Глобальный углеродный цикл

Обзор

Углерод постоянно перемещается через резервуары в течение времени от нескольких часов до миллионов лет. Фотосинтез, дыхание, разложение, океанический обмен, выветривание, седиментация, вулканизм и горение — все это способствует созданию этой взаимосвязанной системы.

Технические основы

Углеродный цикл количественно определяется как резервуары, связанные валовыми и чистыми потоками. Углекислый газ в атмосфере быстро обменивается с растительностью и поверхностью океана, в то время как органические вещества почвы, глубокие воды, отложения и горные породы накапливают углерод в течение более длительных периодов времени. Поглощение океана сочетает в себе газообмен, карбонатную химию, биологический экспорт и циркуляцию. На суше валовая первичная продукция компенсируется дыханием растений и микробов. Silicate weathering and carbonate burial provide a slow climate-regulating feedback, whereas volcanism and metamorphism return geological carbon to the atmosphere-ocean system.

Как это работает

Быстрый обмен связывает атмосферу, верхние слои океана и биосферу. Более медленные геологические процессы накапливают углерод в отложениях и горных породах. Добыча человеком и сжигание ископаемого углерода переносят материал из долговременных резервуаров в активную систему атмосфера-океан гораздо быстрее, чем это компенсируют процессы геологического удаления.

Методы измерения и исследования

Исследователи ограничивают потоки, используя сети концентрации атмосферы, соотношения изотопов углерода, исследования океана, вихревые ковариационные башни, инвентаризацию лесов и спутниковые наблюдения. Обратные модели определяют пространственные источники и поглотители на основе данных о переносе и концентрации, а модели системы Земли связывают биогеохимию с климатом. Углерод-13 помогает разделить влияния земных и ископаемых, а радиоуглерод отличает недавно обмененный углерод от старых ископаемых источников. Бюджеты должны согласовывать независимые оценки с неопределенностями и избегать двойного учета. Поглощение местной экосистемы нельзя считать постоянным, если пожар, урожай, засуха или изменения в землепользовании могут обратить его вспять.

Основные идеи

• Большой валовой обмен может сосуществовать с гораздо меньшим чистым потоком.
• Поглотители суши и океана поглощают часть, но не все выбросы углерода от деятельности человека.
• Продолжительность хранения углерода сильно различается в лесах, почвах, океанах и горных породах.

Текущий рубеж исследований

Текущие исследования изучают насыщение стоков, таяние вечной мерзлоты, торфяники, подкисление океана и долговечность инженерно-технического удаления. Потепление меняет дыхание, стратификацию и снабжение питательными веществами, вызывая обратную связь, величина которой варьируется в зависимости от региона и временного масштаба. Методы удаления углекислого газа различаются дополнительностью, утечкой, контролем и сроком хранения; тонна, временно хранящаяся в растительности, физически не эквивалентна минерализованному углероду. Метан и другие парниковые газы взаимодействуют с климатом, но требуют отдельных сроков жизни и показателей. Таким образом, надежная оценка смягчения последствий сочетает в себе учет выбросов углерода с энергетическими, биоразнообразиями, водными и социальными ограничениями.

Почему это важно

Углеродный цикл регулирует климат, химию океана и биологическую продуктивность. Измерение источников и поглотителей помогает определить климатические причины, составить бюджет и оценить стратегии смягчения последствий.

Ограничения и открытые вопросы

Обратная связь может ослабить или усилить естественные поглотители по мере изменения климата. При учете углерода необходимо отличать временное поглощение от длительного хранения и избегать рассмотрения всех атомов углерода или экосистем как взаимозаменяемых.