1. 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.

2. Углерод в атмосфере

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

6. 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. 429 - 436 (03 June 1999)

8. Nature 399, 429 - 436 (03 June 1999); Сlimate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica

9. P. Falkowski The Global Carbon Cycle: A Test of Our Knowledge of Earth as a System // Science 2010 V. 290. P 291

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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.

15. 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)

17. Nature 429, 623 - 628 (10 June 2004)

18. Станция Европейского сообщества Concordia на куполе «С» (EPICA - European Project for Ice Coring in Antarctica) Толщина льда 3 309 м Глубина бурения 3190 м Проанализирован керн длиной 3129 м Время образования льда – 740 000 лет

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

21. Nature 429, 623 - 628 (10 June 2004) Eight glacial cycles from an Antarctic ice core EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica) community members

22. 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., 2008. Nature. V. 453. P. 383-386

23. Nature 429, 623 - 628 (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).

24. 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., 2008. Nature. V. 453. P. 383-386

26. Изменения, происходившие при потеплении (окончание ледникового периода) 430 - 420 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».

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

30. 305 -265 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. 2007. V. 315. P 87-91

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

32. 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

33. Как определить содержание в воздухе СО 2 300 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. 2007. V. 315. P 87-91

34. 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)

35. Изменения в биосфере 305 -265 миллионов лет тому назад (начало Пермского периода) Isabel P. Montañez et al. CO 2 -Forced Climate and Vegetation Instability During Late Paleozoic Deglaciation // Science. 2007. V. 315. P 87-91

37. СО 2 Температура

38. Углерод в океане

39. 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 3 2- + СО 2 + Н 2 О ↔ 2 НСО 3 -

40. 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 – 100-200 м, средняя глубина океана - 3900 м)

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

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

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

44. Биомасса организмов в океане ≈ 1-2 Гт С на суше ≈ 800 Гт С (600 - 1000) (??? 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)

45. 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