Лекция 3. Lect_03_Carbon_II Цикл углерода (продолжение). Анализ содержания СО 2 в атмосфере в прошлые эпохи по данным кернов льда из Антарктиды: за 400 тыс. лет (станция «Восток») и 800 тыс. лет (проект «EPICA»). Циклы Миланковича. Сопряженные изменения CO 2, CH 4 и температуры (по дейтерию). Палеотемпература по данным изотопного состава кислорода в карбонатах донных отложений. Потепление в начале Пермского периода и оценка динамики СО 2 в это время. Органические углерод в океане: разные формы.

Углерод в атмосфере

А что происходило с СО 2 в атмосфере 10, 20 или 200 тысяч лет тому назад?

J. R. PETIT, J. JOUZEL, D. RAYNAUD, N. I. BARKOV, J.- M. BARNOLA, I. BASILE, M. BENDER, J. CHAPPELLAZ, M. DAVIS, G. DELAYGUE, M. DELMOTTE, V. M. KOTLYAKOV, M. LEGRAND, V. Y. LIPENKOV, C. LORIUS, L. PÉPIN, C. RITZ, E. SALTZMAN & M. STIEVENARD Сlimate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica // Nature. V. 399, P (03 June 1999)

Nature 399, (03 June 1999); Сlimate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica

P. Falkowski The Global Carbon Cycle: A Test of Our Knowledge of Earth as a System // Science 2010 V P 291

ЦИКЛЫ МИЛАНКОВИЧА Земля регулярно меняет форму орбиты: 1)C периодичностью 26 тыс. лет меняется конус, описываемой Земной осью (прецессия) 2)С периодичностью в 41 тыс. лет — угол наклона земной оси к плоскости её орбиты 3)С периодичностью 93 тыс. лет она становится то более эллипсоидной, то более круговой (меняется эксцентриситет) Комбинация этих изменений орбиты сказывается на количестве получаемого Землей тепла и на характере распределения его по поверхности планеты

Определение палеотемператур на основе изотопного анализа карбоната кальция CaCO 3 (раковины фораминифер, моллюсков, брахиопод) 1. В CaCO 3 включаются два изотопа кислорода 16 O и «тяжелый» 18 O (в том соотношении, в котором они находятся в окружающей среде) 2. Когда океаническая вода испаряется, а затем конденсируется и выпадает в виде осадков, молекулы с тяжелым изотопом 18 O, возвращаются в океан быстрее, чем содержащие легкий 16 O

Определение палеотемператур на основе изотопного анализа карбоната кальция CaCO 3 (раковины фораминифер моллюсков, брахиопод) 3. Молекулы с 16 О в значительном количестве уносятся на континенты (снег, выпадающий на ледники, всегда обеднен 18 O). 4. Чем больше растет масса ледников, тем сильнее оставшиеся в океане воды обогащаются более тяжелым изотопом 18 O

Определение палеотемператур на основе изотопного анализа карбоната кальция CaCO 3 (раковины фораминифер) 5. Прослеживая за относительным содержанием изотопов 16 O и 18 O в колонках (кернах) донных осадков из разных мест Мирового океана, можно судить о том, как изменялось на Земле соотношение массы свободной воды и воды связанной во льдах

Проследить за относительным содержанием 18 O можно и непосредственно в пузырьках воздуха из разных слоёв ледового керна. Соответственно, мы узнаем содержание 18 О в атмосфере.

Содержание 18 O в атмосфере меняется в зависимости от интенсивности фотосинтеза (прежде всего наземной растительности) и суммарного дыхания всех организмов. При дыхании потребляется более легкий изотоп 16 О (в воздухе накапливается 18 О), но растения выделяют О 2 с таким соотношением изотопов, которое характерно для почвенной влаги (фракционирования не происходит)

Nature 429, (10 June 2004)

Станция Европейского сообщества Concordia на куполе «С» (EPICA - European Project for Ice Coring in Antarctica) Толщина льда м Глубина бурения 3190 м Проанализирован керн длиной 3129 м Время образования льда – лет

Станция Европейского сообщества Concordia на куполе С (EPICA - European Project for Ice Coring in Antarctica)

Nature 429, (10 June 2004) Eight glacial cycles from an Antarctic ice core EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica) community members

Изменения содержания метана в пузырьках воздуха со станций «Восток» (верхняя коричневая линия) и на куполе C (красная, далее черная линия) за 800 тысяч лет. Нижний график – содержания дейтерия во льду с купола С. Loulerlegue et al., Nature. V P

Nature 429, (10 June 2004) Eight glacial cycles from an Antarctic ice core EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica) community members Изменения температуры за 800 тысяч лет в районе Антарктиды. По оси абсцисс – возраст отложений в тысячах лет до настоящего времени (т.е. ход времени - справа налево). Чёрная линия вверху – относительное содержание дейтерия δD в колонке льда с Европейской станции (EPICA) на куполе «С». Синяя линия внизу – относительное содержание тяжелого изотопа кислорода δ 18 O в донных отложениях в Южном океане (в последнем случае – инвертированная шкала).

Нижний график - изменения содержания СО 2 в пузырьках воздуха и дейтерия во льду Антарктиды за 800 тысяч лет (разным цветом показаны данные из разных мест и полученные разными методами. Верхний – ход температурной аномалии. Loulerlegue et al., Nature. V P

Изменения, происходившие при потеплении (окончание ледникового периода) тыс. лет тому назад. Показан ход концентрации СО 2 и СН 4 в пузырьках воздуха и относительного содержания дейтерия δD во льду, а также пыли EPICA на куполе «С».

Изменения содержания кислорода (наверху) и углекислого газа (внизу) за 600 миллионов лет PAL – Present Atmospheric Level

миллионов лет тому назад (начало Пермского периода) После холодов, длившихся почти полмиллиарда лет, пришло глобальное потепление, сопряженное с резким возрастанием содержания в атмосфере СО 2 — от уровня, примерно равного современному (250 ppm), до 1000 ppm, а затем и до 3000 ppm (то есть почти в 12 раз) Isabel P. Montañez et al. CO 2 -Forced Climate and Vegetation Instability During Late Paleozoic Deglaciation // Science V P 87-91

Ранняя пермь – Кунгурский век (рис. С.В.Наугольных)

Ископаемые растения пермского периода, распространявшиеся при потеплении климата. 1 — лист птеридосперма Rhachiphyllum 2 — лист птеридосперма Psygmophyllum; 3 — кутикула листа кониферофита Entsovia; 4 — лист голосеменного растения рода Rufloria. Нижняя пермь Приуралья. Рис. с сайта: macroevolution.narod.ru

Как определить содержание в воздухе СО миллионов лет тому назад? Метод, основан на оценке содержании стабильного изотопа углерода 13 C в кальцитах, образовавшихся в древних почвах на поверхности континентов Isabel P. Montañez et al. CO 2 -Forced Climate and Vegetation Instability During Late Paleozoic Deglaciation // Science V P 87-91

1. При фотосинтезе растения (особенно С-3) предпочитают молекулы СО 2 с более легким изотопом 12 С 2. В образующемся абиогенным образом (без участия организмов) кальците изотопы углерода 12 С и 13 С встречаются в той же пропорции, что и в воздухе 3. Воздух между частицами почвы обеднен 13 С, поскольку там содержится много растительных остатков 4. Но при высокой концентрации в воздухе СО 2 он большем количестве и в неизмененном растениями состоянии проникает в почву, где соответственно повышается доля 13 С «Метод палеобарометра», придуманный американским геофизиком Т. Серлингом (Thure E. Cerling)

Изменения в биосфере миллионов лет тому назад (начало Пермского периода) Isabel P. Montañez et al. CO 2 -Forced Climate and Vegetation Instability During Late Paleozoic Deglaciation // Science V P 87-91

СО 2 Температура

Углерод в океане

Углерод в океане Ежегодно связывается ≈ 92 Гт С возвращается в атмосферу ≈ 90 Гт С СО 2, взаимодействуя с молекулами воды, образует угольную кислоту, которая диссоциирует на СО 3 - и СО 3 2- В зависимости от рН соотношение сдвигается СО СО 2 + Н 2 О ↔ 2 НСО 3 -

Углерод в океане Буферная емкость океана ограничена: 1. Нехваткой катионов Ca 2+ и Mg 2+ (необходимы для образования известковых скелетов организмов) 2. Крайне слабым перемешиванием водной толщи (перемешиваемый слой – м, средняя глубина океана м)

Органический углерод в океане присутствует в виде: 1.Живых организмов 2.Детрита 3.Растворенного органического вещества

Масса углерода живых организмов в океане: ≈ 1-2 Гт Масса углерода в виде растворенного органического вещества (DOC – dissolved organic carbon) ≈ 1000 Гт

Масса углерода в виде детрита (POC – particulate organic carbon) в океане: ≈ 100 Гт

Биомасса организмов в океане ≈ 1-2 Гт С на суше ≈ 800 Гт С ( ) (??? но суммарная масса бактерий в верхних 300 метров донных океанических отложений - 90 Гт С) Чистая первичная продукция океана ≈ 60 Гт С год -1 (35 – 100) суши ≈ 57 Гт С год -1 (48 – 65)

Биомасса t Продукция ∆ t Первичная продукция (Primary production) Валовая продукция (Gross production - GP) Чистая продукция (Net production - NP) Дыхание (Respiration – R) NP = GP – R Net primary production - NPP