دورة الكربونات والسيليكات

دورة الكربونات والسيليكات الجيوكيميائية ، والمعروفة أيضًا بدورة الكربون غير العضوية ، تصف التحول الطويل الأمد لصخور السيليكات إلى صخور كربوناتية عن طريق التجوية والترسيب ، وتحويل صخور الكربونات مرة أخرى إلى صخور سيليكات عن طريق التحول والبراكين . ^{[1] [2] [3] تتم إزالة} ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي أثناء دفن المعادن المتآكلة وإعادته إلى الغلاف الجوي من خلال البراكين . على نطاق زمني يبلغ مليون عام، تعد دورة الكربونات والسيليكات عاملاً رئيسيًا في التحكم في مناخ الأرض لأنها تنظم مستويات ثاني أكسيد الكربون وبالتالي درجة الحرارة العالمية. ^[3]

معدل التجوية حساس للعوامل التي تغير مقدار الأرض المعرضة. تشمل هذه العوامل مستوى سطح البحر والتضاريس والصخور والتغيرات النباتية . ^[4] علاوة على ذلك، عملت هذه التغيرات الجيومورفولوجية والكيميائية جنبًا إلى جنب مع القوى الشمسية، سواء بسبب التغيرات المدارية أو تطور النجوم، لتحديد درجة حرارة السطح العالمية . بالإضافة إلى ذلك، تم اعتبار دورة الكربونات والسيليكات حلاً محتملاً لمفارقة الشمس الشابة الخافتة . ^{[2] [3]}

دورة الكربونات والسيليكات هي التحكم الأساسي في مستويات ثاني أكسيد الكربون على مدى فترات زمنية طويلة. ^[3] ويمكن اعتبارها فرعًا من دورة الكربون ، والتي تشمل أيضًا دورة الكربون العضوي ، حيث تقوم العمليات البيولوجية بتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى مادة عضوية وأكسجين عن طريق التمثيل الضوئي . ^[5]

جزء من سلسلة عن
دورة الكربون
حسب المناطق أرضي بحري جوي الكربون العميق تربة التربة الصقيعية الغابات الشمالية الكيمياء الجيولوجية
ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي تحمض المحيطات إزالة قياسات الأقمار الصناعية
أشكال الكربون إجمالي الكربون (TC) إجمالي الكربون العضوي (TOC) إجمالي الكربون غير العضوي (TIC) الكربون العضوي المذاب (DOC) الكربون غير العضوي المذاب (DIC) الكربون العضوي الجزيئي (POC) Particulate inorganic carbon (PIC) Primary production marine Black carbon Blue carbon Kerogen
Metabolic pathways Photosynthesis Chemosynthesis Calvin cycle Reverse Krebs cycle Carbon fixation C3 C4
Carbon respiration Ecosystem respiration Net ecosystem production Photorespiration Soil respiration
Carbon pumps Biological pump Martin curve Solubility pump Lipid pump Marine snow Microbial loop Viral shunt Jelly pump Whale pump Continental shelf pump
Carbon sequestration Carbon sink Soil carbon storage Marine sediment pelagic sediment
Methane Atmospheric methane Methanogenesis Methane emissions Arctic Wetland Aerobic production Clathrate gun hypothesis Carbon dioxide clathrate
Biogeochemical Marine cycles Nutrient cycle Carbonate–silicate cycle Carbonate compensation depth Great Calcite Belt Redfield ratio
Other Climate reconstruction proxies Carbon-to-nitrogen ratio Deep biosphere Deep Carbon Observatory Global Carbon Project Carbon capture and storage Carbon cycle re-balancing Territorialisation of carbon governance Total Carbon Column Observing Network C4MIP CO2SYS
Category
v t e

تبدأ الدورة غير العضوية بإنتاج حمض الكربونيك (H ₂ CO ₃ ) من مياه الأمطار وثاني أكسيد الكربون الغازي. ^[6] وبسبب هذه العملية، يكون للمطر الطبيعي درجة حموضة تبلغ حوالي 5.6. ^[7] حمض الكربونيك هو حمض ضعيف ، ولكن على مدى فترات زمنية طويلة، يمكنه إذابة الصخور السيليكاتية (وكذلك الصخور الكربوناتية). تتكون معظم قشرة الأرض (والوشاح) من السيليكات. ^[8] تتحلل هذه المواد إلى أيونات مذابة نتيجة لذلك. على سبيل المثال، يتفاعل سيليكات الكالسيوم (CaSiO ₃ )، أو الولاستونيت ، مع ثاني أكسيد الكربون والماء لإنتاج أيون الكالسيوم، Ca ²⁺ ، وأيون البيكربونات، HCO ₃ ⁻ ، والسيليكا المذابة. يمثل هيكل التفاعل هذا التجوية السيليكاتية العامة لمعادن سيليكات الكالسيوم. ^[9] المسار الكيميائي هو كما يلي:

${\displaystyle {\ce {2CO2 + H2O + CaSiO3 -> Ca^2+ + 2HCO3- + SiO2}}}$

تحمل مياه النهر الجارية هذه المنتجات إلى المحيط، حيث تستخدم الكائنات البحرية المتكلسة Ca2 ^{+ و} HCO3− _لبناء أصدافها وهياكلها، وهي عملية تسمى ترسيب الكربونات :

${\displaystyle {\ce {Ca^2+ + 2HCO3- -> CaCO3 + CO2 + H2O}}}$

تتطلب عملية تجوية الصخور السيليكاتية جزيئين من ثاني أكسيد الكربون _؛ ويطلق التكلس البحري جزيئًا واحدًا مرة أخرى إلى الغلاف الجوي. تغرق كربونات الكالسيوم (CaCO3 ₎ الموجودة في الأصداف والهياكل العظمية بعد موت الكائن البحري وتترسب على قاع المحيط.

تتضمن المرحلة النهائية من العملية حركة قاع البحر. في مناطق الاندساس ، يتم دفن الرواسب الكربونية وإجبارها على العودة إلى الوشاح . قد يتم حمل بعض الكربونات عميقًا في الوشاح حيث تسمح ظروف الضغط ودرجة الحرارة المرتفعة لها بالتجمع بشكل متحول مع SiO ₂ لتكوين CaSiO ₃ وCO ₂ ، والذي يتم إطلاقه من الداخل إلى الغلاف الجوي عبر البراكين أو الفتحات الحرارية في المحيط أو ينابيع الصودا ، وهي ينابيع طبيعية تحتوي على غاز ثاني أكسيد الكربون أو ماء الصودا:

${\displaystyle {\ce {CaCO3 + SiO2 -> CaSiO3 + CO2}}}$

تعيد هذه الخطوة الأخيرة جزيء ثاني أكسيد الكربون الثاني _إلى الغلاف الجوي وتغلق ميزانية الكربون غير العضوي . يتم حجز 99.6٪ من إجمالي الكربون على الأرض (ما يعادل حوالي 10 ⁸ مليار طن من الكربون) في خزان الصخور طويل الأمد. وقد قضى كل الكربون تقريبًا وقتًا في شكل كربونات. على النقيض من ذلك، يوجد 0.002٪ فقط من الكربون في الغلاف الحيوي. ^[8]

إن التغيرات التي تطرأ على سطح الكوكب، مثل غياب البراكين أو ارتفاع مستويات سطح البحر، والتي من شأنها أن تقلل من كمية سطح الأرض المعرضة للتجوية، يمكن أن تغير المعدلات التي تحدث بها عمليات مختلفة في هذه الدورة. ^[8] على مدى عشرات إلى مئات الملايين من السنين، قد تختلف مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بسبب الاضطرابات الطبيعية في الدورة ^{[10] [11] [12]} ولكن بشكل عام، تعمل كحلقة تغذية مرتدة سلبية حرجة بين مستويات ثاني أكسيد الكربون وتغيرات المناخ. ^{[6] [9]} على سبيل المثال، إذا تراكم ثاني أكسيد الكربون _في الغلاف الجوي، فإن تأثير الاحتباس الحراري سيعمل على زيادة درجة حرارة السطح، مما سيؤدي بدوره إلى زيادة معدل هطول الأمطار والتجوية السيليكاتية، مما سيؤدي إلى إزالة الكربون من الغلاف الجوي. بهذه الطريقة، وعلى مدى فترات زمنية طويلة، يكون لدورة الكربونات والسيليكات تأثير استقرار على مناخ الأرض، ولهذا السبب أطلق عليها اسم منظم حرارة الأرض. ^{[5] [13]}

Part of a series on
Biogeochemical cycles
Water cycle Water cycle deep water cycle
Carbon cycle Global atmospheric terrestrial oceanic Sequestration carbon sink deep carbon cycle soil carbon mycorrhizal fungi Boreal forests
Nutrient cycle Hydrogen cycle Nitrogen cycle human impact nitrification nitrogen and lichens fixation assimilation Oxygen cycle Phosphorus cycle assimilation Sulfur cycle assimilation
Rock cycle Calcium cycle Silica cycle Carbonate–silicate cycle
Marine cycle Marine biogeochemical cycles Biological pump microbial loop viral shunt Calcareous ooze Siliceous ooze
Methane cycle Atmospheric methane Methane clathrate clathrate gun hypothesis Arctic methane emissions
Other cycles aluminum arsenic boron bromine cadmium chlorine chromium copper fluorine gold iodine iron lead lithium manganese mercury ozone–oxygen selenium vanadium zinc
Related topics Biogeochemistry geochemical cycle chemical cycling environmental chemistry Biosequestration Deep biosphere Ocean acidification acid rain Biogeochemical planetary boundaries
Research groups DAAC GEOTRACES IMBER NOBM SOLAS
Category
v t e

لقد تغيرت جوانب دورة الكربونات والسيليكات عبر تاريخ الأرض نتيجة للتطور البيولوجي والتغيرات التكتونية . ^[14] بشكل عام، تجاوز تكوين الكربونات تكوين السيليكات، مما أدى إلى إزالة ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي بشكل فعال. كان ظهور التمعدن الحيوي للكربونات بالقرب من حدود ما قبل الكمبري - الكمبري سيسمح بإزالة أكثر كفاءة لمنتجات التجوية من المحيط. ^[15] يمكن للعمليات البيولوجية في التربة أن تزيد بشكل كبير من معدلات التجوية. ^[16] تنتج النباتات أحماضًا عضوية تزيد من التجوية . تفرز هذه الأحماض بواسطة فطريات الجذور والفطريات الجذرية ، بالإضافة إلى تحلل النباتات الميكروبية . ينتج تنفس الجذور وأكسدة المواد العضوية في التربة أيضًا ثاني أكسيد الكربون ، والذي يتحول إلى حمض الكربونيك ، مما يزيد من التجوية. ^[17]

يمكن أن تؤدي التكتونيات إلى إحداث تغييرات في دورة الكربونات والسيليكات. على سبيل المثال، يُعتقد أن ارتفاع سلاسل الجبال الرئيسية، مثل جبال الهيمالايا والأنديز ، كان سببًا في بدء العصر الجليدي في أواخر حقبة الحياة الحديثة بسبب زيادة معدلات التجوية السيليكاتية وسحب ثاني أكسيد الكربون . ^[18] يرتبط طقس قاع البحر بكل من سطوع الشمس وتركيز ثاني أكسيد الكربون. ^[19] ومع ذلك، فقد مثل تحديًا للمصممين الذين حاولوا ربط معدل إطلاق الغازات والاندساس بمعدلات التغير المرتبطة بقاع البحر. من الصعب الحصول على بيانات بديلة مناسبة وغير معقدة لمثل هذه الأسئلة. على سبيل المثال، لا تعد نوى الرواسب، التي يمكن للعلماء استنتاج مستويات سطح البحر السابقة منها، مثالية لأن مستويات سطح البحر تتغير نتيجة لأكثر من مجرد تعديل قاع البحر. ^[20] حققت دراسات النمذجة الحديثة في دور التجوية في قاع البحر في التطور المبكر للحياة، مما يدل على أن معدلات تكوين قاع البحر السريعة نسبيًا عملت على سحب مستويات ثاني أكسيد الكربون إلى حد معتدل. ^[21]

تشير ملاحظات ما يسمى بالزمن العميق إلى أن الأرض لديها ردود فعل غير حساسة نسبيًا لتجوية الصخور، مما يسمح بتقلبات كبيرة في درجات الحرارة. مع وجود حوالي ضعف كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، تُظهر سجلات المناخ القديم أن درجات الحرارة العالمية وصلت إلى 5 إلى 6 درجات مئوية أعلى من درجات الحرارة الحالية. ^[22] ومع ذلك، تساهم عوامل أخرى مثل التغيرات في القوة المدارية / الشمسية في تغير درجة الحرارة العالمية في السجل القديم.

لقد كانت الانبعاثات البشرية من ثاني أكسيد الكربون _في تزايد مطرد، وقد وصل تركيز ثاني أكسيد الكربون الناتج _في نظام الأرض إلى مستويات غير مسبوقة في فترة زمنية قصيرة جدًا. ^[23] يمكن أن يؤدي الكربون الزائد في الغلاف الجوي الذي يذوب في مياه البحر إلى تغيير معدلات دورة الكربونات والسيليكات. قد يتفاعل ثاني أكسيد الكربون المذاب _مع الماء لتكوين أيونات البيكربونات، HCO3- _، ^{وأيونات} الهيدروجين، H ⁺ . تتفاعل أيونات الهيدروجين هذه بسرعة مع الكربونات، CO32- _لإنتاج المزيد من أيونات البيكربونات وتقليل أيونات الكربونات المتاحة، مما يمثل عقبة أمام عملية ترسيب كربونات الكربون. ^{[24] بعبارة أخرى، تمتص المحيطات 30٪ من الكربون الزائد المنبعث في} الغلاف الجوي. تعمل التركيزات الأعلى من ثاني أكسيد الكربون في المحيطات على دفع عملية ترسيب الكربونات في الاتجاه المعاكس (إلى اليسار)، مما ينتج عنه كمية أقل من CaCO3 _. تسمى هذه العملية، التي تضر بالكائنات الحية التي تبني القواقع، بتحمض المحيطات . ^[25]

لا ينبغي للمرء أن يفترض أن دورة الكربونات والسيليكات ستظهر على جميع الكواكب الأرضية . في البداية، تتطلب دورة الكربونات والسيليكات وجود دورة مائية. وبالتالي، فإنها تنهار عند الحافة الداخلية للمنطقة الصالحة للحياة في النظام الشمسي . حتى لو بدأ الكوكب بمياه سائلة على السطح، فإذا أصبح دافئًا جدًا، فسوف يخضع لظاهرة الاحتباس الحراري الجامح ، مما يؤدي إلى فقدان المياه السطحية. بدون مياه الأمطار المطلوبة، لن تحدث أي تجوية لإنتاج حمض الكربونيك من غاز ثاني أكسيد الكربون _{. علاوة على ذلك، قد يتكثف ثاني أكسيد} الكربون عند الحافة الخارجية، مما يقلل بالتالي من تأثير الاحتباس الحراري ويقلل من درجة حرارة السطح. ونتيجة لذلك، سوف ينهار الغلاف الجوي إلى أغطية قطبية. ^[5]

المريخ هو مثل هذا الكوكب. يقع على حافة المنطقة الصالحة للحياة في النظام الشمسي، وسطحه بارد جدًا بحيث لا يمكن أن يتكون الماء السائل دون تأثير الاحتباس الحراري. مع غلافه الجوي الرقيق، يبلغ متوسط ​​درجة حرارة سطح المريخ 210 كلفن (−63 درجة مئوية). في محاولة لشرح السمات الطبوغرافية التي تشبه القنوات النهرية، على الرغم من عدم كفاية الإشعاع الشمسي الوارد على ما يبدو، اقترح البعض أنه ربما كانت هناك دورة مماثلة لدورة الكربونات والسيليكات على الأرض - على غرار التراجع عن فترات كرة الثلج الأرضية . ^[26] وقد ثبت باستخدام دراسات النمذجة أن غاز ثاني أكسيد الكربون _والماء يعملان _كغازات دفيئة لا يمكن أن يحافظا على دفء المريخ خلال تاريخه المبكر عندما كانت الشمس أضعف لأن ثاني أكسيد الكربون _كان يتكثف في السحب. ^[27] على الرغم من أن سحب ثاني أكسيد الكربون _لا تنعكس بنفس الطريقة التي تنعكس بها سحب الماء على الأرض، ^[28] فمن الممكن أنه لم يكن لديه الكثير من دورة الكربونات والسيليكات في الماضي.

على النقيض من ذلك، يقع كوكب الزهرة على الحافة الداخلية للمنطقة الصالحة للحياة ويبلغ متوسط ​​درجة حرارة سطحه 737 كلفن (464 درجة مئوية). بعد فقدان مياهه عن طريق التفكك الضوئي وهروب الهيدروجين ، توقف كوكب الزهرة عن إزالة ثاني أكسيد الكربون من غلافه الجوي، وبدأ بدلاً من ذلك في تكوينه، وتجربة تأثير الاحتباس الحراري الجامح .

في الكواكب الخارجية المقفولة مديًا ، سيحدد موقع النقطة تحت النجمية إطلاق ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الصخري . ^[29]

• دورة الكربون
• التجوية العكسية
• ديزي وورلد
• فرضية جايا
• تأثير الاحتباس الحراري الهارب
• العصور الجليدية الكبرى
• الأرض كرة الثلج
• بحيرة نيوس
• تحمض المحيطات
• مفارقة الشمس الشابة الخافتة

• فهم دورة الكربون على المدى الطويل: تجوية الصخور – مصدر مهم وحيوي للكربون بقلم جون ماسون، مجلة العلوم المتشككة