълната от листата. Такива измервания дават представа за въглеродния поток. MODIS събира различни измервания, които показват колко растения растат, включително индекси на растителност, индекс на листната площ, първична продуктивност и евапотранспирация. Вижте Измерване на растителност в обсерваторията на Земята.

Промяна на земното покритие

Продуктът за земно покритие MODIS показва какъв тип растителност расте (гора, пасища и др.) на дадено място. Продуктите от смущения, включително продукта на изгорената площ, показват как се променя земната покривка чрез обезлесяване или повторно залесяване, селско стопанство, пожар, урбанизация и т.н. Изображенията на ASTER’ с разделителна способност 15 метра могат да се използват за оценка на промяната на земната покривка в местен мащаб, особено що се отнася до събития като пожари, наводнения, свлачища или вулканични изригвания. Въпреки че CERES не събира директно данни за въглерода, тя събира данни за енергийния поток във връзка с енергийния баланс, който се извършва в растителността и повърхността на земята.

MOPITT измерва въглеродния оксид в атмосферата. Докато въглеродният оксид (CO) сам по себе си не е парников газ, CO е химически свързан с метан, озон и въглероден диоксид и следователно влияе както на климата, така и на качеството на въздуха. Основните източници на CO включват изгаряне на изкопаеми горива, изгаряне на биомаса и окисление на метан. Измерванията на MOPITT на концентрациите на CO в тропосферата се основават на наблюдения, направени с набор от газови корелационни радиометри, работещи в две CO-чувствителни спектрални ленти. Продуктите на MOPITT CO се използват за изследване на движението на замърсяването в атмосферата, за количествено определяне на емисиите на CO и за подкрепа на прогнозите за качеството на въздуха.


Биологичният въглероден цикъл

Живите организми са свързани по много начини, дори между екосистемите. Добър пример за тази връзка е обменът на въглерод между автотрофи и хетеротрофи в и между екосистемите чрез атмосферния въглероден диоксид. Въглеродният диоксид е основният градивен елемент, който повечето автотрофи използват за изграждане на многовъглеродни, високоенергийни съединения, като глюкоза. Енергията, използвана от слънцето, се използва от тези организми за образуване на ковалентни връзки, които свързват въглеродните атоми заедно. По този начин тези химични връзки съхраняват тази енергия за по-късно използване в процеса на дишане. Повечето сухоземни автотрофи получават въглеродния си диоксид директно от атмосферата, докато морските автотрофи го придобиват в разтворена форма (въглеродна киселина, Н2CO3 − ). Въпреки това въглеродният диоксид се придобива, страничен продукт от процеса е кислородът. Фотосинтетичните организми са отговорни за отлагането на приблизително 21 процента кислородно съдържание в атмосферата, което наблюдаваме днес.

Хетеротрофите и автотрофите са партньори в биологичния въглероден обмен (особено основните консуматори, предимно тревопасни). Хетеротрофите придобиват високоенергийните въглеродни съединения от автотрофите, като ги консумират и ги разграждат чрез дишане, за да получат клетъчна енергия, като АТФ. Най-ефективният тип дишане, аеробното дишане, изисква кислород, получен от атмосферата или разтворен във вода. По този начин има постоянен обмен на кислород и въглероден диоксид между автотрофите (които се нуждаят от въглерода) и хетеротрофите (които се нуждаят от кислород). Обменът на газ през атмосферата и водата е един от начините, по които въглеродният цикъл свързва всички живи организми на Земята.


Стъпки на въглеродния цикъл

Като цяло биологичните и геоложките процеси са важни за поддържането на въглеродния баланс на планетата. Въглеродният цикъл е разделен на следните стъпки:

1. Навлизане на въглерод в атмосферата

Навлизането на въглерод (под формата на въглероден диоксид) в атмосферата бележи началото на въглеродния цикъл. Преди това въглеродният диоксид преминава през процеса на дишане (процес, чрез който организмите се отделят енергия от храната им) и изгаряне (процес на изгаряне). И двата процеса включват отделяне на въглероден диоксид в атмосферата.

2. Усвояване на въглероден диоксид от производителите

Следващата стъпка е навлизането на въглеродния диоксид в процеса на фотосинтеза. Фотосинтезиращи организми като растения и водорасли (наричани като производители) преобразуват въглеродния диоксид в захари за използване на енергия и за собствено възпроизвеждане.

3. Преминаване на въглеродните съединения в хранителната верига

След горната стъпка е навлизането на въглеродните съединения от самите растения (производители) в хранителната верига. Кога животни консумират (следователно консумират) тези растения, въглеродните съединения се получават от тях.

4. Връщане на въглерода в атмосферата

Следващата стъпка е връщането на въглерода в атмосферата поради разложителите (бактерии и гъбички) ядене на мъртви тела на животни. Това е така, защото процесът на разлагане отделя въглероден диоксид като страничен продукт.


ПРОСЛЕДВАНЕ

Тази насочена към студентите станционна лаборатория е създадена, за да могат студентите да започнат да изследват въглеродния цикъл. Четири от станциите се считат за входни станции, където учениците научават нова информация за въглеродния цикъл, а четири от станциите са изходни станции, където учениците ще демонстрират своето владеене на входните станции. Всяка от станциите е диференцирана, за да предизвика учениците, използващи различен стил на обучение. Можете да прочетете повече за това как настроих лабораториите на станцията тук.

РАЗУВАЙТЕ ГО!

Учениците ще работят по двойки, за да разберат по-добре въглеродния цикъл. В тази станция учениците манипулират карти, докато се опитват да съпоставят картина с фактора във въглеродния цикъл. Студентите ще следват стъпките и ще записват наблюденията си в лабораторния лист.

ВНИМАВАЙ!

На тази станция учениците ще гледат кратко видео, обясняващо въглеродния цикъл. След това учениците ще отговорят на въпроси, свързани с видеоклипа, и ще запишат отговорите си в листа от лабораторната си станция. Например: Обяснете процеса на горене. Как горенето, дишането и разлагането са подобни едно на друго? Кои са някои процеси, които извеждат CO2 от атмосферата?

ПРОУЧЕТЕ ГО!

Изследователската станция ще позволи на учениците да изследват интерактивна уеб страница, която им помага да разберат въглеродния цикъл, като играят игра. Студентите ще бъдат инструктирани да изпълнят няколко задачи и да запишат отговорите в своите лабораторни листове.

ПРОЧЕТИ ГО!

Тази станция ще предостави на учениците четене на една страница за геологичния въглероден цикъл. Има 4 допълнителни въпроса, на които учениците ще отговорят, за да покажат разбирането на четенето по темата.

ОЦЕНЕТЕ ГО!

Станцията за оценка е мястото, където учениците ще отидат, за да докажат майсторство върху концепциите, които са научили в лабораторията. Въпросите са зададени в стандартизиран формат с множество отговори. Някои въпроси включват: Кое е пример за дишане? Каква роля има фотосинтезата в въглеродния цикъл? Кои процеси добавят CO2 към атмосферата? Изгарянето на изкопаеми горива добавя CO2 към атмосферата. Как се нарича този процес?

НАПИШИ ГО!

Студентите, които могат да отговорят на отворени въпроси за лабораторията, наистина разбират концепциите, които се преподават. На тази станция учениците ще отговарят на три карти със задачи: Обяснете ролята на фотосинтезата в въглеродния цикъл. Опишете два сценария, при които може да възникне дишане. Каква е разликата между геоложкия въглероден цикъл и биологичния въглероден цикъл?

Илюстрирайте го!

Вашите визуални ученици ще харесат тази станция. Учениците трябва да нарисуват картина, която демонстрира познанията им за въглеродния цикъл. Техният чертеж ще има етикети като атмосфера, дифузия, дишане, фотосинтеза, разлагане, вулканизъм, горене и отлагания на изкопаеми горива.

ОРГАНИЗИРАЙТЕ ГО!

Учениците на тази станция ще отговарят на комплектите карти. Комплектите включват фактор на въглеродния цикъл с описанието. След като учениците завършат организацията си, учителят ще провери разбирането им.

Приблизително време на класа за изследване: 1-2, 45 минути учебни часове


Въглеродният цикъл

Екосистемата от бутилка е отличен начин да се проучи как популациите на растения и животни взаимодействат (например в въглеродния цикъл). Те са лесни за изграждане и са отлични за класни проекти и научни панаири. Ще започнем с най-простата за изграждане - водната екосистема.

Материали:

Най-лесно е да вземете растения, риби и охлюви от магазин за аквариуми, обикновено под 5 долара за всичко. Можете също да опитате да вземете материали от местно езерце.

Магазин за аквариуми

Алтернатива: езерце, блато, езеро или река

Кажете им, че правите проект за екосистемата на бутилките и те трябва да са много полезни.

растения: Elodea/Anacharis (обикновено $3 на куп). Често има метална скоба, която държи растенията заедно. Можете да използвате това, за да накарате растенията да потънат на дъното, ако желаете.

Риба (по избор): Едно хранително гупи (под $1).

охлюви: Поискайте два или три от малките охлюви, които идват с растения. Те не трябва да ви таксуват за това. Наистина не искате големи охлюви.

Може да не намерите a риба за вашата екосистема лесно. Ако го направите, уверете се, че е малък (около ½-1 инч). Много малък рак също ще свърши работа.

Охлюви вероятно ще бъде намерен на скали близо до брега или на разлагащи се листа. Трябват ви само две или трима.

Не забравяйте, че взимате организми от жива екосистема, за да ги поставите във вашата екосистема. Вземете само това, от което се нуждаете и се опитайте да не безпокоите района.

Опитайте се да вземете малко разлагащи се листа, ако са там. Не ви трябва много, но ще има много микроорганизми.

вода: Препоръчваме ви да занесете вашата двулитрова бутилка в аквариума или езерото, за да получите вода. По този начин ще получите всички микроорганизми, присъстващи в екосистемата.

Ако използвате чешмяна вода, трябва да престои в отворен съд за 24 часа преди да го използвате. В противен случай хлорът във водата ще убие рибите, охлювите и микроорганизмите във вашата екосистема. Където и да вземете водата си, уверете се, че е достигнала стайна температура, преди да добавите организми.

Скали: За да направите моделната си екосистема по-близо до земната екосистема, първо трябва да добавите малки скали или чакъл (измийте ги, за да премахнете всякакви замърсители, преди да поставите във вашата екосистема).

детрит: Това наистина е просто мъртва растителна материя. Искаш само малко, може би едно листо за осигуряване на храна за микроорганизмите. Рибите и охлювите ще използват тези микроорганизми за храна. Твърде много растителна материя може да доведе до срив на системата ви поради липса на кислород (процес, наречен еутрофикация).

Изграждане на екосистемата

Важно: използването на вода директно от мивката ще убие охлювите и рибите. Водата от чешмата съдържа хлор, невидим газ, използван, за да направи водата безопасна за пиене. Ако оставите водата за 24 часа, хлорният газ ще напусне и водата ще бъде безопасна за рибите и охлювите.

Къде да поставите вашата екосистема

Знаем, че светлината е съществена част от екосистемите. Без него фотосинтезата нямаше да се осъществи и растенията и животните биха загинали. Трябва да поставите вашата екосистема в зона:

  • който получава пряка слънчева светлина за няколко часа всеки ден.
  • който няма да бъде съборен или обезпокоен от хора или домашни любимци.
  • които можете да наблюдавате лесно.

Ако вашата екосистема не съдържа риба, тя може да се държи на прозорец, който не получава пряка слънчева светлина (въпреки че е най-добре малко пряка слънчева светлина).


Изветряне

С. Франк, . W. von Bloh, в Енциклопедия по екология, 2008 г

Времето и глобалният въглероден цикъл

Моделът на глобалния въглероден цикъл описва еволюцията на масата на въглерода в мантията, ° См, в комбинирания резервоар, състоящ се от океан и атмосфера, ° Со + а, в континенталната кора, ° С° С, в океанската кора и дъно, ° Се, в керогена, ° Скери в биосферата, ° Сбио. Уравненията за ефективността на преноса на въглерод между резервоарите отчитат де- и регазирането на мантията, утаяването на карбонати, натрупването на карбонати, еволюцията на континенталната биомаса, съхранението на мъртва органична материя и процесите на изветряне:

където T е времето, τ f времето на престой на въглерода в морското дъно, А съотношението на натрупване на въглерод (А > 0 за Ао < Ад), Р коефициент на регазиране, е° С дегазиращата фракция на въглерода, Vм обем на мантията, Fвреме скоростта на изветряне, Fпрец скоростта на утаяване на карбонати, Fхид хидротермалния поток, γ частта от мъртвата биомаса, прехвърлена към керогена, τ bio времето на престой на въглерода в биосферата, Π bio производителността на континенталната биосфера и τ ker е времето на престой на въглерода в керогена. Коефициентът на нарастване, А, се дефинира като частта от карбонатите на морското дъно, натрупани към континентите към общите карбонати на морското дъно. Коефициентът на регазиране, Р, се дефинира като частта от карбонатите на морското дъно, регазирани в мантията до общите субдуциращи карбонати. СА и дм се изчисляват от параметризиран модел на топлинна еволюция на цялата мантийна конвекция, включително водния обмен между мантията и повърхностните резервоари. Стойностите на константите са обобщени в маса 1 .

Маса 1 . Константи, използвани в модела на въглеродния цикъл

ПостояннаСтойностЗабележки
А0.7Коефициент на натрупване
Ад5,1 × 10 14 m 2 Повърхностна площ на Земята
Ао * 3,63 × 10 14 m 2 Сегашна площ на океанските басейни
° Собщо7,4 × 10 20 кгОбщата маса на въглерода в системата
е° С0.194Дегазираща фракция на въглерода
ж9,81 m s −2 Ускорение на гравитацията
стр1/2210,8 ppmПараметър на Михаелис-Ментен
pH * 8.2Днешно рН на океана
стрмин10 ppmМинимален CO2 парциално налягане, позволяващо фотосинтеза
Р0.7Коефициент на регазиране
S A * 2,7 km 2 a −1 Текуща скорост на разпространение на площта
Vм8,6 × 10 20 m 3 Обем на мантията
Vо1,1687 × 10 18 m 3 Обемът на океана
λ0,34 Ga −1 Константа на разпад
Πмакс180 × 10 12 kg a −1 Максимална производителност на биосферата
τе*77 годиниДнешно време на пребиваване на морското дъно
τбио12,8 аВреме на престой на въглерода в биосферата
τкер1,58 GaВреме на престой на въглерода в керогена

Данни от Franck S, Kossacki KJ, von Bloh W и Bounama C (2002) Дългосрочна еволюция на глобалния въглероден цикъл: Исторически минимум на глобалната повърхностна температура в момента. Кажи ни 54B: 325–343.

τе е времето на престой на въглерода в морското дъно и се параметризира с помощта на скоростта на производство на топлина В:

където В * е сегашната скорост на производство на топлина от мантията, Ао * днешната площ на океанските басейни, τ f * сегашното време на престой на морското дъно и λ константата на разпадане (вж. маса 1 ).

Общото количество въглерод в системата, ° Собщо, се запазва, т.е.

Следователно е възможно да се намали наборът от уравнения за глобалния въглероден цикъл от шест до пет независими уравнения. Моделът на кутията, включително съответните потоци, е скициран Фигура 2 .

Фигура 2 . Диаграма, илюстрираща основните механизми и взаимодействия за глобалния въглероден цикъл. Потоците от и към различните басейни са обозначени със стрелки.

Има два основни типа процеси на изветряне: силикатно изветряне и карбонатно изветряне. Карбонатното изветряне е основният процес, отчитащ потока на въглерод от континентите към океана, както е описано в уравнения [11] и [12]. Силикатното изветряне е важно само за потока на CO2 извън комбинирания басейн „океан + атмосфера“ и не оказва влияние върху континенталния въглероден резервоар (вижте модел на валежите). Описанието на процеса на изветряне е опростено в смисъл на минимален модел. Подробни модели на реакциите на атмосферни влияния могат да бъдат намерени в Бернер и Котавала.

Скоростта на пренос на въглерод от континентите към океана, задвижвана от карбонатното изветряне, е

където F weath cc и F weath mc са скоростите на изветряне на CaCO3 и MgCO3, съответно. Изветряването на калциевите и магнезиевите карбонати се определя по следните формули:

Префакторът очертава ролята на CO2 парциално налягане в почвата, стрпочва, a H + s е активността на H + в прясна почва-вода. Количеството a H + s * е настоящата стойност за активността на H + в почвата. Самата активност a H + s е функция на повърхностната температура и CO2 парциално налягане в почвата, където равновесните константи за химичните активности на въглеродната и серната системи са взети от Stumm и Morgan. стрпочва зависи от земната биологична продуктивност на площ, ΠА, атмосферният CO2 парциално налягане, стрCO2, и техните съответни (дългосрочни средни прединдустриални) настоящи стойности ( p почва * , Π A * , p CO 2 * ):

Приема се, че p почва * = 10 p CO 2 * . Константите във функциите за изветряне, k w cc и k w mc , са показани в Таблица 2 .

Таблица 2 . Константи във функциите на изветряне, константи на равновесие и коефициенти на активност

кw куб.см 175 × 10 −5 Ma −1 αЗ2О0.967
кw mc 142 × 10 −5 Ma −1 γCa 2+0.203
кw cs 28 × 10 17 mol Ma −1 γMg 2+0.260
кw Госпожица 31 × 10 17 mol Ma −1
К03,48 × 10 −2 bar −1
К14,45 × 10 −7 mol l −1
К24,69 × 10 −11 mol l −1
кsp куб.см 3,60 × 10 −9 mol 2 l −2
кsp mc 1,00 × 10 −5 mol 2 l −2

Продуктите на изветряне се транспортират до океана и в зависимост от продукта на разтворимост се утаяват до океанското дъно. Скоростта на валежите е

с Vплитка представлява обем на плитка вода, където могат да се осъществят валежи до морското дъно. Около 8% от площта на Земята е покрита с океан, по-малък от 10 3 m, т.е. Vплитка = 0.08 Ад 10 3 м. Тази стойност е първо приближение, защото плитката океанска зона може да се е променила през историята на Земята. Fбогатство sc и Fбогатство sm са скоростите на изветряне на CaSiO3 и MgSiO3. Биотично повишената скорост на изветряне на силикатите се дефинира подобно на карбонатното изветряне (вижте уравнение [20]):

където кw cs и кw ms са дадени Таблица 2 .

мекв около и мекв mg са равновесните концентрации на Ca и Mg катиони в океанската вода, които винаги са в наситено състояние. Промяната на равновесните концентрации води до промяна в разтворимостта на карбонатите в океанската вода и следователно влияе върху потока на валежите. Равновесните концентрации на Ca и Mg катиони са дадени от

където кsp cc и кsp mc са равновесни константи и γ Ca 2 + и γ Mg 2 + са коефициенти на активност ( Таблица 2 ).