실리카 사이클

Silica cycle
현대 해양의 실리콘 순환과 균형 [1]
입력, 출력 및 생물학적 실리콘 플럭스(균형 포함) 총 실리콘 입력 = 각 플럭스의 개별 범위(F)와 합당한 수준으로−1 총 실리콘 출력 = 15.6Tmol Si yr) 흰색 화살표는 용해된 규산(dSi) 및/또는 용해 가능한 아모르퍼스 실리카(aSi)의 순원 및 dSi 재활용 플럭스의 플럭스를 나타낸다. 주황색 화살표는 실리콘의 싱크 플럭스를 나타내며, 생물학적 실리카 또는 Authigenic 실리카로 표현된다. 녹색 화살은 생물학적(용기적) 유속에 해당한다. Treguer & De La Rocha가 발표한 플럭스 값.[1] 연간 실리콘 테라몰의 플럭스.

실리카 사이클은 생물 유발 실리카가 지구의 시스템들 사이에서 운반되는 생물 지질화학 사이클이다. 오팔실리카(SiO2)는 실리콘의 화학 화합물로 이산화규소라고도 불린다. 실리콘은 생물 필수 원소로 여겨지며 지구상에서 가장 풍부한 원소 중 하나이다.[2][3] 실리카 주기는 탄소 주기와 상당히 겹치며(탄산염-규산염 주기 참조) 지질 타임칼립에 스며들면서 대륙 풍화, 생물학적 수출 및 매립을 통한 탄소의 격리에도 중요한 역할을 한다.[4]

개요

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

우주에서 일곱 번째로 풍부한 원소인 실리콘은 지구 표면에서 두 번째로 풍부한 원소다. 대기 CO의2 제어의 핵심 과정인 CO가 풍부한2 빗물에 의한 지구 지각의 풍화작용은 수용성 환경에서 규산(dSi; Si(OH)4의 발생을 초래한다.[5][6] 규산어는 가장 중요한 수생 유기체 중 하나이며 미생물(예: 규조류, 리자리아, 규조플라겔라테이트, choanoflagellate, 여러 종의 choanoflagellate)과 거시 유기체(예: 규조 해면체)를 포함한다. 규산기는 dSi를 사용하여 내부 구조[7] 및/또는 외부 구조로 생체 유발 실리카(bSi; SiO2)를 침전시킨다.[8] 규조류(diatoms)와 같은 광합성 실리콘은 질소(N), 인(P), 무기탄소(C)와 결합하여 전 세계적으로 방대한 양의 실리콘을 소비하고 있으며, 이러한 원소의 생물 지질화학학을 연결하고 해양에서 대기 중 CO의2 분리에 기여하고 있다.[9] Rhizarians, choanoflagellate, spane과 같은 이질성 유기체는 C와 N의 광자극성 처리와는 독립적으로 bSi를 생성한다.[10][8][11][1]

해양식품 거미줄, 생물화학주기, 생물탄소펌프의 기능을 이해하려면 실리콘 사이클을 이해하는 것이 중요하다. 규산은 위의 도표에서 나타낸 바와 같이 여섯 가지 경로를 통해 바다로 전달되는데, 모두 궁극적으로 지구의 지각의 풍화작용에서 비롯된다.[12][1]

육상실리카 사이클링

marine and terrestrial silica cycle
실리카 사이클에 대한 해양[13] 및 육상[3][14][15][16][17] 기여도가 표시되며, Tmol Si/yr 단위로 제공되는 상대 이동(플룩스)이 표시된다.[18] 해양 생물학적 생산은 주로 규조류에서 나온다.[19] 하구의 생물학적 생산은 해면류 때문이다.[20] Treguer & De La Rocha가 발표한 플럭스 값.[18] 규산염 암석의 저장 크기는 선원 섹션에서 논의한 바와 같이 1.5x1021 Tmol이다.[21]

실리카는 지상 생물권의 식물, 나무, 풀에 의해 이용되는 중요한 영양소다. 규산염은 강으로 운반되어 각종 규산성 다형체의 형태로 토양에 침전될 수 있다. 식물들은 식물석 형성을 위해 HSiO의44 형태로 규산염을 쉽게 흡수할 수 있다. 식물석은 식물의 구조적 건전성을 돕는 식물 세포 안에서 발견되는 아주 작은 강체 구조물이다.[2] 식물석은 또한 실리카가 풍부한 식물을 효율적으로 소비하고 소화할 수 없는 초식동물에 의해 식물을 소비로부터 보호하는 역할을 한다.[2] 식물석 분해나 해체로 인한 실리카 방출은 전 세계 규산염 광물 풍화보다 두 배 높은 비율로 발생할 것으로 추정된다.[3] 생태계 내 생물화학 순환을 고려할 때 육상 생태계를 오가는 규소의 수출입은 미미하다.

원천

규산염 광물은 지구 표면의 약 90%를 구성하는 지구 전체의 암석 형성에 풍부하다.[4] 지구 생물권에 대한 규산염의 주요 공급원은 풍화작용이다. 이러한 풍화작용에 대한 화학반응의 예는 다음과 같다.

월라스토나이트(CaSiO3)와 엔스타타이트(MgSiO3)는 규산염 기반 광물의 예다.[22] 풍화과정은 지질학적 시간대에 탄소 분리 작용을 위해 중요하다.[3][22] 풍화 과정과 속도는 강우, 유출, 식생, 석판학, 지형에 따라 가변적이다.

싱크대

지상의 실리카 사이클의 주요 싱크대는 강에 의한 대양 수출이다. 식물성 물질에 저장되거나 용해된 실리카는 강으로 바다로 수출될 수 있다. 이 수송의 속도는 대략 6Tmol Si yr이다−1.[18][3] 이것은 육상 실리카 사이클의 주요 싱크대일 뿐만 아니라 해양 실리카 사이클의 가장 큰 원천이다.[18] 지상의 실리카를 위한 작은 싱크대는 규산염으로, 지상의 퇴적물에 침전되어 결국 지구의 지각으로 수출된다.

Riverine 및 Aeolian 기여

해수에서 실리콘 해체를 제어하는 저온 공정 [1]

세계 하천 유량의 60%와 배출가중 평균 dSi 리버라인 농도 158µM-Si를 나타내는 데이터를 바탕으로 dSi의 강하 입력(FR)에 대한 최선의 추정치는 FRdSi=6.2 (±1.8)Tmol Si yr로−1 유지된다.[23][12] 그러나 dSi는 결정화 또는 비정형 형태로 미립자 Si가 동원되는 등 지상으로부터 강하계로만 전이되는 것이 아니다.[23] 2007년 사코네 등에 따르면 '아모르퍼스실리카'(aSi)라는 용어는 바이오제닉실리카(bSi, 식물석으로부터 나온 bSi, 담수다이아톰, 스펀지 스피쿨레스), 변형 bSi, 페데제닉실리카(pedenogen siliques) 등을 포함하며, 이 세 용해도와 반응도가 유사할 수 있다.[24] frings 등은 2016년 frings 등이 fraSi=1.9(±1.0) tmol si yr의−1 값을 제시한 바 있다.[25] 따라서 총 FR=8.1(±2.0) Tmol Si yr−1.[1]

Treguer와 De La Rocha가 2013년 강수를 통해 분해 가능한 실리카의 유동과 dSi의 습식 침적을 집계한 이후 해양으로의 분진 침적과 이후 dSi의 방출에 대해서는 아무런 진전이 없었다.[12] 따라서, dSi의 아이올리언 플럭스에 대한 최선의 추정치는 0.5(±0.5) Tmol Si yr로−1 유지된다.[1]

오른쪽의 도표는 해안지역과 심해에 있는 바닷물의 (무형성 또는 결정화된) 규산 광물의 용해를 제어하는 저온 공정의 개략도를 보여 주며, 해저 지하수(FGW)와 해수와 퇴적물(FW)에 용해된 실리콘을 공급한다.[1] 이러한 과정은 해안 구역,[1] 대륙 여유 및 심연에서 주어진 규소 입자의 부피 당 소산된 저 에너지 유동과 중 에너지 유동과 파도 구역에서 소산된 고 에너지 유량에 해당한다.

마린실리카 사이클링

규산염과 방사선과 같은 해양의 규산성 유기체는 용해된 규산을 오팔실리카로 만드는 일차적인 싱크대다.[19] 바다에 용해된 Si 분자의 3%만이 매년 수출되어 해저의 해양 퇴적물에 영구적으로 침전되어, 실리콘 재활용은 바다에서 지배적인 과정임을 입증한다.[3] 이러한 급속한 재활용은 물기둥의 유기물에서 실리카의 용해에 의존하고, 광자 영역에서 생물학적 흡수가 뒤따른다. 실리카 생물 저수지의 추정 거주 기간은 약 400년이다.[3] 오팔실리카는 세계 대양에 주로 적게 분포되어 있다. 이러한 과소화는 지속적인 재활용과 긴 거주 시간의 결과로 급속한 해체를 촉진한다. Si의 예상 이직 기간은 1.5x10년이다4.[18] 바다 내 실리카의 총 순투입과 출력은 각각 9.4 ± 4.7 Tmol Si yr−1 및 9.9 ± 7.3 Tmol Si yr이다−1.[18]

광자대에서 발생하는 생물학적 실리카 생산량은 240 ± 40 Tmol Si년으로 추정되며,[18] 지표면 해체는 약 135 Tmol Si Year를−1 제거하고, 나머지 Si는 침하 입자 내 심해로 수출된다.[3] 심해에서는 또 다른 26.2 Tmol Si해가−1 녹은 후 침전물에 오팔 비로 침전된다.[3] 여기 실리카의 90% 이상이 용해되고 재활용되며 결국 다시 유향 지역에서 사용할 수 있게 된다.[3]

원천

해양실리카의 주요 공급원은 강, 지하수 유동, 해저 풍화 입력, 열수 분출구, 대기 퇴적물(아올리언 유동) 등이다.[22] 강은 해양 환경에 가장 큰 실리카 공급원으로, 바다에 전달되는 실리카의 최대 90%를 차지한다.[22][18][27] 해양 생물학적 실리카 순환에 대한 실리카의 원천은 깊은 바다와 해저에서 자라나 재활용된 실리카다.

싱크대

심해저 침적은 해양 실리카 사이클(6.3±3.6Tmol Si 연도−1) 중 가장 큰 장기 침수로, 실리카의 출처에 의해 해양으로 대략 균형을 이룬다.[22] 심해에 퇴적된 실리카는 주로 실체성 오수체의 형태로, 결국 지각 아래에 하류되어 상부 맨틀에 변성된다.[28] 맨틀 아래에는 규산염 광물이 스며들어 형성되어 결국 표면으로 올라간다. 표면에서 실리카는 풍화 작용을 통해 다시 사이클로 들어갈 수 있다.[28] 이 과정은 수천만 년이 걸릴 수 있다.[28] 바다에서 실리카의 다른 주요 싱크대는 대륙 여백(3.6 ± 3.7 Tmol Si 연도)을 따라 매립하는 것 뿐이며, 주로 실리카 스폰지의 형태로 매장된다.[22] 출처와 싱크 추정치의 불확실성이 높기 때문에 해상 실리카 주기가 평형 상태라면 결론을 내리기 어렵다. 바다 속 실리카의 거주 기간은 약 1만 년으로 추정된다.[22] 실리카는 또한 체르트가 되어 영구적으로 매장됨으로써 사이클에서 제거될 수 있다.

인공적 영향

지난 400년 동안 농업의 증가는 노출암과 토양을 증가시켰고, 이로 인해 규산염 풍화율이 증가했다. 이에 따라 토양에서 아모르퍼스 실리카 주식의 침출도 증가해 하천에서 용해된 실리카의 농도가 높아졌다.[22] 반대로 댐의 증가는 댐 뒤의 담수 규조류에 의해 바다에 대한 실리카 공급의 감소로 이어졌다. 인공적인 질소와 인의 부하로 인한 비실리성 식물성 플랑크톤이 우세하고 따뜻한 수역에서의 실리카 해산이 강화되어 향후 실리콘 해양 침전물 수출을 제한할 가능성이 있다.[22]

2019년에 한 과학자 집단은 산성화가 남양의 규산 규산염 생산을 감소시킬 것이라고 제안했다.[29][30]

디아톰
방사선의
규산 해양의 변화는 실리카 껍데기를 만드는 해양 미생물을 어렵게 만들 수 있다.

기후조절의 역할

실리카 주기는 장기적 지구 기후 규제에 중요한 역할을 한다. 글로벌 실리카 사이클은 탄산염-실리케이트 사이클을 통한 글로벌 탄소 사이클에도 큰 영향을 미친다.[33] 규산염 광물 풍화 과정은 위에 표시된 화학 반응을 통해 대기 중 CO를2 수문학적 순환으로 전달한다.[4] 지질학적 시간 계산에 따르면 지질학적 활동으로 인해 풍화 속도가 변화한다. 상승률이 높은 시기에는 규산염 풍화 현상이 증가하여 CO2 흡수율이 높아지며 지질 활동과 관련된 화산 CO2 배출량이 증가하여 상쇄된다. 풍화산과 화산의 이러한 균형은 지질학적 시간 척도에 대한 온실 효과와 해양 pH를 조절하는 것의 일부분이다.

참고 항목

참조

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