Částicový anorganický uhlík - Particulate inorganic carbon

Satelitní snímky částic anorganického uhlíku (PIC) - NASA 2014

Částicový anorganický uhlík ( PIC ) lze porovnávat s rozpuštěným anorganickým uhlíkem (DIC), což je další forma anorganického uhlíku, která se nachází v oceánu. Tyto rozdíly jsou důležité v chemické oceánografii . Částicovému anorganickému uhlíku se někdy říká suspendovaný anorganický uhlík. Z provozního hlediska je definován jako anorganický uhlík ve formě částic, který je příliš velký na to, aby prošel filtrem používaným k oddělení rozpuštěného anorganického uhlíku.

Většina PIC je uhličitan vápenatý , CaCO ₃ , zejména ve formě kalcitu , ale také ve formě aragonitu . Uhličitan vápenatý tvoří skořápky mnoha mořských organismů . Vytváří se také při bělení a je vylučován mořskými rybami během osmoregulace .

Přehled

Sloučeniny uhlíku lze rozlišit buď na organické nebo anorganické a rozpuštěné nebo částicové v závislosti na jejich složení. Organický uhlík tvoří páteř klíčové složky organických sloučenin, jako jsou bílkoviny , lipidy , sacharidy a nukleové kyseliny . Anorganický uhlík se nachází především v jednoduchých sloučeninách, jako je oxid uhličitý, kyselina uhličitá, hydrogenuhličitan a uhličitan (CO ₂ , H ₂ CO ₃ , HCO ₃^- , CO ₃²⁻ ).

Mořský uhlík se dále odděluje na částicové a rozpuštěné fáze. Tyto pooly jsou provozně definovány fyzickou separací - rozpuštěný uhlík prochází filtrem 0,2 μm a částicový uhlík nikoli.

V oceánech se nacházejí dva hlavní typy anorganického uhlíku. Rozpuštěný anorganický uhlík (DIC) je tvořen hydrogenuhličitanem (HCO ₃^- ), uhličitanem (CO ₃²⁻ ) a oxidem uhličitým (včetně rozpuštěného CO ₂ a kyseliny uhličité H ₂ CO ₃ ). DIC lze převést na částicový anorganický uhlík (PIC) srážením CaCO ₃ (biologicky nebo abioticky). DIC lze také převést na částicový organický uhlík (POC) pomocí fotosyntézy a chemoautotropie (tj. Primární produkce). DIC roste s hloubkou, protože částice organického uhlíku klesají a jsou oddechovány. Volný kyslík klesá se zvyšováním DIC, protože kyslík je spotřebováván během aerobního dýchání.

Částicový anorganický uhlík (PIC) je další forma anorganického uhlíku, která se nachází v oceánu. Většina PIC je CaCO _3, který tvoří skořápky různých mořských organismů, ale může se také tvořit při bělení . Mořské ryby také během osmoregulace vylučují uhličitan vápenatý .

Některé z anorganických druhů uhlíku v oceánu, jako je bikarbonát a uhličitan , významně přispívají k zásaditosti , což je přirozený oceánský pufr, který brání drastickým změnám kyselosti (nebo pH ). Cyklus mořského uhlíku také ovlivňuje rychlost reakce a rozpouštění některých chemických sloučenin, reguluje množství oxidu uhličitého v atmosféře a teplotu Země.

Uhlík je rozdělen do čtyř různých skupin podle toho, zda je organický/anorganický a zda je rozpuštěný/částicový. Procesy spojené s každou šipkou popisují transformaci spojenou s přenosem uhlíku z jednoho zásobníku do druhého.

Přirozená distribuce velikosti částic v oceánu

Přirozená distribuce velikosti částic v oceánu se široce řídí mocenským zákonem mnoha řádů, od virů a bakterií až po ryby a velryby. Neživý materiál obsažený v distribuci velikosti částic může také zahrnovat mořský sníh, detritus, sediment a mikroplast. Distribuce velikosti částic mocninného zákona je součtem log-normálních distribucí pro každou subpopulaci, přičemž čtyři příklady jsou znázorněny na tomto obrázku. N je počet částic o průměru, D; K je počet částic 1 µm na objem; J je sklon rozdělení mocninného zákona.

Rozpočet částic na anorganický uhlík pro Hudson Bay

Černé šipky představují DIC vytvořený rozpuštěním PIC. Šedé čáry představují pozemský PIC. Jednotky jsou Tg C y ⁻¹

Uhličitan vápenatý

Částicový anorganický uhlík (PIC) má obvykle formu uhličitanu vápenatého (CaCO ₃ ) a hraje klíčovou roli v cyklu uhlíku v oceánu. Tento biologicky fixovaný uhlík se používá jako ochranný povlak pro mnoho druhů planktonů (coccolithophores, foraminifera) a také pro větší mořské organismy (ulity měkkýšů). Uhličitan vápenatý se také vylučuje vysokou rychlostí během osmoregulace rybami a může se tvořit při bělení . Ačkoli tato forma uhlíku není převzata přímo z atmosférického rozpočtu, je vytvořena z rozpuštěných forem uhličitanu, které jsou v rovnováze s CO _2, a poté jsou zodpovědné za odstranění tohoto uhlíku sekvestrací.

CO ₂ + H ₂ O → H ₂ CO ₃ → H ⁺ + HCO ₃^-

Ca ²⁺ + 2HCO ₃^- → CaCO ₃ + CO ₂ + H ₂ O

Zatímco tento proces zvládá fixovat velké množství uhlíku, dvě jednotky zásaditosti jsou sekvestrovány pro každou jednotku sekvestrovaného uhlíku. Tvorba a klesání CaCO ₃ proto vede k přechodu povrchu k hluboké zásaditosti, který slouží ke zvýšení pH povrchových vod, posunutí speciace rozpuštěného uhlí ke zvýšení parciálního tlaku rozpuštěného CO ₂ v povrchových vodách, což ve skutečnosti zvyšuje atmosférické hladiny. Navíc pohřbívání CaCO ₃ v sedimentech slouží ke snížení celkové oceánské alkality , má tendenci zvyšovat pH a tím i hladiny CO _{2 v} atmosféře, pokud není vyváženo novým vstupem alkality ze zvětrávání. Část uhlíku, která je trvale pohřbena na dně moře, se stává součástí geologického záznamu. Uhličitan vápenatý často vytváří pozoruhodná ložiska, která lze poté zvednout na pevninu tektonickým pohybem jako v případě Bílých útesů Doveru v jižní Anglii. Tyto útesy jsou vyrobeny téměř výhradně z desek pohřbených coccolithophores .

Uhličitanové čerpadlo

Povrch moře rozpuštěný anorganický uhlík

Uhličitan čerpadlo , někdy nazývaný uhličitan čítač čerpadlo, začíná mořských organismů na povrchu oceánu výrobu částic anorganického uhlíku (PIC) ve formě uhličitanu vápenatého ( kalcit nebo aragonit , CaCO ₃ ). Tento CaCO ₃ tvoří tvrdé části těla jako skořápky . Tvorba těchto skořápek zvyšuje atmosférický CO _{2 v} důsledku produkce CaCO ₃ v následující reakci se zjednodušenou stechiometrií:

Ca+
2 + 2 HCO-
3 ⇌ CaCO
3 + CO
2 + H
2Ó

( 4 )

Coccolithophores , téměř všudypřítomná skupina fytoplanktonu, která produkuje skořápky uhličitanu vápenatého, jsou dominantními přispěvateli do uhličitanové pumpy. Vzhledem k jejich hojnosti mají coccolithophores významné důsledky pro chemii uhličitanů, v povrchových vodách, které obývají, a v oceánu pod nimi: poskytují velký mechanismus pro transport CaCO ₃ směrem dolů . Tok CO ₂ vzduch -moře vyvolaný mořskou biologickou komunitou lze určit podle poměru deště - podílu uhlíku z uhličitanu vápenatého ve srovnání s organickým uhlíkem v částicích klesajících na dno oceánu (PIC/POC). Uhličitanové čerpadlo působí jako negativní zpětná vazba na CO ₂ přijímaný do oceánu pumpou rozpustnosti. Vyskytuje se s menší velikostí než čerpadlo rozpustnosti.

Uhličitanová pumpa je někdy označována jako součást „tvrdé tkáně“ biologické pumpy . Některé povrchové mořské organismy, jako coccolithophores , vytvářejí tvrdé struktury z uhličitanu vápenatého, což je forma částicového anorganického uhlíku, fixací hydrogenuhličitanu. Tato fixace DIC je důležitou součástí cyklu oceánského uhlíku.

Ca ²⁺ + 2 HCO ₃^- → CaCO ₃ + CO ₂ + H ₂ O

Zatímco biologická uhlíková pumpa fixuje anorganický uhlík (CO ₂ ) na částicový organický uhlík ve formě cukru (C ₆ H ₁₂ O ₆ ), karbonátová pumpa fixuje anorganický bikarbonát a způsobuje čisté uvolňování CO ₂ . Tímto způsobem by mohla být karbonátová pumpa označena jako karbonátová pumpa. Působí proti biologické pumpě tím, že působí proti toku CO ₂ z biologické pumpy.

Kalcitové a aragonitové moře

Střídání kalcitových a aragonitových moří v geologickém čase

Aragonit moře obsahuje aragonit a vysoce hořčíku kalcit jako primární anorganické sraženiny uhličitanu vápenatého. Aby se vytvořilo aragonitové moře, musí být chemické podmínky mořské vody zvláště vysoké v obsahu hořčíku vzhledem k vápníku (vysoký poměr Mg/Ca). To je v kontrastu s kalcitovým mořem, ve kterém mořská voda s nízkým obsahem hořčíku v poměru k vápníku (nízký poměr Mg/Ca) podporuje tvorbu kalcitu s nízkým obsahem hořčíku jako primární sraženiny anorganického mořského uhličitanu vápenatého.

Rané paleozoiky a střední až pozdní mezozoické oceány byly převážně kalcitová moře, zatímco střední paleozoikum přes starší mezozoikum a cenozoikum (včetně dnešního) se vyznačují aragonitovými moři.

Aragonitová moře se vyskytují v důsledku několika faktorů, z nichž nejzjevnější je vysoký poměr mořské vody Mg/Ca (Mg/Ca> 2), ke kterému dochází v intervalech pomalého šíření mořského dna . Nicméně, hladiny moře , teplota, a uhličitan vápenatý nasycení stav okolního systému také určit, který polymorfu uhličitanu vápenatého (aragonit, kalcit nízkou hořečnatý, vysoce hořčíku vápenec) budou tvořit.

Podobně je výskyt kalcitových moří řízen stejnou sadou faktorů ovládajících aragonitová moře, přičemž nejzjevnějším je nízký poměr mořské vody k Mg/Ca (Mg/Ca <2), ke kterému dochází v intervalech rychlého šíření mořského dna.

Whiting akce

Letecký pohled na mrak srážek tresky v Lake Ontario

Bezvousé událost je jev, který se vyskytuje, když se suspenduje mrak jemnozrnného uhličitanu vápenatého precipitátů ve vodních těles , obvykle v letních měsících, v důsledku fotosyntetické mikrobiologickou aktivitu nebo sedimentu rušení. Tento fenomén je pojmenován podle bílé, křídové barvy, kterou proniká do vody. Bylo prokázáno, že k těmto událostem dochází v mírných i tropických vodách a mohou se rozprostírat stovky metrů. Mohou se také vyskytovat v mořském i sladkovodním prostředí. O původu tresky bezvousé se diskutuje mezi vědeckou komunitou a není jasné, zda existuje jediná konkrétní příčina. Obecně se předpokládá, že jsou výsledkem buď resuspendování spodního sedimentu, nebo zvýšenou aktivitou určitého mikroskopického života, jako je fytoplankton . Vzhledem k tomu, že tresky ovlivňují vodní chemii, fyzikální vlastnosti a cyklování uhlíku , studium mechanismů za nimi má vědecký význam různými způsoby.

Velký kalcitový pás

Přehrávejte média

Roční cyklus Velkého kalcitového pásu v jižním oceánu

Velký kalcitový pás (GCB) jižního oceánu je oblast zvýšené letní koncentrace horního oceánu v kalcitu odvozená od coccolithophores , přestože je oblast známá svou převahou rozsivek . Překrývání dvou hlavních skupin fytoplanktonu, coccolithophores a rozsivek, v dynamických frontálních systémech charakteristických pro tuto oblast poskytuje ideální prostředí pro studium vlivů prostředí na distribuci různých druhů v rámci těchto taxonomických skupin.

Velký kalcitový pás, definovaný jako funkce zvýšeného částicového anorganického uhlíku (PIC) vyskytující se vedle sezónně zvýšeného chlorofylu a v australském jaru a v létě v jižním oceánu, hraje důležitou roli v kolísání klimatu, představuje více než 60% oblasti jižního oceánu (30–60 ° J). Oblast mezi 30 ° a 50 ° S má nejvyšší příjem antropogenního oxidu uhličitého (CO ₂ ) po boku severního Atlantiku a severního Pacifiku. Znalosti o vlivu interagujících environmentálních vlivů na distribuci fytoplanktonu v jižním oceánu jsou omezené. K řízení fytoplanktonové biogeografie je například zapotřebí více porozumět tomu, jak interaguje dostupnost světla a železa nebo teplota a pH . Pokud se tedy mají modelové parametrizace zlepšit, aby poskytovaly přesné předpovědi biogeochemických změn, je zapotřebí vícerozměrné porozumění celé sadě environmentálních faktorů.

Jižní oceán často byl považován za microplankton -dominated (20-200 um), systém s fytoplanktonu květy ovládají velké rozsivek a Phaeocystis sp. Protože však identifikace GCB jako konzistentního prvku a uznání důležitosti pikoplanktonu (<2 µm) a nanoplanktonu (2–20 µm) ve vodách s vysokým obsahem živin a nízkým obsahem chlorofylu (HNLC), dynamika malých (bio) ) mineralizující plankton a jejich export je třeba uznat. Dvě dominantní biomineralizující skupiny fytoplanktonu v GCB jsou coccolithophores a rozsivky. Coccolithophores se obecně nacházejí severně od polární fronty, ačkoli Emiliania huxleyi byla pozorována až na jih jako 58 ° jižní šířky ve Skotském moři , 61 ° jižní šířky přes Drake Passage a 65 ° jižní šířky od Austrálie.

Rozsivky jsou přítomny v celém GCB, přičemž polární čelo značí silné rozdělení mezi frakcemi různých velikostí. Severně od polární fronty malé druhy rozsivek, jako je Pseudo-nitzschia spp. a Thalassiosira spp. mají tendenci dominovat početně, zatímco velké rozsivky s vyššími požadavky na kyselinu křemičitou (např. Fragilariopsis kerguelensis ) jsou obecně hojnější jižně od polární fronty. Vysoký výskyt nanoplanktonu (coccolithophores, malé rozsivky, chrysofyty ) byl také pozorován na patagonské polici a ve Skotském moři . V současné době několik studií zahrnuje malý biomineralizující fytoplankton na úroveň druhů. Důraz byl často kladen na větší a nekalcifikující druhy v Jižním oceánu kvůli problémům s uchováváním vzorků (tj. Okyselený Lugolov roztok rozpouští kalcit a světelná mikroskopie omezuje přesnou identifikaci buněk> 10 µm. V kontextu změny klimatu a budoucí funkce ekosystému, distribuci biomineralizujícího fytoplanktonu je důležité definovat při zvažování interakcí fytoplanktonu s karbonátovou chemií a oceánskou biogeochemií .

Velký kalcitový pás se rozprostírá na hlavních obvodových frontách Jižního oceánu: subantarktická fronta, polární fronta, jižní antarktická cirkumpolární současná fronta a příležitostně jižní hranice antarktického cirkumpolárního proudu . Subtropické přední (při teplotě asi 10 ° C) působí jako severní hranice GCB a je spojena s prudkým nárůstem jih PIC. Tyto fronty rozdělují odlišné environmentální a biogeochemické zóny, což činí GCB ideální studijní oblast pro zkoumání kontrol společenstev fytoplanktonu na otevřeném oceánu. Vysoká koncentrace PIC pozorovaná v GCB (1 µmol PIC L ⁻¹ ) ve srovnání s globálním průměrem (0,2 µmol PIC L ⁻¹ ) a významná množství oddělených kokokolitů E. huxleyi (v koncentracích> 20 000 kokokolitů ml ⁻¹ ) charakterizují GCB. GCB je jasně pozorována na satelitních snímcích od Patagonského šelfu přes Atlantický, Indický a Tichý oceán a dokončuje oblet Antarktidy pomocí Drakeova průchodu.

Potenciální sezónní progrese vyskytující se ve Velkém kalcitovém pásu, což umožňuje coccolithophores vyvinout se po rozkvětu hlavního rozsivek. Obrázky fytoplanktonu nejsou v měřítku.

Čtyři druhy fytoplanktonu identifikované jako charakterizující výrazně odlišné struktury komunity podél pásu velkého kalcitu: (a) Emiliania huxleyi , (b) Fragilariopsis pseudonana , (c) Fragilariopsis nana a (d) Pseudo-nitzschia spp.

Coccolithophores

Emiliania huxleyi

Od průmyslové revoluce bylo 30% antropogenního CO ₂ absorbováno oceány, což vedlo k okyselení oceánů , což je hrozba pro kalcifikující řasy . Výsledkem je hluboký zájem o tyto kalcifikující řasy, podpořený jejich hlavní rolí v globálním uhlíkovém cyklu. V celosvětovém měřítku jsou coccolithophores , zejména Emiliania huxleyi , považovány za nejdominantnější kalcifikující řasy, jejichž květy lze dokonce vidět z vesmíru. Kalcifikující řasy vytvářejí exoskelet z destiček uhličitanu vápenatého ( coccoliths ), které poskytují balast, který zvyšuje organický a anorganický tok uhlíku do hlubokého moře. Organický uhlík je tvořen fotosyntézou, kde je CO ₂ fixován a přeměňován na organické molekuly, což způsobuje odstraňování CO ₂ z mořské vody. Protiintuitivně vede produkce kokokolitů k uvolňování CO ₂ v mořské vodě v důsledku odstraňování uhličitanu z mořské vody, což snižuje zásaditost a způsobuje okyselení . Poměr mezi částicovým anorganickým uhlíkem (PIC) a částicovým organickým uhlíkem (POC) je proto důležitým měřítkem pro čisté uvolňování nebo příjem CO ₂ . Stručně řečeno, poměr PIC: POC je klíčovou charakteristikou potřebnou k pochopení a předpovědi dopadu změny klimatu na globální oceánský cyklus uhlíku .

Morfologie částic vápníku

Skenovací obrázky elektronového mikroskopu mořských částic vápníku
s různými morfologiemi

A) a B) Částice připomínající bakterie a mikrokolonie bakterií.
B) a D) Částice podobné uhličitanům vápenatým popsaným při srážení na povrchu buněk kultivovaných mořských bakterií .
E) a F) Částice s jedním plochým povrchem, což naznačuje, že jsou vytvořeny na povrchu nebo rozhraní.
G a H) Částice s kosočtvercovým tvarem.
I) a J) Obušek jako částice připomínající bahamské ooidy .

Všechny stupnice jsou 2 µm kromě d) kde je 1 µm af) kde je 10 µm. Vzorky byly odebrány v hloubce 5 m v Raunefjorden , pobřežní vzorkovací stanici jižně od Bergenu v Norsku.

Současný roční průměrný povrchový omega kalcit: normalizovaný stav nasycení kalcitu. Oblasti s hodnotou menší než 1 označují pravděpodobnost rozpuštění (podsycené), zatímco hodnota nad 1 označuje oblasti méně pravděpodobné pro rozpuštění (přesycení).

Stratifikované oceánské vody ukazující hloubku kompenzace uhličitanu a jak se mění gradienty světla, hustoty, teploty a slanosti s hloubkou vody

Viz také

hloubka kompenzace uhličitanu
hloubka kompenzace aragonitu
lysocline
vápnitý sliz
Uhličitanové čerpadlo
Mořská biogenní kalcifikace
sněhová čára: hloubka, ve které uhličitan zmizí ze sedimentů za podmínek ustáleného stavu

Reference

Prameny

Adabi, Mohammad H. (2004), „Přehodnocení aragonitových versus kalcitových moří“, Carbonates and Evaporites , 19 (2): 133–141, doi : 10.1007/BF03178476 , S2CID 128955184
Hardie, Lawrence A (1996), „Sekulární variace v chemii mořské vody: Vysvětlení spojených sekulárních variací v mineralogiích mořských vápenců a potašových vaporitů za posledních 600 my“, Geology , Geological Society of America, 24 (3): 279–283, Bibcode : 1996Geo .... 24..279H , doi : 10.1130/0091-7613 (1996) 024 <0279: svisca> 2.3.co; 2
Hardie, Lawrence A. (2003), „Sekulární variace v prekambrické chemii mořské vody a načasování prekambrických aragonitových moří a kalcitových moří“, Geology , 31 (9): 785–788, Bibcode : 2003Geo .... 31..785H , doi : 10,1130/g19657.1
Lowenstein, TK; Timofeeff, MN; Brennan, ST; Hardie, LA; Demicco, RV (2001), „Oscilace ve fanerozoické chemii mořské vody: důkazy z tekutých inkluzí“, Science , 294 (5544): 1086–1088, Bibcode : 2001Sci ... 294.1086L , doi : 10.1126/science.1064280 , PMID 11691988 , S2CID 2680231
Morse, JW; Mackenzie, FT (1990). „Geochemie sedimentárních uhličitanů“. Vývoj v sedimentologii . 48 : 1–707. doi : 10,1016/S0070-4571 (08) 70330-3 .
Palmer, TJ; Wilson, MA (2004). „Vysrážení kalcitu a rozpouštění biogenního aragonitu v mělkých ordovických kalcitových mořích“. Lethaia . 37 (4): 417–427 [1] . doi : 10,1080/00241160410002135 .
Wilkinson, BH; Vzhledem k tomu, KR (1986). „Sekulární variace v abiotických mořských karbonátech: omezení phanerozoických atmosférických obsahů oxidu uhličitého a oceánských poměrů Mg/Ca“. Geologický časopis . 94 (3): 321–333. Bibcode : 1986JG ..... 94..321W . doi : 10,1086/629032 . S2CID 128840375 .
Wilkinson, BH; Owen, RM; Carroll, AR (1985). „Ponorkové hydrotermální zvětrávání, globální udržitelnost a polymorfismus uhličitanů ve fanerozoických mořských oolitech“. Journal of Sedimentary Petrology . 55 : 171–183. doi : 10.1306/212f8657-2b24-11d7-8648000102c1865d .

Languages

In other projects