Derin karbon döngüsü - Deep carbon cycle

Derin toprak karbonu

derin karbon döngüsü hareketidir karbon Dünyanın içinden örtü ve çekirdek. karbon döngüsü ve Dünya'nın yüzeyindeki ve atmosferindeki karbon hareketiyle yakından bağlantılıdır. Karbonu Dünya'nın derinliklerine geri döndürerek, yaşamın var olması için gerekli olan karasal koşulların korunmasında kritik bir rol oynar. O olmadan, karbon atmosferde birikerek uzun süreler boyunca son derece yüksek konsantrasyonlara ulaşırdı.[1]

Derin Dünya'ya sondaj için erişilemediğinden, buradaki karbonun rolü hakkında kesin olarak pek bir şey bilinmemektedir. Bununla birlikte, birçoğu derin Dünya koşullarının laboratuar simülasyonlarından elde edilen birkaç kanıt parçası, elementin alt manto içerisine hareketinin mekanizmalarının yanı sıra, karbonun bu katmanın aşırı sıcaklık ve basınçlarında aldığı biçimleri de gösterdi. Ayrıca, aşağıdaki gibi teknikler sismoloji Dünya'nın çekirdeğindeki potansiyel karbon varlığının daha iyi anlaşılmasına yol açtı. Bazaltik bileşiminin çalışmaları magma ve yanardağlardan çıkan karbondioksit akışı, içindeki karbon miktarının örtü Dünya yüzeyindekinden bin kat daha büyüktür.[2]

Karbon miktarı

Bir dizinin parçası
Karbon döngüsü
Organik madde formları.webp
Bölgelere göre

Atmosferde ve okyanuslarda yaklaşık 44.000 gigaton karbon var. Bir gigaton bir milyardır metrik ton, 400.000'den fazla olimpik yüzme havuzundaki su kütlesine eşdeğer.[3] Bu miktar ne kadar büyük olursa olsun, Dünya'nın karbonunun yalnızca yüzde birinin küçük bir kısmına denk geliyor. Çekirdeğin% 90'ından fazlası, geri kalanın çoğu kabuk ve manto.[4]

İçinde fotoğraf küresi Güneşin karbonu dördüncü en bol element. Dünya büyük olasılıkla benzer bir oranla başladı, ancak çoğunu buharlaşmaya kaybetti. eklenmiş. Buharlaşmayı hesaba katsa bile, silikatlar Dünya'nın kabuğunu ve mantosunu oluşturan karbon konsantrasyonuna göre beş ila on kat daha azdır. CI kondritleri, meteorun bileşimini temsil ettiğine inanılan bir tür gezegenler oluşmadan önce güneş bulutsusu. Bu karbonun bir kısmı çekirdekte kalmış olabilir. Modele bağlı olarak, karbonun çekirdekte ağırlıkça yüzde 0,2 ile 1 arasında katkıda bulunacağı tahmin ediliyor. Daha düşük konsantrasyonda bile, bu, Dünya'nın karbonunun yarısını oluşturur.[5]

Karbon içeriğinin tahminleri üst manto kimyasının ölçümlerinden gelir okyanus ortası sırtı bazaltlar (MORB'ler). Bunlar, karbon ve diğer elementlerin gazdan arındırılması için düzeltilmelidir. Dünya oluştuğundan beri, üst manto buharlaşarak ve demir bileşiklerinde çekirdeğe taşınarak karbonunun% 40-90'ını kaybetmiştir. En kesin tahmin 30 karbon içeriği verir milyonda parça (ppm). Alt mantonun çok daha az tükenmesi bekleniyor - yaklaşık 350 ppm.[6]

Alt manto

Karbon esas olarak mantoya şu şekilde girer: karbonat zengin çökeltiler tektonik plakalar okyanus kabuğunun, karbonu geçtikten sonra manto içine çeken yitim. Mantodaki karbon sirkülasyonu hakkında pek bir şey bilinmemektedir, özellikle Dünya'nın derinliklerinde, ancak birçok çalışma, elementin söz konusu bölgedeki hareketi ve formları hakkındaki anlayışımızı artırmaya çalışmıştır. Örneğin, 2011 yılında yapılan bir araştırma, karbon döngüsünün alt mantoya kadar uzandığını gösterdi. Çalışma nadir, süper derin elmaslar bir sitede Juina, Brezilya, bazı elmas kapanımlarının toplu bileşiminin bazalt eritme işleminin beklenen sonucuyla eşleştiğini belirleyerek ve kristalleşme daha düşük manto sıcaklıkları ve basınçları altında.[7] Bu nedenle, araştırmanın bulguları, bazaltik okyanusal litosfer parçalarının, karbonun Dünya'nın derin içlerine taşınması için temel taşıma mekanizması olarak hareket ettiğini gösteriyor. Bu daldırılmış karbonatlar, alt manto ile etkileşime girebilir silikatlar ve metaller, sonunda bulunan gibi süper derin elmaslar oluşturur.[8]

Manto, kabuk ve yüzeydeki karbon rezervuarları.[6]
Rezervuargigatonne C
Yüzeyin üstünde
Kıta kabuğu ve litosfer
Okyanus kabuğu ve litosfer
Üst manto
Alt manto

Alt mantoya inen karbonatlar, elmasın yanı sıra başka bileşikler oluşturur. 2011 yılında karbonatlar, alt mantonun içinde, Dünya'nın 1800 km derinliğindekine benzer bir ortama maruz bırakıldı. Bunu yapmak, oluşumlarla sonuçlandı manyezit, siderit ve çok çeşitli grafit.[9] Diğer deneylerin yanı sıra petrolojik gözlemler - manyezitin mantonun çoğunda aslında en kararlı karbonat fazı olduğunu tespit ederek bu iddiayı destekleyin. Bu, büyük ölçüde yüksek erime sıcaklığının bir sonucudur.[10] Sonuç olarak, bilim adamları karbonatların maruz kaldığı sonucuna varmışlardır. indirgeme Düşük oksijen ile derinlikte stabilize edilmeden önce mantoya inerken kaçıklık ortamlar. Magnezyum, demir ve diğer metalik bileşikler, işlem boyunca tampon görevi görür.[11] Grafit gibi indirgenmiş, elemental karbon formlarının varlığı, karbon bileşiklerinin manto içine alçaldıkça azaldığını gösterecektir.

Karbon gaz çıkışı süreçleri[12]

Her şeye rağmen, çok biçimlilik Dünya'nın farklı derinliklerinde karbonat bileşiklerinin kararlılığını değiştirir. Örnek vermek gerekirse, laboratuvar simülasyonları ve Yoğunluk fonksiyonel teorisi hesaplamalar şunu gösteriyor dört yüzlü koordineli karbonatlar en çok, çekirdek-manto sınırı.[13][9] 2015 yılında yapılan bir araştırma, alt mantonun yüksek basınçlarının karbon bağlarının sp.2 sp için3 melezleştirilmiş orbitaller, karbon dört yüzlü olarak oksijene bağlanmasına neden olur.[14] CO3 trigonal gruplar polimerize edilebilir ağlar oluşturamazken, tetrahedral CO4 karbon miktarında bir artış anlamına gelen koordinasyon numarası ve bu nedenle alt mantodaki karbonat bileşiklerinin özelliklerinde büyük değişiklikler. Örnek olarak, ön teorik çalışmalar, yüksek basınçların karbonat eriyik viskozitesinin artmasına neden olduğunu göstermektedir; Tanımlanan özellik değişikliklerinin bir sonucu olarak eriyiklerin düşük hareketliliği, mantonun derinliklerinde büyük karbon birikintilerinin kanıtıdır.[15]

Buna göre, karbon uzun süre alt mantoda kalabilir, ancak büyük karbon konsantrasyonları sıklıkla litosfere geri dönüş yolunu bulur. Karbon çıkışı olarak adlandırılan bu süreç, karbonatlı mantonun dekompresyon erimesine uğramasının sonucudur. manto tüyleri karbon bileşiklerini kabuğa doğru taşır.[16] Karbon, volkanik sıcak noktalara yükseldiğinde oksitlenir ve daha sonra CO olarak salınır.2. Bu, karbon atomunun bu tür alanlarda patlayan bazaltların oksidasyon durumuna uyması için gerçekleşir.[17]

Çekirdek

Dünyanın çekirdeğindeki karbon varlığı oldukça kısıtlanmış olsa da, son araştırmalar bu bölgede büyük karbon envanterlerinin depolanabileceğini öne sürüyor. Kayma (S) dalgaları demir açısından zengin alaşımların çoğu için beklenen hızın yaklaşık yüzde ellisinde iç çekirdekte hareket etme.[18] Çekirdeğin bileşiminin, az miktarda nikel içeren bir kristalin demir alaşımı olduğu düşünüldüğünde, bu sismografik anormallik, bölgede başka bir maddenin varlığına işaret ediyor. Bir teori, böyle bir fenomenin çekirdekteki karbon dahil çeşitli hafif elementlerin sonucu olduğunu varsayar.[18] Aslında, çalışmalar kullandı elmas örs hücreleri Dünya'nın çekirdeğindeki koşulları kopyalamak için, sonuçları şunu gösteriyor: demir karbür (Fe7C3) iç çekirdeğin ses ve yoğunluk hızlarını sıcaklık ve basınç profiline göre eşleştirir. Bu nedenle, demir karbür modeli, çekirdeğin Dünya'nın karbonunun% 67'sini tuttuğunun kanıtı olabilir.[19] Ayrıca, başka bir çalışma, karbonun demir içinde çözündüğünü ve aynı Fe ile kararlı bir faz oluşturduğunu buldu.7C3 kompozisyon - daha önce bahsedilenden farklı bir yapıya sahip olsa da.[20] Bu nedenle, Dünya'nın çekirdeğinde potansiyel olarak depolanan karbon miktarı bilinmemekle birlikte, son araştırmalar demir karbürlerin varlığının jeofizik gözlemlerle tutarlı olabileceğini gösteriyor.

Karbon bileşikleri taşıyan okyanus plakalarının manto boyunca hareketi
Dünyadaki karbon içeriğinin iki modeli

Fotoğraf Galerisi

  • Kayma dalgası hızlarının analizi, çekirdekte karbonun varlığı hakkında bilginin geliştirilmesinde ayrılmaz bir rol oynamıştır.

  • Oksijene tetrahedral olarak bağlı karbon şeması

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ "Derin Karbon Döngüsü ve Yaşanabilir Gezegenimiz". Derin Karbon Gözlemevi. 3 Aralık 2015. Alındı 2019-02-19.
  2. ^ Wilson, Mark (2003). "Karbon Atomları Dünya'nın Mantosunun İçinde Nerede Bulunur?". Bugün Fizik. 56 (10): 21–22. Bibcode:2003PhT .... 56j..21W. doi:10.1063/1.1628990.
  3. ^ Collins, Terry; Pratt, Katie (1 Ekim 2019). "Bilim Adamları Küresel Volkanik CO2 Havalandırmasını Ölçüyor; Dünyadaki Toplam Karbonu Tahmin Ediyor". Derin Karbon Gözlemevi. Alındı 17 Aralık 2019.
  4. ^ Suarez, Celina A .; Edmonds, Marie; Jones, Adrian P. (1 Ekim 2019). "Dünya Felaketleri ve Karbon Döngüsü Üzerindeki Etkileri". Elementler. 15 (5): 301–306. doi:10.2138 / gselements.15.5.301.
  5. ^ Li, Jie; Mokkherjee, Mainak; Morard Guillaume (2019). "Dünyanın Çekirdeğindeki Diğer Hafif Elementlere Karşı Karbon". Orcutt, Beth N .; Daniel, Isabelle; Dasgupta, Rajdeep (editörler). Derin karbon: geçmişten bugüne. Cambridge University Press. sayfa 40–65. doi:10.1017/9781108677950.011. ISBN  9781108677950.
  6. ^ a b Lee, C-T. A .; Jiang, H .; Dasgupta, R .; Torres, M. (2019). "Tüm Dünya Karbon Çevrimini Anlamak İçin Bir Çerçeve". Orcutt, Beth N .; Daniel, Isabelle; Dasgupta, Rajdeep (editörler). Derin karbon: geçmişten bugüne. Cambridge University Press. sayfa 313–357. doi:10.1017/9781108677950.011. ISBN  9781108677950.
  7. ^ American Association for the Advancement of Science (15 Eylül 2011). "Karbon döngüsü Dünya'nın alt katmanına ulaştı: Brezilya'dan 'süper derin' elmaslarda bulunan karbon döngüsünün kanıtı" (Basın bülteni). Günlük Bilim. Alındı 2019-02-06.
  8. ^ Stagno, V .; Frost, D. J .; McCammon, C A .; Mohseni, H .; Fei, Y. (5 Şubat 2015). "Karbonat içeren grafit veya elmasın oluştuğu oksijen kaçağı eklojitik kayalarda erir". Mineraloji ve Petrolojiye Katkılar. 169 (2): 16. Bibcode:2015CoMP..169 ... 16S. doi:10.1007 / s00410-015-1111-1. S2CID  129243867.
  9. ^ a b Fiquet, Guillaume; Guyot, François; Perrillat, Jean-Philippe; Auzende, Anne-Line; Antonangeli, Daniele; Corgne, Alexandre; Gloter, Alexandre; Boulard, Eglantine (2011-03-29). "Dünyanın derinliklerindeki karbon için yeni ev sahibi". Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı. 108 (13): 5184–5187. Bibcode:2011PNAS..108.5184B. doi:10.1073 / pnas.1016934108. PMC  3069163. PMID  21402927.
  10. ^ Dorfman, Susannah M .; Badro, James; Nabiei, Farhang; Prakapenka, Vitali B .; Cantoni, Marco; Gillet, Philippe (2018-05-01). "İndirgenmiş alt mantoda karbonat kararlılığı". Dünya ve Gezegen Bilimi Mektupları. 489: 84–91. Bibcode:2018E ve PSL.489 ... 84D. doi:10.1016 / j.epsl.2018.02.035. OSTI  1426861.
  11. ^ Kelley, Katherine A .; Cottrell Elizabeth (2013-06-14). "Manto Kaynağının Bir Fonksiyonu Olarak Okyanus Ortası Sırtı Bazaltlarında Redoks Heterojenliği". Bilim. 340 (6138): 1314–1317. Bibcode:2013Sci ... 340.1314C. doi:10.1126 / science.1233299. PMID  23641060. S2CID  39125834.
  12. ^ Dasgupta, Rajdeep (10 Aralık 2011). Magma Okyanusu Süreçlerinin Günümüz Derin Dünya Karbon Envanteri Üzerindeki Etkisi. AGÜ Sonrası 2011 CIDER Çalıştayı. Arşivlenen orijinal 24 Nisan 2016'da. Alındı 20 Mart 2019.
  13. ^ Litasov, Konstantin D .; Shatskiy Anton (2018). "Dünyanın Derin İç Kısmında Karbon Taşıyan Magmalar". Basınç Altındaki Magmalar. sayfa 43–82. doi:10.1016 / B978-0-12-811301-1.00002-2. ISBN  978-0-12-811301-1.
  14. ^ Mao, Wendy L .; Liu, Zhenxian; Galli, Giulia; Pan, Ding; Boulard, Eglantine (2015-02-18). "Dünyanın alt mantosunda dört yüzlü olarak koordine edilmiş karbonatlar". Doğa İletişimi. 6: 6311. arXiv:1503.03538. Bibcode:2015NatCo ... 6.6311B. doi:10.1038 / ncomms7311. PMID  25692448. S2CID  205335268.
  15. ^ Carmody, Laura; Genge, Matthew; Jones, Adrian P. (2013/01/01). "Karbonat Eriyikleri ve Karbonatitler". Mineraloji ve Jeokimya İncelemeleri. 75 (1): 289–322. Bibcode:2013RvMG ... 75..289J. doi:10.2138 / devir.2013.75.10.
  16. ^ Dasgupta, Rajdeep; Hirschmann, Marc M. (2010-09-15). "Dünyanın iç kısmındaki derin karbon döngüsü ve erime". Dünya ve Gezegen Bilimi Mektupları. 298 (1): 1–13. Bibcode:2010E ve PSL.298 .... 1D. doi:10.1016 / j.epsl.2010.06.039.
  17. ^ Frost, Daniel J .; McCammon, Catherine A. (Mayıs 2008). "Dünya Mantosunun Redox Durumu". Yeryüzü ve Gezegen Bilimleri Yıllık İncelemesi. 36 (1): 389–420. Bibcode:2008AREPS..36..389F. doi:10.1146 / annurev.earth.36.031207.124322.
  18. ^ a b "Dünyanın Çekirdeği Derin Bir Karbon Rezervuarı Barındırıyor mu?". Derin Karbon Gözlemevi. 14 Nisan 2015. Alındı 2019-03-09.
  19. ^ Li, Jie; Chow, Paul; Xiao, Yuming; Alp, E. Ercan; Bi, Wenli; Zhao, Jiyong; Hu, Michael Y .; Liu, Jiachao; Zhang, Dongzhou (2014-12-16). "Yoğun Fe7C3'te kesme yumuşamasıyla ortaya çıkan, Dünya'nın iç çekirdeğindeki gizli karbon". Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı. 111 (50): 17755–17758. Bibcode:2014PNAS..11117755C. doi:10.1073 / pnas.1411154111. PMC  4273394. PMID  25453077.
  20. ^ Hanfland, M .; Chumakov, A .; Rüffer, R .; Prakapenka, V .; Dubrovinskaia, N .; Cerantola, V .; Sinmyo, R .; Miyajima, N .; Nakajima, Y. (Mart 2015). "Yüksek Poisson oranı, karbon alaşımlama ile açıklanıyor Dünya'nın iç çekirdeği". Doğa Jeolojisi. 8 (3): 220–223. Bibcode:2015NatGe ... 8..220P. doi:10.1038 / ngeo2370.

daha fazla okuma