Лекция 3. Lect_03_Carbon_IIЦикл углерода (продолжение). Анализ содержания СО2 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 CO2, CH4 и температуры (по дейтерию). Палеотемпература по данным изотопного состава кислорода в карбонатах донных отложений. Потепление в начале Пермского периода и оценка динамики СО2 в это время. Органические углерод в океане: разные формы.

Углеродв

атмосфере

А что происходило с

СО2 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. 429 - 436 (03 June 1999)

Nature 399, 429 - 436 (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. 290. P 291

ЦИКЛЫ МИЛАНКОВИЧАЗемля 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 CaCO3 (раковины фораминифер,

моллюсков, брахиопод)

1. В CaCO3 включаются два изотопа кислорода 16O и «тяжелый» 18O (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 18O, возвращаются в океан быстрее, чем содержащие легкий 16O

Определение палеотемператур на основе изотопного анализа карбоната кальция CaCO3 (раковины фораминифер

моллюсков, брахиопод)

3. Молекулы с 16О в значительном количестве уносятся на континенты (снег, выпадающий на ледники, всегда

обеднен 18O).

4. Чем больше растет масса ледников, тем сильнее оставшиеся в океане воды обогащаются более тяжелым изотопом 18O

Определение палеотемператур на основе изотопного анализа карбоната кальция CaCO3 (раковины фораминифер)

5. Прослеживая за относительным содержанием изотопов 16O и 18O 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 18O можно и непосредственно в пузырьках воздуха из разных слоёв ледового керна. Соответственно, мы узнаем содержание 18О в атмосфере.

Содержание 18O в атмосфере меняется в зависимости от интенсивности фотосинтеза (прежде всего наземной растительности) и суммарного дыхания всех организмов.

При дыхании потребляется более легкий изотоп 16О (в воздухе накапливается 18О), но растения выделяют О2 с таким соотношением изотопов, которое характерно для почвенной влаги (фракционирования не происходит)

Nature 429, 623 - 628 (10 June 2004)

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

Толщина льда 3 309 мГлубина бурения 3190 мПроанализирован керн длиной 3129 мВремя образования льда – 740 000 лет

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

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 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

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 δ18O в донных отложениях в Южном океане (в последнем случае – инвертированная шкала).

Нижний график - изменения содержания СО2 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

Изменения, происходившие при потеплении (окончание ледникового периода) 430 - 420 тыс. лет тому назад. Показан ход концентрации СО2 и СН4

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

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 СО2 — 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. CO2-Forced Climate and Vegetation Instability During Late

Paleozoic Deglaciation // Science. 2007. V. 315. 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 СО2 300 миллионов лет

тому назад?

Метод, основан на оценке содержании стабильного изотопа углерода 13C в кальцитах, образовавшихся в

древних почвах на поверхности континентов

Isabel P. Montañez et al. CO2-Forced Climate and Vegetation Instability During Late Paleozoic Deglaciation // Science. 2007. V. 315. P 87-91

1. При фотосинтезе растения (особенно С-3) предпочитают молекулы СО2 с более легким изотопом 12С

2. В образующемся абиогенным образом (без участия организмов) кальците изотопы углерода 12С и 13С встречаются в той же пропорции, что и в воздухе

3. Воздух между частицами почвы обеднен 13С, поскольку там содержится много растительных остатков

4. Но при высокой концентрации в воздухе СО2 он большем количестве и в неизмененном растениями состоянии проникает в почву, где соответственно повышается доля 13С

«Метод палеобарометра», придуманный американским геофизиком Т. Серлингом (Thure E. Cerling)

Изменения в биосфере

305 -265 миллионов лет

тому назад

(начало Пермского периода)

Isabel P. Montañez et al. CO2-Forced Climate and

Vegetation Instability During Late Paleozoic

Deglaciation // Science. 2007. V. 315. P 87-91

СО2

Температура

Углеродв

океане

Углерод в океане

Ежегодно связывается ≈ 92 Гт С возвращается в атмосферу ≈ 90 Гт С

СО2, взаимодействуя с молекулами воды, образует угольную кислоту, которая

диссоциирует на СО3- и СО3

2-

В зависимости от рН соотношение сдвигается

СО32- + СО2 + Н2О ↔ 2 НСО3

-

Углерод в океане

Буферная емкость океана ограничена:

1. Нехваткой катионов Ca2+ и Mg2+ (необходимы для образования известковых скелетов организмов)

2. Крайне слабым перемешиванием водной толщи (перемешиваемый слой – 100-200 м,средняя глубина океана - 3900 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 (600 - 1000) (??? но суммарная масса бактерий в верхних 300 метров донных океанических отложений - 90 Гт С)

Чистая первичная продукцияокеана ≈ 60 Гт С год-1 (35 – 100) суши ≈ 57 Гт С год-1 (48 – 65)

Биомасса tПродукция ∆ 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