2019-10-02 09:13:02
科学家量化全球火山二氧化碳的排放估算地球上的总碳

科学家们说,火山,碰撞和扩散的大陆和海洋板块,以及其他通过创新高科技工具重新研究的现象,为地球最深处的工作提供了重要的新鲜见识。

为了总结和庆祝10月24日至26日在华盛顿特区的美国国家科学院举行的为期10年的深碳观测站计划,DCO的拥有500名成员的Reservoirs and Fluxes小组今天概述了从现在到数十亿年的一些关键发现。过去的几年从地球的核心到大气,从单个火山到五大洲的规模。

在许多广泛的发现中,概述并总结了在Elements期刊上发表的一系列论文:

地球总碳的1%的十分之二(约43,500千兆吨(Gt))位于海洋,陆地和大气层的表面上方。其余部分在地下,包括地壳,地幔和岩心,总计约18.5亿吨

如今,估计每年从火山和其他岩浆活动区域向大气和海洋排放的二氧化碳为280至3.6亿吨(0.28至0.36 Gt),包括从洋中脊向海洋释放的二氧化碳

人类每年通过燃烧化石燃料和森林等所产生的碳排放量是所有火山排放量的40至100倍

地球深层的深层碳循环显示出大气中CO2的平衡,长期稳定性,并受到大的干扰(包括在过去5亿年中至少发生过五次的岩浆的灾难性释放)的破坏。在这些事件中,大量的碳被除气,导致更温暖的气氛,酸化的海洋。和大灭绝

同样,6,600万年前的一次巨大的流星撞击,对墨西哥尤卡坦半岛的Chicxulub滑石撞击,释放出425至1,400 Gt的二氧化碳,迅速使地球变暖,并伴随着动植物的大规模灭绝(> 75%),包括恐龙。在过去的100年中,人为活动(例如燃烧化石燃料)的排放量是地球地质碳排放量的40至100倍

监测站或无人驾驶飞机可以嗅探出火山气体的成分从有气味的(从模拟到燃烧的火柴)二氧化硫(SO2)向富含无味,无色的CO2的气体转变,以预先警告喷发-有时数小时,有时数月提前。具有实时监控功能的喷发预警系统正在向前发展,以利用二氧化碳与二氧化硫的比率发现技术,该技术于2014年首次得到肯定

英国剑桥大学DCO科学家玛丽·埃德蒙兹(Marie Edmonds)说:“碳是人类赖以生存的一切生命和能源的基础,它从地幔到大气层遍及整个星球。为了确保可持续的未来,这是最大的努力我们了解地球整个碳循环的重要性。”

“揭开地球自然碳循环的关键是量化从深地球储层到地表再到地表的碳量以及其移动量,通量和速度。

美国新墨西哥大学的同事托比亚斯·菲舍尔(Tobias Fischer)补充说:“深碳天文台对地球的内部运作有深入的理解。它的1500多种出版物的集体不仅增加了已知的知识,而且对已知的知识建立了限制,也许是不可知的。”

“在庆祝进步的同时,我们强调深地球仍然是一个高度不可预测的科学前沿;我们真正才刚刚开始缩小我们知识的当前边界。”

地球包含多少碳?

科学家早就知道地球内部的碳以各种固体,流体和气体的形式存在。这些材料中的一些涉及碳与氧(例如二氧化碳),铁(例如碳化物),氢(例如干酪根,煤,石油和甲烷)和其他元素(例如硅,硫和除元素碳(例如石墨和金刚石)外,还可以使用氮)。

深碳天文台的科学家强调,对下地幔和岩心中总碳的认识仍是推测性的,随着研究的继续,这些数字肯定会在准确性上不断发展。话虽如此,专家(特别是Lee等人,2019年)估计地球上的碳储量如下:

根据数字:目前的最佳估计,地球上的碳

18.5亿千兆吨(1.85 x 10亿x 10亿吨):地球上的总碳

分解:

1,845,000,000(18.45亿)Gt:地下总碳

1,500,000,000(15亿)Gt:下地幔中的碳:

315,000,000(3.15亿)Gt:大陆和海洋岩石圈中的碳

30,000,000(0.03亿)Gt:上地幔中的碳

43,500 Gt:海洋,陆地和大气中地表以上的总碳(占地球总碳的1/10的2/10)

37,000 Gt:深海碳(占表层碳的85.1%)

3,000吨:海洋沉积物中的碳(6.9%)

2,000 Gt:陆地生物圈中的碳(4.6%)

900 Gt表面海洋中的碳(2%)

590 Gt:大气中的碳(1.4%)

火山释放二氧化碳

DCO专家最新估计,地球每年通过火山和其他地质过程(例如加热山区的石灰石)排放的二氧化碳总量约为300至4亿公吨(0.3至0.4 Gt)。

仅火山和火山地区每年就释放出280-3.6亿吨(0.28至0.36 Gt)的二氧化碳。这包括活动火山口,通过火山区,火山湖以及中洋海岭系统中的土壤,断层和裂缝引起的二氧化碳的广泛扩散,广泛释放而产生的二氧化碳。

在世界许多地区,构造放气(山脉地带和其他板块边界的排放物),特别是在夜晚凉爽的气温下,会导致接近地面的危险二氧化碳水平,足以使牲畜窒息而死。

根据DCO研究人员的说法,除了数百万年的罕见例外,从地球地幔中释放出的碳量一直与通过向下俯冲构造板块和其他过程而返回的碳量保持相对平衡。

碳灾难

尽管俯冲作用掩埋的碳量以及火山和构造裂缝释放的碳量通常处于稳定状态,但在过去的5亿年中,大约有四倍被大型火山事件(100万平方公里或更多平方公里)的出现所破坏。 (加拿大地区)岩浆在数万年至100万年的时间范围内释放。

这些“大火成岩省”对大量的碳进行了脱气(估计高达30,000 Gt,大约相当于如今地表43,500 Gt碳的70%)。

碳循环失衡会导致全球快速变暖,硅酸盐风化率的变化,水文循环的变化以及栖息地的总体快速变化,这些变化可能会导致地球自身重新平衡而导致物种灭绝。

小行星/流星(爆炸物)也造成了类似的碳灾难,例如,六千五百万年前在中美洲尤加坦地区发生的巨大奇克斯库布撞击-恐龙和当时大多数其他动植物灭绝的事件被归属。

澳大利亚研究人员Balz Kamber和Joseph Petrus表示:“ Chicxulub事件……极大地破坏了大气中气候活性气体的预算,导致短期突然降温和中期强烈变暖。”

“因此,在迅速破坏C(碳)循环并可能超过临界扰动大小方面,一些大型的硼化物撞击与人类世相当。”

火山连接

DCO专家估计,自上一个11700年前的冰河时代以来,活跃的1500座火山中约有400座今天正在排放二氧化碳。另有670个可能正在产生扩散排放,其中102个已经记录在案。其中,自更新世时期(距冰河时代250万年前)以来尚未爆发的22座古火山正在释放大量气体。因此,所有年轻和非常老的火山都可能排放二氧化碳。

当今世界上许多最活跃的火山的二氧化碳,二氧化硫和硫化氢的排放率现已量化,这在一定程度上要归功于微型,耐用,廉价仪器的发展。

几座火山已经与永久性气体仪器监测站连接在一起,以获取实时数据读数,从而改善了美国,意大利,哥斯达黎加和其他地方的政府和大学的监测。现在,在五大洲的火山上存在约30个协同操作的气体监测站,它们可以持续监测排放。

在DCO的DECADE(深层碳除气)子小组的科学家的引领下,这些技术和装置帮助彻底改变了无法接近或危险的火山爆发地点的数据收集。将获得的数据与历史悠久的地面和卫星系统的读数相结合。

最近的研究表明,如今被大量释放出可测量的CO2的火山数量增加。 DECADE研究人员在2013年估计有150个,确认了200多个火山系统在2005年至2017年之间排放了可测量的CO2量。其中,有多个超薄脱气超区域得到了记录(例如,黄石,美国,东非非洲的裂谷和中国的Technong火山省(仅举几例)。如今,与活性火山口相比,扩散脱气被认为是二氧化碳的来源。

DCO的遗产包括:一个新数据库,用于捕获来自全球火山和非火山源的二氧化碳通量的信息。

火山低语:排放的SO2与CO2之比的变化可以预示喷发

全世界越来越多的受良好监测的火山的研究为火山喷发相对于火山放气成分的时机提供了重要的新见解。

对五个火山进行的全年监测显示,火山喷发前数小时至数月内,火山气体中二氧化碳相对于二氧化硫的水平发生系统性变化。记录有这种模式的火山包括Poas(哥斯达黎加),Etna和Stromboli(意大利),Villarica(智利)和Masaya(尼加拉瓜)。

同样,在美国基拉韦厄岛(夏威夷)和雷杜堡火山(阿拉斯加)大规模喷发之前的几个月到几年中,二氧化碳与二氧化硫的比率发生了显着变化,这表明监测气体成分(通常是无形羽状流)提供了一种新的喷发预测工具,在某些情况下,火山地震活动或地面变形先于先兆。

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