ЦИКЛ УГЛЕРОДА В МИРОВОМ
ЦИКЛ УГЛЕРОДА В МИРОВОМ
ОКЕАНЕ
ОКЕАНЕ
Е.А.Романкевич, В.С.Савенко, А.А.Ветров
Е.А.Романкевич, В.С.Савенко, А.А.Ветров
Российская Академия Наук
Институт Океанологии
им.П .П .Ширшова
Московский университет
Географический факультет
Семинар «Глобальные изменения климата», ИВМ РАН, Москва, 2 апреля 2008 г.

план доклада
план доклада
1. Методология изучения цикла углерода в океане
2. Основные типы и формы существования углерода
в океане
3. Потоки углерода в океане
4. Баланс углерода в океане
5. Нерешенные проблемы
цель доклада
цель доклада
Представить биогеохимический подход и
результаты оценок потоков и баланса углерода
(органического и карбонатного) в Мировом океане.

Методология, принятая в работе
Многодисциплинарное изучение цикла углерода в системе океан-
атмосфера-литосфера.
Получение сопоставимых данных по биопродукционным,
седиментационным потокам, массам, распределению и накоплению
углерода в донных осадках океана.
Выбор необходимого и достаточного набора параметров измерений, их
точности и дискретности, анализ гипотез и альтернатив.
Создание усовершенствованных методов отбора и анализа проб,
адекватных поставленной задаче.
Получение квазиодновременной спутниковой информации и наблюдений
in situ, а также сопутствующих данных по гидрологической,
метеорологической ситуации, биологическим и геолого-геохимическим
показателям.

Материалы, на которых основан доклад
•
Современные представления о цикле углерода базируются на результатах, выполненных по
проектам Scientific Committee on Problems of the Environment (SCOPE), International Council
of Scientific Union (IСSU) (например, The Major Biogeochemical Cycles and Their Interactions,
1983), The International Geosphere–Biosphere Programme (IGBP), Joint Global Ocean Flux Study
(JGOFS), Land-Ocean Interaction in the Coastal Zone (LOICZ), Global Oceanic Ecosystem
Dynamics (GLOBEC), Climate Variability and Prediction (CLIVAR), а также ряда федеральных
программ России, например, «Мировой океан», Проектов, поддержанных Российским
фондом фундаментальных исследований (РФФИ) и др. В настоящее время вышло 20 томов
«Global Biogeochemical Cycles».
•
Ранее накопленные многолетние результаты изучения геохимической истории углерода в
биосфере, трансформации и переходов его различных форм, биогеохимии и круговорота
были подвергнуты ревизии и после верификации использованы в основной своей части.
•
Наиболее общими результатами работ за последние 15-20 лет явилось, во-первых,
увеличение в тысячи раз информации о параметрах, характеризующих потоки разных форм
углерода (газообразного, твердого, растворенного, взвешенного, органического и
неорганического), во-вторых, системный подход, предусматривающий получение
многодисциплинарных сведений о процессах сопряженных биогеохимических C, N, P, S
циклов, необходимых для интерпретации биосферного круговорота углерода, в-третьих,
улучшение методов определения форм углерода и его состава с выявлением органо-
химических и других физико-химических и литологических индикаторов процессов, в-
четвертых, формулировка пробелов изучения циклов углерода и, наконец, сформированы
новые задачи и программы в рамках IGBP/SCOR, например, Integrated Marine,
Biogeochemistry and Ecosystem Reseach (IMBER,2005), Surface Ocean-Lower Atmosphere
Study (SOLAS, 2005), а также в Российских фундаментальных и инновационных программах
Минобрнауки РФ, РФФИ, Президиума РАН.

Некоторые термины и их смысл
•
Биосфера– область существования живого вещества
на Земле, которая включает живые организмы и
среду их обитания (Вернадский, 1926, 1965)
•
Балансовый подход основан на законе сохранения
масс веществ и допущении стационарного состояния
океана. При таком подходе сумма природных статей
углерода должна соответствовать сумме расхода.
•
Масштаб времени и пространства. В докладе
рассматривается современный Мировой океан в
интервале времени 100-1000 лет
Все понятия о предметах и явлениях определяются терминами,
в которые ученые часто вкладывают разный смысл и объем.

Актуальность проблемы
Круговорот углерода определяет многие параметры
функционирования биосферы:
•
Потоки и геохимию почти всех химических элементов, многие
из которых функционально связаны с потоками разных форм
углерода.
•
Потоки парниковых газов N2O, CH4, CO2 и газовый обмен,
влияющие на климат планеты.
•
Биопродуктивность, биомассу и во многом биоразнообразие
сообществ морских организмов.
•
Выветривание, гальмиролиз, аутигенные минералообразование.
•
Микробиологическую активность.
•
Углерод служит энергетической основой всех литолого-
химических процессов осадконакопления, диагенеза, катагенеза.
•
Незамкнутый цикл углерода определяет накопление в донных
осадках исходного для нефти и газа органического вещества.

Основные типы существования углерода (
Основные типы существования углерода (C)C) вв
океане
океане
Типы углерода
•
Неорганический углерод (СО2, HCO3
-
, CaCO3 и др.) m ~ 38.5×1012 т
•
Углерод живого вещества m ~ 4×109 т
фитопланктона + фитобентоса m ~ 1.7×109 т
зоопланктона m ~ 1.6×109 т
зообентос
m ~ 0.7х109 т
•
Углерод органических соединений (их несколько миллионов, а с
изомерами многократно больше) m ≥ 1000×109 т
полисахариды, другие углеводы;
белки, аминокислоты, нуклеиновые кислоты;
липиды в т.ч . углеводороды, фенолы;
стерины, стераны и др.;
гуминовые и фульвовые кислоты;
кероген (древнее остаточное ОВ).

Формы органического углерода в океане
•
Растворенная (истинные растворенные
соединения, частицы <1нм)
•
Коллоидная форма
m ~ 750-1000×109 т
наносистемы 1-10 нм
высокодисперсные 10-1000 нм
грубодисперсные 1-100 μм
•
Взвешенная форма (>0.45 μм) m ~ 30-50×109 т
•
Углерод донных осадков голоцена m ~ 1500-4000×109 т
•
Углерод иловой воды голоцена m ~ ?×109 т
•
Газогидраты 1.5×1016 – 2×1019 м3 (1.5 − 2×1016 м3)
•
Углерод в составе обломков пород m ~ ?×109 т

Полярные липиды
Диатомовые водоросли
Перидинеивые водоросли
Зоопланктон
Водная взвесь
0м
Водная взвесь
1000 м
Морская вода
Терригеные осадки
подводных окраин
Гемипелагические осадки
Красные глуб. Глины
Иловая вода
Водная взвесь 0 м
Фитобентос
Водная взвесь
0м
Водная взвесь
глубже 500-1000 м
Терригенные осадки
подводных окраин
Красные глуб.
Глины
Иловая вода
0
20
40
60
80
100 %
0
20
40
60%
У
г
л
е
в
о
д
о
р
о
д
ы
Т
р
и
г
л
и
ц
е
р
и
н
ы
Ж
и
р
н
ы
е
к
и
с
л
о
т
ы
С
т
е
р
и
н
ы
0-50 м
500-3800 м
15.5
12.4
11.1
25.6
47.2
25
13
27
46
2-3
19.5
43
17
0-15 м
200-3000 м
22
6.3
2.3
10.6
Изменение концентраций
Изменение состава
Трансформация важнейших классов органических
соединений в системе: планктон, взвесь, донные осадки

Поступление и круговорот углерода в Мировом океане (схема)
С речным стоком
Абразия
берегов
С подземным
стоком
С аэрозолями
CO2 HCO
2
3
HCO ’3
CO ’’
3
CO2
CO2
O2
Поступление С и СаСО
с суши
орг
3
Зоопланктон
Вертикальная
миграция
Граница активного слоя
Поток
детрита,
“Морской
снег”
Потребление
Бактериальная
деструкция
Бактериальная
деструкция
Пеллетный
транспорт
Вертикальное
Перемешивание
РОУ и РНУ
Растворение,
минерализация
Потребление,
биосинтез,
хемосинтез
Фототрофия
Накопление
карбонатов
зообентосом
Фитобентос
Планктон,
бактерии
Аутигенное
минерало-
образование,
гальмиролиз
CaCO3 крист CaCO3 раств
CaCO3 тв
Гидротер-
мальный
биосинтез,
хемосинтез
Гидротер-
мальные
флюиды
углерода
Морск ая
вода

Потоки
Потоки
углерода в
углерода в
Мировом
Мировом
океане
океане

Принципиальная схема биогеохимического цикла
углерода в Мировом океане
Потоки из атмосферы и суши в океан
Потоки из нижних частей литосферы и мантии
Захоронение в донных осадках
Живое
вещество
Биосинтез
Речной
сток
Атмосфер-
ный сток
Абразия
Подземный
сток
Растворение,
минерализация
Гидротермальный
поток
Гальмиролиз
(подводное
выветривание)
Деструкция
Деструкция
Гидротерм
биосинтез
.
Аутигенное
минерало
образование
-
Верхний активный слой

Потоки из атмосферы и суши в океан
Потоки из атмосферы и суши в океан
Потоки из нижних частей литосферы и мантии
Захоронение в донных осадках
Захоронение в донных осадк ах
Захоронение в донных осадк ах
Живое
вещество
Живое
вещество
Живое
вещество
ГП
РМ
Г
ГБ
ВАС
Биосинтез
РМ
РМ
ГБ
ГБ
ВАС
Биосинтез
ВАС
Биосинтез
АМ
АМ
Д
Р
ААб
Пс
Аф
Д
Д
Д
Д
Д
Р
Р
А
А
Аб
C
N
P
Принципиальная схема биогеохимических циклов
в современном Мировом океане
C,N,P
Р - речной сток;
Пс - подземный сток; Аф - азотфиксация; Д - деструкция; РМ -
растворение, минерализация; ГП - гидротермальный поток; ГБ - гидротермальный биосинтез;
Г -гальмиролиз (подводное выветривание);
АМ - аутигенное
минералообразование;
ВАС - верхний активный слой;
А - атмосферный сток; Аб - абразия;
Аб Пс
Пс
ГП
ГП

Сопряжение биогеохимических циклов
Все величины даны в 1018 г
Заварзин Г.А . Вестник РАН, 2001, т.71, No11
MeSiAl
0.7
атмосфера
СО
38
океан
2
О
1190
атмосфера
2
S
7440
1280
океан
породы
Fe
N
3870
атмосфера
P
SiAl
>60000
Скарбонат
0.5 + 1.5
биота почвы
Сорг
1500
кероген
Ключевая роль
органического углерода
выражается в сопряжении
циклов различных веществ
С циклом органического
углерода
стехиометрически связаны
циклы N, P, Si, Se, Fe
C:N=6,
C:Pот106до500(у
деревьев)

+ 522
+51
+ 471
Невязка баланса ("+" П>В )
4
1030
72%
28%
2
780
65%
35%
2
250
96%
4%
Вынос на сушу с атмосферными осадками
Захоронение в донных осадках
В том числе:
на шельфе и континентальных склонах
на ложе океана
Выведение (В)
712
105



819
493
38
47
117
17
737
25
1556
502
91
?
?
?
593
123
32
22
21
17
240
25
833
210
14
∼2
?
?
226
370
6
25
96
?
497
?
723
Потоки с суши растворенных
веществ
речной сток
подземный сток
ледовый сток
абразия берегов
атмосферные растворенные вещества
Сумма
Потоки с суши твердых веществ
речной сток
ледовый сток
абразия берегов
эоловый сток
подводный вулканизм
Сумма
Дегазация базальтовых магм
Сумма поступления с суши
Поступление (П)
Скарб + Сорг
Скарб
Сорг
Источник
Баланс углерода в Мировом океане, 106 т С/год
(без учета обмена СО2 на границе океан-атмосфера)

Геохимический баланс фосфора в Мировом океане
Статья балан са
Поток
вещества,
млрд. т/год
Содержание
фосфора,
мкг Р/г
Поток
фосфора,
млн. т Р/год
ПОСТУПЛЕНИЕ:
речной сток растворенных веществ
42100
0.108
4.5
сток взвешенн ых наносов
15.5
1000
15.5
сток влекомых наносов
3.1
800
2.5
подземн ый сток растворенн ых веществ
2200
0.058
0.1
ледов ый сток, абразия берегов и дна
2
870
1.7
вып адение терригенных аэрозолей
0.87
2000
1.7
подводн ые гидротермы
55
30
1.7
общее поступление
27.7
ВЫВЕДЕНИЕ:
образование донн ых отложений
19.8
690
13.7
вын ос в состав е морских аэрозолей
1.9
11
0.02
общее выведение
13.7
НЕВЯЗКА БАЛАНСА
+14.0

Среднегодовая продукция фитопланктона
(70-100 млрд т С в год)
Обработка спутниковых данных CZCS, SeaWiFS, MODIS и измерений in situ
-6
0
-3
0
0
30
60
90W
0
90E
180
90W
gC/m2day
Primaryproduction
.
.
0.0
0.2
0.3
0.5
0.8

Поступление органического углерода на дно
F=33PP/Z
F – поток Сорг
PP – первичная продукция
Z - глубина
-6
0
0
60
90W
0
90E
180
90W
g/m2yr
TOCFluxtoseafloor
01
2
41050

Методы определения потоков веществ в океане
• Метод седиментационных ловушек
• Изотопные методы на основе радиоизотопов (234
Th,
238
Th и других)
• По параметрам функционирования планктонных
сообществ
• Балансовый метод, учитывающий латеральные,
вертикальные потоки углерода и связанных с ним
химических элементов
• Ориентировочные расчеты по максимальным и
минимальным концентрациям взвеси в потоке

Процентные концентрации органического углерода
Процентные концентрации органического углерода
в Мировом океане
в Мировом океане
90W
0
90E
180
90W
%ondrysediment
Organiccarbon
0
0.25
0.5
1
2

Углерод карбонатов в донных осадках
Углерод карбонатов в донных осадках
Мирового океана, % на сухое в-во
Мирового океана, % на сухое в-во
90W
0
90E
180
90W
Carbonates
%ondryweight
00.11
3
5
7
9

Скорости накопления органического углерода в донных
осадках океана (абсолютные массы)
N ~ 12000
90W
0
90E
180
90W
mg/m2yr
Accumulationrateoforganiccarbon
051050100200

90W
0
90E
180
90W
g/m2yr
Accumulationrateofcarbonates
0
1
5
10
20
Скорости накопления карбонатов в донных осадках океана

-6
0
0
60
90W
0
90E
180
90W
%
Coefficientoffossilization
- 0 .00 0 .01 0.05 0.10 0.20 0.50
Коэффициент фоссилизации органического углерода
TOC, mg Corg m-2 yr-1
PP, mg Corg m-2 yr-1
%
Среднее для ложа океана - 0 .025,
Среднее для континентальной окраины – 1 .1%
Сбалансированность цикла Сорг – 99 .5%

Основные нерешенные вопросы в круговороте
углерода
Ι. Причины роста рСО2 в атмосфере: 276 → 385 ppm
Антропогеный фактор, поступление (~ 7×109 т/год)
Природные процессы (термоабразия, роль СО2, СН4, СО)
ΙΙ. При выветривании силикатов поглощается СО2 атмосферы, при
метаморфизме и диагенезе, наоборот, выделяется свободный
СО2:
выветривание→
2 NaAlSi3O 82CO23H2 O=Al2Si2O5OH 42Na

2HCO3
−
4SiO2
← диагенез, метаморфизм
При выветривании силикатов связывается 405 млн т СО2 в год
(прямая реакция) и время прохождения всего атмосферного СО2
через процессы выветривания силикатов составляет 5750 лет.
Следовательно, должен существовать мощный поток
регенерированного СО2, который предположительно связан с
диагенезом осадков (обратная реакция).

III. Неучтенные составляющие первичной продукции (нано- и
пикопланктон, ледовые водоросли, фитобентос, диатомовые донные
водоросли) и связывание СО2
IV. Сколько СО2 выделяется (связывается) в рифтовых зонах океана, в
зонах холодных сипингов, поток СО2 из подводных и грязевых
вулканов
V. Выяснение масштабов генезиса и потока метана и его гомологов из
недр, газогидраты – запасы, скопления, дегазация.
VI. Уточнение масштабов захоронения углерода и возвратного потока
кислорода.
VII. Уточнение баланса углерода в системе атмосфера-океан-литосфера
на основе более точной оценки потоков углерода, взаимодействия C,
S, N, P циклов.
Основные нерешенные вопросы в круговороте
углерода

Вместо заключения
Таким образом, оценка в современном Мировом океане тесно
связанных между собой потоков углерода и его баланса
является важным путем поиска решений таких проблем как:
•
рост в атмосфере СО2 от 276 до 385 ppm,
•
прогнозируемого снижения рН поверхностных вод от
современного значения 8.1 + 0.1 на 0.35 или даже на 0.77,
•
буферной емкости океана,
•
его химического состава
•
и климата Земли.
Это крупные научные, социально значимые и жизненно
важные проблемы.

Приборная база лаборатории химии океана для
исследований цикла углерода
Газовый хроматомасс-
спектрометр GCMS – QP5050A
«Shumadzu»
Высокоэффективный газовый
хроматограф «Yanaco G-180 T.F.P.»
Приборы для пробоподготовки образцов

Жидкостной хроматомасс-спектрометр LCMS –
2010EV «Shumadzu»
Высокоэффективный газовый
хроматограф GC-2010 «Shumadzu»
Высокоэффективный газовый
хроматограф GC-2014«Shumadzu»
Система сверхчистой очистки воды
Милли Кью Градиент А 10
Milli-Q Gradient A10