대기 탄소 순환

Atmospheric carbon cycle
2011년 대류권 이산화탄소 몰 분율

대기 탄소 순환은 주로 이산화탄소(CO2)와 같은 기체 탄소 화합물의 교환을 지구의 대기, 해양, 지상 생물권 사이에서 설명한다. 그것은 지구 전체 탄소 순환의 가장 빠른 구성 요소 중 하나로, 매년 대기 중 2,000억 톤 이상의 탄소(즉, 기가톤 탄소 또는 GtC)가 대기를 드나드는 교환을 지원한다.[1] 대기 중 CO2 농도는 이 두 흐름 사이에 균형이 존재하는 경우에만 더 긴 시간 동안 안정적으로 유지된다. 메탄(메탄)CH4, 일산화탄소(CO) 및 기타 인공 화합물은 더 작은 농도로 존재하며 대기 탄소 주기의 일부이기도 하다.[2]

주로 산업혁명을 시작으로 지구 암석권으로부터 화석탄소를 추출하고 연소시키는 인간의 활동은 대기 탄소 순환의 이전 균형을 어지럽혔으며 CO와2 CH4 농도의 지속적인 급속한 성장을 주로 담당해 왔다.[3] 2019년 현재 연간 배출량은 10GtC/년으로 증가했으며, 누적 총 450GtC가 사이클에 주입되었다.[4] 지상 및 해양 싱크대는 지금까지 추가된 탄소의 절반을 흡수했으며, 절반은 주로 CO로2 대기 중에 남아 있었다. 배출량 증가 추세가 지속된다고 가정할 때, CO2 농도는 금세기 후반까지 적어도 두 배 이상 증가할 수 있는 경로에 있다.[5]

대기 탄소 순환은 또한 온실 효과를 통해 지구의 에너지 균형에 강하게 영향을 미치고, 지구 표면의 물과 토양의 산도나 알칼리성에 영향을 미친다. 몰 분율별로 모든 대기 가스의 0.05% 미만을 구성함에도 불구하고,[6] 최근 탄소 농도의 상승은 상당한 전지구적 가열과 해양 산성화를 야기했다.[7] 그러한 영향은 일반적으로 순배출량이 안정되고 감소될 때까지 더욱 가속화될 것으로 예상된다.[5]

관련 가스

다음 시리즈의 일부
탄소 순환
Forms of organic matter.webp
지역별
이산화탄소
탄소의 형태
대사 경로
탄소호흡
탄소펌프
탄소 격리
메탄
바이오게화학
리스트
대기 중 이산화탄소의 1년 생활과 전 세계를 돌아다니는 방법을 보여주는 컴퓨터 모델

대기는 지구의 주요 탄소 저장고 중 하나이며 2000년 현재 약 720 기가톤의 탄소를 보유하고 있다.[1] 대부분 탄소성 온실가스의 농도는 산업 시대가 시작된 이후 급격히 증가했다. 이것은 대기의 탄소 성분을 이해하는 것을 매우 중요하게 만든다. 이산화탄소 온실가스는 메탄과 이산화탄소다.[9]

메탄

주요 기사: 대기 메탄

메탄(CH4)은 더 강력한 온실 가스 중 하나이며 주로 생물 생물의 소화나 부패에 의해 생성된다. 그것은 두 번째로 중요한 온실 가스로 여겨지고 있지만,[9] 대기 중의 메탄 주기는 현재 잘 이해되지 않고 있다.[10] 매년 생산되고 흡수되는 메탄의 양은 매우 다양하다.[9]

메탄의 큰 저장소는 영구 동토층 아래 메탄 얼음의 형태와 대륙붕에서 발견될 수 있다. 추가적인 메탄은 유기물질의 혐기성 붕괴에 의해 생성되며 유기체의 소화관, 토양 등에서 생성된다. 천연 메탄 생산량은 전 세계 메탄원의 10~30%를 차지한다.[11]

인공 메탄은 소를 기르거나 쓰레기 매립지의 쓰레기의 부패를 통해 다양한 방법으로 생산된다. 그것은 또한 화석연료의 채굴과 유통을 포함한 몇몇 산업자원들에 의해 생산된다.[10] 대기 중 메탄의 70% 이상이 생물 발생원에서 나온다. 메탄 농도는 산업 시대가 시작된 이후 점차 상승해 1750년 ~700ppb에서 2005년 ~1775ppb로 높아졌다.[12][9]

메탄은 광화학적으로 생성된 히드록실 프리 래디컬(OH)의 반응을 통해 대기권에서 제거할 수 있다.[13][14] 또한 파괴되는 성층권에 들어가거나 토양 싱크대에 흡수되어 대기를 떠날 수도 있다.[15] 메탄은 다른 화합물들과 상당히 빠르게 반응하기 때문에 이산화탄소와 같은 많은 다른 온실 가스들만큼 대기 중에 머무르지 않는다. 대기 수명은 약 8년이다.[12] 이는 대기 중 메탄의 농도를 비교적 낮게 유지하며, 부피당 훨씬 더 강력한 온실 효과를 생산한다는 사실에도 불구하고 현재 이산화탄소에 대한 온실 효과에 2차적인 역할을 하고 있는 이유다.[10]

이산화탄소

주요기사 : 지구 대기의 이산화탄소

이산화탄소(CO2)는 온실효과를 통해 지구온도에 미치는 온난화 효과가 크다. 비록 개별적인 이산화 탄소 분자가 분위기에서 짧은 체류 시간이 있기 때문에 atmosph의 최대 분수를 만든 이산화 탄소 수준의 매우 오랜 시간이 갑작스런 상승 후에 가라앉기, e.g. 화산 폭팔이나 인간 activity[16]이처럼 많은 일반적인 온실 가스 중에서도 가장 중요하고 있기 때문이 걸린다.ere.[9] 산업혁명 이후 대기 중의 CO2 농도는 약 280ppm에서 거의 400ppm으로 높아졌다.[6] 도입되는 CO의2 양이 전 세계 탄소 순환에서 차지하는 비중은 극히 미미하지만, 이산화탄소의 체류 시간이 길기 때문에 이러한 배출은 총 탄소 균형과 관련이 있다. 이산화탄소 농도가 높아지면 온실효과가 강화돼 지구 기후에 변화가 생긴다. 매년 대기에 유입되는 이산화탄소의 증가량 중 약 80%는 화석연료의 연소와 시멘트 생산량이다. 나머지 20%는 토지 이용의 변화와 삼림 벌채에서 비롯된다.[17] 기체 이산화탄소는 다른 화학물질과 빠르게 반응하지 않기 때문에, 대기의 이산화탄소 함량을 변화시키는 주요 과정은 다음 절에서 설명한 바와 같이 지구의 다른 탄소 저장소와 교류를 포함한다.

다른 시스템과의 상호작용

주요기사 : 탄소주기
다음에 대한 시리즈 일부
바이오게화학주기
Rock cycle nps 2.png
물 순환
탄소 순환
영양 사이클
록 사이클
마린 사이클
메탄 사이클
기타 사이클
관련 항목
연구단체
Carbon reservoirs and flows
주요 세계 탄소 저장소와 그 사이를 흐른다.[18]

대기 탄소는 해양과 육지 생물권 사이에서 빠르게 교환된다. 이것은 대기는 때때로 싱크대 역할을 하고, 다른 때에는 탄소의 원천 역할을 한다는 것을 의미한다.[1] 다음 절에서는 대기 구성 요소와 지구 탄소 순환의 다른 구성 요소 간의 교환을 소개한다.

지구 생물권

주요 기사: 지상 생물 탄소 순환

탄소는 지상 생물권과 다양한 속도로 교환된다. 자가영양에 의해 이산화탄소 형태로 흡수되어 유기화합물로 전환된다. 탄소는 또한 생물학적 과정의 과정에서 생물권에서 대기 중으로 방출된다. 에어로빅 호흡은 유기 탄소를 이산화탄소로 변환시키고 특정한 유형의 혐기성 호흡은 그것을 메탄으로 변환시킨다. 호흡 후 이산화탄소와 메탄은 대기로 방출된다. 유기탄소는 연소 중에 대기 중으로 방출되기도 한다.[18]

지구 생물권에서 탄소의 거주 시간은 다양하며 많은 요인에 따라 결정된다. 생물권으로 탄소를 흡수하는 것은 다양한 시간 척도에서 일어난다. 탄소는 주로 식물이 자라는 동안 흡수된다. 탄소 흡수 증가 패턴은 낮 동안(야간에 적은 양의 탄소가 흡수됨)과 1년 동안(겨울에는 적은 양의 탄소가 흡수됨)[9] 모두 관찰할 수 있다. 동물의 유기 물질은 일반적으로 호흡으로 많은 양의 탄소를 대기 중으로 방출하면서 빠르게 분해되지만, 죽은 식물 물질로 저장된 탄소는 10년 이상이나 그 이상 생물권에 머무를 수 있다. 다른 종류의 식물 물질은 다른 비율로 부패한다. 예를 들어 목질 물질은 부드럽고 잎이 많은 물질보다 탄소를 더 오래 보존한다.[19] 토양에 있는 활성탄소는 최대 1,000년까지 격리될 수 있는 반면, 토양에 있는 불활성탄소는 1천년 이상 격리될 수 있다.[18]

오션스

주요 기사: 해양 탄소 순환

매년 대양과 대기 사이에서 많은 양의 탄소가 교환된다. 해양-대기권 탄소 교환의 주요 제어 요인은 열성분 순환이다. 대양 상류 지역에서는 깊은 바다에서 나오는 탄소가 풍부한 물이 지표면으로 나와 이산화탄소로 대기로 탄소를 방출한다. 많은 양의 이산화탄소가 높은 위도의 차가운 물에 녹는다. 이 물은 가라앉아 탄소를 더 깊은 바다 수위 속으로 가져온다. 그 수위는 수십 년에서 수 세기 동안 어디든 머무를 수 있다.[1] 해양 순환 사건은 이 과정을 가변적으로 만든다. 예를 들어, 엘니뇨 현상이 일어나는 동안, 깊은 바다 위에서의 웰빙이 적어지면서 대기 중으로 이산화탄소의 배출량이 감소한다.[17]

생물학적 과정은 또한 해양-대기 탄소 교환으로 이어진다. 이산화탄소는 대기와 해양 표면층 사이에서 안정된다. 자가영양제는 광합성이나 호흡을 통해 물에서 이산화탄소를 더하거나 빼면서 이 균형을 변형시켜 물이 더 많은 이산화탄소를 흡수하게 하거나 대기 중으로 이산화탄소를 배출하게 한다.[1]

지구권

탄소는 일반적으로 대기와 지구권 사이에서 매우 천천히 교환된다. 두 가지 예외는 화산 폭발과 화석 연료의 연소로, 두 가지 모두 대기에 많은 양의 탄소를 매우 빠르게 방출한다.[citation needed] 지질 공정을 통해 노출된 신선한 규산염 암석은 풍화작용과 침식작용에 의해 공기에 노출되었을 때 대기 중의 탄소를 흡수한다.[citation needed]

인공적 출처

이산화탄소 배출 및 분할
CO2 배출은 여러 원천이 연이어 증가하면서 발생하였다(글로벌 탄소 프로젝트)
CO2 배출량의 분할은 식물 성장, 토양 흡수, 해양 흡수 등 대부분의 배출물이 탄소 흡수원에 흡수되었음을 보여준다(Global Carbon Project, Global Carbon Project).

인간의 활동은 화석 연료와 다른 유기 물질의 연소를 통해 대기 중의 탄소량을 직접 변화시켜 유기 탄소를 산화시키고 이산화탄소를 발생시킨다.[20][21] 인간이 초래하는 이산화탄소의 또 다른 원천은 시멘트 생산이다. 화석연료의 연소와 시멘트 생산은2 산업시대 초기부터 대기 중 CO가 증가한 주요 원인이다.[9]

대기 탄소 순환에서 인간이 일으킨 다른 변화는 탄소 저장소의 인공적인 변화 때문이다. 예를 들어 삼림 벌채는 탄소를 흡수하는 생물권의 능력을 감소시켜 대기 중의 탄소의 양을 증가시킨다.[22]

인간에 의한 탄소의 산업적 이용은 지질학적으로 매우 새로운 역학이기 때문에 대기 중의 탄소의 공급원과 흡수원을 추적할 수 있는 능력이 중요하다. 그렇게 하는 한 가지 방법은 대기 중에 존재하는 안정적인 탄소 동위원소의 비율을 관찰하는 것이다. 두 개의 주요 탄소 동위원소는 C와 C이다. 식물은 C보다 더 가벼운 동위원소 C를 더 쉽게 흡수한다.[23] 화석연료는 주로 식물성 물질에서 발생하기 때문에 대기의 C/12C 비율은 다량의 화석연료가 연소되어 C를 방출할 때 떨어진다. 반대로 대기 중 C/12C의 증가는 더 높은 생물권 탄소 흡수율을 시사한다.[18] 제조된 화석연료와 시멘트의 CO2 배출량에 비해 대기 중 CO가2 연간 증가되는 비율을 "공기성분수"라고 한다.[24] 공기 분율은 1950년대 이후 약 60%로 매년 대기 중 새로운 이산화탄소의 약 60%가 사람으로부터 발생했음을 보여준다.[9] 명확히 하기 위해, 이것은 대기 중으로 이산화탄소를 흡수하는 것의 60%가 인간의 활동에서 나온다는 것을 암시하는 것이 아니다. 대기권이 연간 210기가톤의 탄소를 교환하지만 손실보다 6기가톤에서 10기가톤을 더 많이 흡수한다는 의미다. 이 순이익 중 약 60%는 화석연료의 연소에 기인한다.

갤러리

  • 얼음 코어(파란색/녹색)와 직접(검은색)에서 측정된 지난 80만 년 동안의 대기 중 CO2 농도.

  • 해양과 육지 싱크대는 화석 탄소 배출의 약 절반을 대기 중으로 가져갔다. 이것이 언제까지 계속될지는 미지수다.[25]

  • CO는2 인간의 활동(왼쪽)에서 대기, 육지, 해양 싱크대(오른쪽)로 흐른다.[4]

  • 인공 탄소 흐름은 1850-2018년(왼쪽)과 2009-2018년(오른쪽)이다.[4]

참조

  1. ^ a b c d e Falkowski, P.; Scholes, R. J.; Boyle, E.; Canadell, J.; Canfield, D.; Elser, J.; Gruber, N.; Hibbard, K.; Högberg, P.; Linder, S.; MacKenzie, F. T.; Moore III, B.; Pedersen, T.; Rosenthal, Y.; Seitzinger, S.; Smetacek, V.; Steffen, W. (2000). "The Global Carbon Cycle: A Test of Our Knowledge of Earth as a System". Science. 290 (5490): 291–296. Bibcode:2000Sci...290..291F. doi:10.1126/science.290.5490.291. PMID 11030643.
  2. ^ Riebeek, Holli (16 June 2011). "The Carbon Cycle". Earth Observatory. NASA. Archived from the original on 5 March 2016. Retrieved 5 April 2018.
  3. ^ Heede, R. (2014). "Tracing anthropogenic carbon dioxide and methane emissions to fossil fuel and cement producers, 1854–2010". Climatic Change. 122 (1–2): 229–241. Bibcode:2014ClCh..122..229H. doi:10.1007/s10584-013-0986-y.
  4. ^ a b c 프리들링스타인, P, 존스, M, 오설리반, M, 앤드류, R, 하우크, J, 피터스, G, 피터스, W, 퐁래츠, J, 시트치, S, 르 퀘레, C. 및 66명(2019년)의 「세계 탄소 예산 2019」. 지구 시스템 과학 데이터, 11(4): 1783–1838. doi:10.5194/essd-11-1783-2019. CC-BY icon.svg 자료는 이 출처에서 복사되었으며, Creative Commons Accountation 4.0 International License에 따라 이용할 수 있다.
  5. ^ a b Masson-Delmotte, Valérie; Zhai, Panmao; Pirani, Anna; Connors, Sarah L.; Péan, Clotilde; Berger, Sophie; Caud, Nada; Chen, Yang; Goldfarb, Leah; Gomis, Melissa I.; Huang, Mengtian; Leitzell, Katherine; Lonnoy, Elisabeth; Matthews, J. B. Robin; Maycock, Tom K.; Waterfield, Tim; Yelekçi, Ozge; Yu, Rong; Zhou, Baiquan, eds. (2021-08-09). "Summary for Policymakers". Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (PDF). IPCC / Cambridge University Press. Archived (PDF) from the original on 2021-08-13. Retrieved 2021-08-09.
  6. ^ a b Tans, Pieter; Keeling, Ralph. "Trends in Carbon Dioxide". NOAA Earth System Research Laboratory.
  7. ^ "What is Ocean Acidification?". National Ocean Service, National Oceanic and Atmospheric Administration. Retrieved 2020-10-30.
  8. ^ A Year In The Life In The Life Of Earth NASA: Goddard Space Flight Center, 2014년 11월 17일
  9. ^ a b c d e f g h Forster, P.; Ramawamy, V.; Artaxo, P.; Berntsen, T.; Betts, R.; Fahey, D.W.; Haywood, J.; Lean, J.; Lowe, D.C.; Myhre, G.; Nganga, J.; Prinn, R.; Raga, G.; Schulz, M.; Van Dorland, R. (2007), "Changes in atmospheric constituents and in radiative forcing", Climate Change 2007: The Physical Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change
  10. ^ a b c Prather, M.; et al. (2001), "Atmospheric chemistry and greenhouse gases", Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change
  11. ^ Keppler, F.; Hamilton, J. T. G.; Brass, M.; Röckmann, T. (2006). "Methane emissions from terrestrial plants under aerobic conditions". Nature. 439 (7073): 187–191. Bibcode:2006Natur.439..187K. doi:10.1038/nature04420. PMID 16407949. S2CID 2870347.
  12. ^ a b Global Observing Systems Information Center (2011). "GCOS Atmospheric Composition ECV: Methane (CH4) and other Long-Lived Green House Gases". Archived from the original on 2012-03-08. Retrieved 2012-06-04.
  13. ^ Platt, U.; Allan, W.; Lowe, D. (2004). "Hemispheric average Cl atom concentration from 13C/12C ratios in atmospheric methane". Atmospheric Chemistry and Physics. 4 (9/10): 2393. Bibcode:2004ACP.....4.2393P. doi:10.5194/acp-4-2393-2004.
  14. ^ Allan, W.; Lowe, D. C.; Gomez, A. J.; Struthers, H.; Brailsford, G. W. (2005). "Interannual variation of 13C in tropospheric methane: Implications for a possible atomic chlorine sink in the marine boundary layer". Journal of Geophysical Research. 110 (D11): D11306. Bibcode:2005JGRD..11011306A. doi:10.1029/2004JD005650.
  15. ^ Born, M.; Dorr, H.; Levin, I. (1990). "Methane consumption in aerated soils of the temperate zone". Tellus B. 42 (1): 2–8. Bibcode:1990TellB..42....2B. doi:10.1034/j.1600-0889.1990.00002.x.
  16. ^ Inman, M. (2008). "Carbon is forever". Nature Reports Climate Change. 1 (812): 156–158. doi:10.1038/climate.2008.122.
  17. ^ a b Denman, Kenneth; Brasseur, Guy; Chidthaisong, A.; Ciais, P.; Cox, P.; Dickinson, R..; Hauglustaine, D.; Heinze, C.; Holland, E.; Jacob, D.; Lohmann, U.; Ramachandran, S.; da Silva Dias, P.; Wofsy, S.; Zhang, X. (2007), "Couplings between changes in the climate system and biogeochemistry", Climate Change 2007: The Physical Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change
  18. ^ a b c d Prentice, I. C.; et al. (2001). "The carbon cycle and atmospheric carbon dioxide" (PDF). Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change: 184–238. Retrieved 2020-06-20.
  19. ^ Concise Environmental Engineering. Bookboon. ISBN 978-87-403-0197-7.
  20. ^ Van Der Werf, G. R.; Randerson, J. T.; Collatz, G. J.; Giglio, L.; Kasibhatla, P. S.; Arellano Jr, A. F.; Olsen, S. C.; Kasischke, E. S. (2004). "Continental-Scale Partitioning of Fire Emissions During the 1997 to 2001 El Nino/La Nina Period" (PDF). Science. 303 (5654): 73–76. Bibcode:2004Sci...303...73V. doi:10.1126/science.1090753. PMID 14704424. S2CID 21618974.
  21. ^ Andreae, M. O.; Merlet, P. (2001). "Emission of trace gases and aerosols from biomass burning". Global Biogeochemical Cycles. 15 (4): 955. Bibcode:2001GBioC..15..955A. doi:10.1029/2000GB001382.
  22. ^ Houghton, R. A. (2003). "Revised estimates of the annual net flux of carbon to the atmosphere from changes in land use and land management 1850-2000". Tellus B. 55 (2): 378–390. Bibcode:2003TellB..55..378H. doi:10.1034/j.1600-0889.2003.01450.x.
  23. ^ Nakazawa, T.; Morimoto, S.; Aoki, S.; Tanaka, M. (1997). "Temporal and spatial variations of the carbon isotopic ratio of atmospheric carbon dioxide in the western Pacific region". Journal of Geophysical Research. 102 (D1): 1271–1285. Bibcode:1997JGR...102.1271N. doi:10.1029/96JD02720.
  24. ^ Keeling, C. D.; Whorf, T. P.; Wahlen, M.; Van Der Plichtt, J. (1995). "Interannual extremes in the rate of rise of atmospheric carbon dioxide since 1980". Nature. 375 (6533): 666. Bibcode:1995Natur.375..666K. doi:10.1038/375666a0. S2CID 4238247.
  25. ^ Lynch, Patrick (12 November 2015). "GMS: Carbon and Climate Briefing - 12 November 2015". National Aeronautics and Space Administration. Goddard Media Studios. Retrieved 7 November 2018.

외부 링크