Быстрый контур
БыстроУглерод, переходящий за год
от $10^{15}$ до $10^{17}\ \mathrm{g}$ (от миллиарда до ста миллиардов тонн)
Сколько длится
Измеряется одной жизнью
Что его приводит в движение
Живые организмы
Что нужно принести
Короткое напоминание урока 3: резервуар — это место, где накапливается углерод (измеряется в $\mathrm{GtC}$), а поток — переход углерода из одного резервуара в другой (измеряется в $\text{GtC/год}$). Каждый резервуар хранит свой углерод очень разное время.
Объяснение
Читать объяснение
Что видно и чего не успеть увидеть
Некоторые переходы углерода происходят так быстро, что их можно наблюдать за год или за одну жизнь. Другие настолько медленные, что ни один человек не видит их целиком.
| Процесс | Что можно наблюдать | Завершается ли за одну человеческую жизнь? |
|---|---|---|
| Фотосинтез | Растение растёт и набирает массу; в атмосфере $\mathrm{CO_2}$ повышается и понижается в зависимости от сезона роста растений. | Да |
| Дыхание | Воздух, который ты выдыхаешь, или животное, которое ест растения. | Да |
| Разложение | Опавший лист, который гниёт и исчезает в почве. | Да |
| Образование известняка | Ракушки на пляже или в скале. Как они превращаются в горную породу, увидеть не успеешь. | Нет |
| Образование ископаемого топлива | Ничего: это происходит под землёй, при высокой температуре и давлении. | Нет |
Источники: Ciclo de carbono.pdf, слайды 6 и 9; NASA Earth Observatory, The Carbon Cycle (сезонные колебания $\mathrm{CO_2}$, образование известняка и ископаемого топлива).
В твоём учебном материале это сводится к двум этапам: быстрый, или биологический, этап, в котором участвуют живые организмы, и медленный, или геологический, этап, который длится миллионы лет (Ciclo de carbono.pdf, слайды 6, 8 и 9).
Что происходит с атомом углерода
Во всех переходах атом углерода один и тот же. Меняется вещество, в состав которого он входит на каждом участке.
| Где находится | В каком веществе путешествует углерод | Как записывается |
|---|---|---|
| В воздухе | Углекислый газ (диоксид углерода), газ | $\mathrm{CO_2}$ |
| В живых организмах | Органический углерод: сахара, например глюкоза, входящие в состав растений и того, что мы едим | $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$ (глюкоза) |
| В воде рек и морей | Гидрокарбонат-ион, растворённый в воде (частица с зарядом) | $\mathrm{HCO_3^-}$ |
| В ракушках и известняке | Карбонат кальция, твёрдое вещество | $\mathrm{CaCO_3}$ |
| Под землёй | Уголь, нефть и природный газ, образовавшиеся из остатков живых организмов | Смеси множества углеродсодержащих веществ |
Источники: NASA Earth Observatory, The Carbon Cycle (сахара при фотосинтезе, гидрокарбонат и карбонат кальция при выветривании); Ciclo de carbono.pdf, слайд 9 ($\mathrm{CaCO_3}$ в известняке). Формула глюкозы — напоминание из раздела 4. Как записывать эти изменения уравнениями с коэффициентами, разбирается на уроке 10.
Два контура, две скорости
| Процесс | Исходный резервуар | Конечный резервуар | Вещество, переносящее углерод | Контур и масштаб времени |
|---|---|---|---|---|
| Фотосинтез | Атмосфера | Растительность | $\mathrm{CO_2}$ → сахара | Быстро: «измеряется одной жизнью» |
| Дыхание | Живые организмы | Атмосфера | Сахара → $\mathrm{CO_2}$ | Быстро: «измеряется одной жизнью» |
| Разложение | Остатки живых организмов | Почва и атмосфера | Органический углерод → $\mathrm{CO_2}$ | Быстро: «измеряется одной жизнью» |
| Обмен океан–атмосфера | Атмосфера / океан | Океан / атмосфера | $\mathrm{CO_2}$, который растворяется в воде или выходит из неё | Быстро |
| Выветривание | Атмосфера и горные породы | Реки и океан | $\mathrm{CO_2}$ в дождевой воде → растворённый $\mathrm{HCO_3^-}$ | Медленно: несколько сотен тысяч лет до восстановления равновесия |
| Осадконакопление и образование известняка | Океан | Горные породы | $\mathrm{HCO_3^-}$ → $\mathrm{CaCO_3}$ ракушек | Медленно: от 100 до 200 миллионов лет на весь медленный круговорот |
| Образование ископаемого топлива | Остатки живых организмов | Ископаемое топливо | Органический углерод → уголь, нефть, газ | Медленно: миллионы лет |
| Вулканизм | Горные породы | Атмосфера | Углерод горных пород → $\mathrm{CO_2}$ | Медленно |
Разница не только во времени, но и в количестве. По данным NASA, каждый год через быстрый контур проходит от $10^{15}$ до $10^{17}\ \mathrm{g}$ углерода, а через медленный — от $10^{13}$ до $10^{14}\ \mathrm{g}$.
Медленный контур
МедленноУглерод, переходящий за год
от $10^{13}$ до $10^{14}\ \mathrm{g}$ (от десяти до ста миллионов тонн)
Сколько длится
От 100 до 200 миллионов лет
Что его приводит в движение
Геологические процессы: дождь, реки, осадки, вулканы
Источник: NASA Earth Observatory, The Carbon Cycle.
То, что медленный контур переносит меньше углерода в год, не делает его менее важным: именно он определяет, где хранится большая часть углерода планеты (в горных породах, урок 3) и как долго.
И снова: прежде чем выйти из выхлопной трубы
Углерод бензина попал в свой резервуар по медленному контуру: это остатки живых организмов, которые миллионы лет пролежали под землёй. При сгорании он за секунды возвращается в атмосферу и входит в быстрый контур.
Подумай, прежде чем открыть: возник ли в двигателе новый углерод?
Посмотреть ответ, чтобы сравнить со своим
Нет. Это те же атомы углерода, которые когда-то были в живых организмах. Горение их не создаёт: оно заставляет пройти в обратную сторону за очень короткое время участок, который в природе занимает миллионы лет, и переводит углерод из медленного контура в быстрый.
Анимация
Описание анимации
Анимация показывает шесть хранилищ углерода в виде фигур, размер которых пропорционален количеству хранимого углерода: горные породы (около 65 500 GtC), океан (около 38 700), почвы (1700), ископаемое топливо (928 в запасах), атмосфера (591) и растительность (450). Размеры сжаты, чтобы всё поместилось на экране, и об этом предупреждается.
Сначала загораются стрелки быстрого контура, и часы отсчитывают годы. Фотосинтез переносит углерод из воздуха в растения — 113 GtC в год; дыхание и пожары возвращают его — 111,1 GtC в год; между воздухом и морем в каждую сторону проходит около 54 GtC в год. Выделенный атом углерода переходит из воздуха в растение в виде углекислого газа, остаётся в растении в составе сахара и возвращается в воздух в виде углекислого газа, когда живой организм дышит.
Потом появляется надпись о смене часов: теперь они отсчитывают миллионы лет. Только тогда загораются стрелки медленного контура. Дождь с растворённым углекислым газом разрушает горные породы; реки уносят углерод в море в виде гидрокарбонат-иона; в море образуется карбонат кальция в ракушках, которые со временем превращаются в известняк. Погребённые остатки живых организмов превращаются в уголь, нефть и газ. Вулканы возвращают углерод из горных пород в воздух.
В конце оба контура работают одновременно, каждый со своими часами. Быстрый контур переносит от миллиарда до ста миллиардов тонн углерода в год и замыкается за время одной жизни; медленный переносит от десяти до ста миллионов тонн в год и занимает от 100 до 200 миллионов лет. Анимация заканчивается таблицей, сравнивающей два контура.
Источники анимации: IPCC (2021), AR6 WG1, рис. 5.12; NASA Earth Observatory, The Carbon Cycle. Схема, не в реальном масштабе.
Симуляторы для этого урока
Дополнительно: интерактивные симуляторы по теме этого урока. Можно открыть до или после объяснения.
Листы для скачивания (на испанском)
Два контура, две скорости
Атом тот же, вещество меняется
Задания
1. От предмета к атому
Выбери один из двух случаев: лист, гниющий в почве, или известняковая скала в горах.
- Опиши то, что видно невооружённым глазом.
- Расскажи путь атома углерода участок за участком: в каком веществе он был раньше, в каком находится сейчас и в каком будет потом. Используй формулы из таблицы «Что происходит с атомом углерода».
- Укажи, к какому контуру это относится, и обоснуй масштабом времени из таблицы.
2. Два контура соприкасаются
Утверждение, которое нужно защитить: добыча ископаемого топлива соединяет два контура, которые обычно разделены миллионами лет. Доказательствами считаются только данные из таблиц этого урока и урока 3 со ссылкой на источник.
Самопроверка
Восемь вопросов. Когда выбираешь вариант, появляется объяснение: прочитай его, даже если ответил правильно.
Загрузка вопросов…