地球科学

岩石改变,地球恒温器

在过去的1500万年里,全球气候逐渐冷却了几度。为什么 ?通过从大气中捕获二氧化碳,在这种演变中发挥的岩石的化学轧制是至关重要的作用,现在更好地确定。

Friedhelm Blancknenburg.
本文保留用于科学用户

什么计划ète singulière que la Terre !!它的表面被覆盖à 70 % par de l’差不多é des 4,5 milliards d’années d’histoire géologique, est resté液体。幸运的是 :如果冰有régné sur Terre, comme c’目前是火星的情况,没有生命’aurait été possible ; et si toute l’eau s’était trouvée dans l’atmosphè以蒸汽的形式,如c’目前是v的情况é赤裸裸的紫外线将分离é les molécules d’eau en hydrogène et oxygè尽管如此échappés dans l’espace, et la vie n’aurait pas non plus été可能的。事实上,它règne sur Vénus une température d’environ 470 °C, en raison de l’effet de serre dû à une atmosphère surtout composéE二氧化碳。相比之下,温度é自TR以来,地球的平均地球è长在0到100之间的范围内 °C, ce qui a été favorable à生活。但为什么这么做 ?

地球的简单热评估表明这个n’a rien d’évident. À我们计划的表面èTE,太阳辐射是热的主要来源。如果是’假设地球完全吸收’énergie lumineuse, c’est-à-dire si l’on suppose qu’elle est un « corps noir », le calcul aboutit à une température moyenne (à地球表面)为5 °C.然而,我们的计划ète est loin d’être un corps noir :云,冰川和地板réfléchissants des dé等等,等等,参考’入射太阳辐射的空间部分。 L.’一套这些辉煌的领域有助于à élever l’albédo terrestre, c’est-à - 重型关系’énergie lumineuse réfléchie vers l’espace et l’é偶然的能量。如果是’on tient compte de l’albé土地,计算引线à une tempé地球意味着地球’environ – 18 °C, ce qui implique l’absence d’eau liquide.

金色的金色érature moyenne est d’environ 15 °C. Nous la devons à un autre phénomène physique : l’温室效应。实际上,所有的光ère renvoyée vers l’espace n’y parvient pas :辐射的一部分从摩尔中遇到écules (H2 o,CO. 2 CH. 4 O. 3, 等)将其送回陆地表面。通过这个温室效应,’atmosphère se réchauffe d’autant plus qu’它包含更多的气体,该气体具有返回辐射的功率。今天’hui, la vapeur d’eau est à l’origine d’environ 60 % de l’温室效果,虽然二氧化碳份额(CO2)构成26. %。温度的变化é在它的历史中的地球来自’温室效应,主要是éterminé由大气层érique en CO2.

前’è工业,合作社2 atmosphé主要来自é火山气体任务。今天’hui, ces émissions s’élèvent à environ 0,55 十亿吨的有限公司2 每年(比较,2019年,é人为任务étaient de 37 数十亿吨,公关ès de 70 fois plus !)。知道火山émettent du CO2 depuis les débuts de l’地球的历史,为什么这种气体不是’est-il pas accumulé到了潜水的角度ète dans un enfer brûlant, comme sur Vénus ?

r.éponse réside dans la « météorisation » (风化 用英语),术语那désigne l’alté岩石ration by l’水,化学剂’它包含,大气气体é临时变体é成熟,生物体,l’érosion éolienne, etc. La météorise具有d的效果é组成硅酸盐岩石ées en composé溶于水和固体résiduels qui s’积聚在土壤中。但是météORISE ABSORBS CO.2 présent dans l’atmosphère,因此抵消了’不断加入co.2 par les volcans.

怎么了été岩石岩石岩石é它消耗了co2 ? En réagissant avec l’水,二氧化碳大气压érique for少量és d’acide carbonique (H2 CO. 3) S.’下雨,这种弱酸达到了地面。接触与硅酸盐岩石ées, l’碳酸部分溶解分钟é它们是形成的主要过程és,如云母(硅酸盐d’铝和钾在传单中)和长石(铝硅酸钠,钾和钙,构成分钟éraux les plus fré在地球上)。这个过程是très lent : typiquement, il n’使用岩石比5à 100 millimètres par millé。但是,ré化学作用l’accompagne libè钙离子(CA. 2+)和摩尔ésium (Mg2+哪个,与’ion hydrogénocarbonate (HCO3) 来自’碳酸,是车队és dans l’océ一年径流。

Là, l’离子钙结合在一起’ion carbonate (CO32–形成方解石(Coco3) ;然后,超过数以万计的’annéES,方解石晶体éposé在海底的底部变成石灰石。这个过程是à l’OC碳汇的起源éaniques : le CO2消耗é par la météorforement通过数亿’années hors de l’atmosphère, piégé以石灰石的形式。所以,如果火山加入co2在L.’atmosphère, l’alté摇滚配量减去和sé查询OC碳汇éaniques.

这些图像说明了CO2的地质循环。在左侧,一个源的一个例子:火山的排放量含有CO2.在右侧,从大气二氧化碳提取的反应器:岩石在改变过程中。请注意,即使仍然存在化学侵蚀花岗岩块,土壤已经被广泛改变。在右下方,其中一个海洋碳汇:珊瑚礁。

火山:©Mike Doukas Via Usgs;地板:©F. Von Blanckenburg,GFZ Potsdam;珊瑚:©shutterstock.com/sarah_lewis

自D.é地球的目标,é火山任务de CO2 ont toujours été contrebalancé由oc碳汇éaniques. C’是保证的’atmosphè随着气候,气候休息és favorables à la vie. Cet équilibre nécessaire n’但是,不需要’ê严格é chaque année. Il suffit qu’il le soit sur une période de temps supérieure ou à peu près é大风在s的平均时间éjour d’une molécule de CO2在L.’atmosphèRe(时间从他的时间里 é火山的使命’à其化学品消耗)。

期间’Holocène, c’est-à - 最后10个 000年,这次éjour a été d’environ 250 000 ans. C’est plutôt court si l’on considè作为大气层的内容érique en CO2 因此气候正在休息é稳定数百万’années。那么所有的公司如何2 atmosphérique n’ait pas été consommé几十万’annéES,例如下面’effet d’une mété或两倍多 ? Ou, à l’反向,为什么火山中的可持续增加’她不改变é la Terre en four ?

恒温器G.éologique

mécanisme qui é平衡退出和’ajout de CO2在L.’atmosphèRe是控制循环循环的一部分ô谁熟悉我们è使用一些机器,réfrigé例如。如果是’我们打开了喝酒的大门’arrivée d’air extérieur réchauffe l’intérieur ; le thermomètre é电子产品然后订购压缩机冷却冷却液,这将是élever des calories à l’intérieur du réfrigé这个过程持续到’à ce que l’inté还要再次à la température programmée。这种类型的控制回路ôle fonctionne grâce à une rétroaction, en d’autres termes à返回的行动’un signal.

在陆地气候机器中,rétoation来自mété岩石的设计。假设’une activité增加了Tecton Cr.é在边境的更多火山è构造板块。更多co.2 est alors libéré dans l’atmosphè重新,增加了’effet de serre ; la température moyenne s’élève ; davantage d’eau s’évapore alors des océans, de sorte qu’下雨并在大陆上溪流。这些博士学位énomènes accélèrent l’alté摇滚竞争,转弯 éLimine Co Co.2的’atmosphère, d’où une diminution de l’温室效果,因此冷却…

这个r.égulateur de tempé成熟也在工作’autre sens :例如,冰盖éveloppent aux pôles, l’albé地球增加,这很酷气候 ; dèS何时,较少的蒸汽形成在OC上方éans, de sorte qu’下雨并减少了雪,从而减慢了météorisation ; moins de CO2 étant éliminé de l’atmosphèRe,地球开始了à se réchauffer…

这令人着迷的M.écanisme de ré自然守护是恒温器gé地球的。它存在n’并不意味着数量é de CO2 atmosphé因此温度érature moyenne à地球表面仍然存在été les mê我的。做r的数量é动作恒温器相反不断变化é,取决于减少和增加é火山任务或因为山地形成增加’altération des roches.

一种équation diffé简单的重置转换了数量的变化é Q CO. .2 atmosphé根据CO的来源和井2 : dQ/dt = V – M = V – k [Co. 2]

在这方面équation, d Q / dt 是数量的变化é de CO2 atmosphérique par unité de temps v,五  est la quantité de CO2 火山增加了à l’atmosphère par unité de temps, M est la quantité de CO2 retirée de l’atmosphère par la météorisation, par unité de temps ; [CO2]é发送了难以置信é二氧化碳 ; et k 是一个常数ré转化CO倾向的行动2 atmosphérique à être consommé par la météorisation, en d’autres termes la réactivité陆地表面(注意大幅度 Q, V, M 和 [CO2], 甚至 k,是时间的函数 t

Un équilibre apparent

当。。。的时候émissions et la séquestration de CO2 s’équilibrent, c’est-à-dire quand VM sont égales, d Q / dt 是零。所以tempé地架仍然适合,这état « stationnaire » des échanges de CO2 在艰难时必须坚持ée déjà citée de quelque 250 000 ans, à一些百分比的Pr.ès。虽然火山不断介绍CO2在L.’atmosphère et que l’alté岩石饲料不断消除气氛浓度é二氧化碳几乎保持恒定。

两个因素可以扰乱这一点équilibre :突然增加或减少é火山的任务,或者变体’alté硅岩的化学配给ées。例如,如果é火山任务减少,气氛集中érique de CO2 衰退。它使它降低’alté岩石饲料,然后吸收较少的合作2直到’à ce qu’un nouvel équilibre s’介绍,氛围érique de CO2 inférieure à初始浓度。如..所示é plus haut, la durée d’un état d’équilibre est de l’ordre de 250 000 ans.

考虑到简单方程Dq / dt = V-m = V-k,由于火山的CO 2发射或陆地表面的化学反应性的改变而导致的反馈可以用CO 2发射来图形地图形地。 [CO2]其中DQ / DT表示大气中CO2量的时间随时间的变化。首先,通过化学腐蚀反应K的常数,首先展示如何通过VOLCANOES通过恒定的恒定改变电火山的CO2发射V的变化。在平衡下,DQ / DT = 0,所以V等于M,通过岩石的天气吸收二氧化碳。这里v(或m)在图的垂直轴上承载。

左图的图表显示了火山发射V中下降的情况。然后,由于大气浓度[CO2]降低(黄点),地球系统暂时不平衡。通过气象化(M)减少CO 2减少,直到系统再次平衡(位置2),但在对应于V的新值的较低的[CO2]浓度下。

右图显示了当反应常数K增加时会发生什么,例如由于岩石腐蚀增加。该量M = k [CO2]然后暂时高于V(黄点)。然而,在此处也将恢复平衡,因为浓度[CO2]将降低这种方式,即在最后,统治相同的改变率M,但具有较低的[CO2]浓度。

根据F.VonBlanckenburg,GFZ Potsdam的说法,©Spektrum der Wissenschaft. / Emde-Grafik

在其历史中,地球已知这样évolutions du CO2 atmosphé。我们知道这一点’au début de l’Éocène, il y a 52 millions d’années, notre planète était environ 10 °C plus chaude qu’à la fin de l’Éocène, il y a 35 millions d’années, et que l’atmosphèRE包含大约3个 000份百万(或ppm)的CO2。另一方面,à l’époque pré工业,CO水平2 était faible :280 ppm。事实上,在过去的1500万’années, la tempé世界平均架子在全球范围内减少了é régulièrement ; elle a baissé d’environ 3 °C在过去500万期间’années. En conséquence, il y a 2,5 millions d’années, d’é冰川帽标准已开始é à se former périodiquement dans l’hémisphère Nord : ce sont les « 第四纪冰川 ».

PLS.

敏锐é蝙蝠持续了二十多年的原因,因为这种长冷却。根据这一点é谁拥有最多的党派,训练大型山脉如l’喜马拉雅州,安第斯山山脉或阿尔卑斯山已经进入îné全球增加了été岩石岩石岩石ées. La quantité de CO2 atmosphé然后会减少é, et l’atmosphè回复会被冷却。

一种faille dans la théorie dominante

但是,1997年,Géochimistes améRicins Robert Berner和Ken Caldeira吸引了é l’对此的重大错éorie : ils ont montré qu’une é还概念érable de la mété岩石本来就是ès vite déséquilibré脆弱的共同平衡2, 这é火山任务étant restées au mê我的水平。在这方面èSE,它几乎不应该留在CO2在L.’atmosphère et une Terre « boule de neige » aurait dû形式。但那不是’est pas produit.

了解O.ù se niche le problè在这个推理中,你必须知道什么是什么’est déroulé dans l’atmosphère et à过去1500万的土地面积’années。询问’气候历史,Géologues é学生档案馆é。他们正在寻找dépôts d’â已知,然后提取有关物理量字符的信息é崛起的气候通行证és : tempé表面架,组成’atmosphè例如。数量的测量és d’稳定的同位素’oxygè在海洋基金的石灰石壳中的NE允许例如Dé间接地完成覆盖地球的巨大冰川群众à几次,’en déduire la tempé地球的中等成本 : comme nous l’avons indiqué, elle n’a cessé过去1500万’années.

数量的测量és d’同位素稳定硼在s中édiments océanic也教导了大气集中érique de CO2 a diminué在过去的1500万’années. Elle est passée d’environ 550 ppm à 280 ppm au début de l’Holocène, il y a 10 000年,然后是休息ée相对较常,直到’au début de l’工业化,在中间 XVIII. e siè钥匙。这减少了CO的浓度2 a été足以解释冷却。

但是,一个新的指标骗局çu en 2014 avec mon é团队,同位素比率 10 是 / 9béryllium dans les sédiments océaniques, a posé une nouvelle énigme. D’aprè这个指标,率’alté岩石的化学品质是休息é在过去的1500万期间常数’anné冷却。此外,grâ这是对构造运动的重建,我们知道é火山任务N.’ont pas diminué pendant la même période.

Dè什么时候,临时如何é成熟和CO的浓度2 如果既不是é火山任务 (v) ni le taux de météorisation (m) n’ont changé pendant 15 millions d’années ?杰里米洞·瑞恩斯坦,来自’École polytechnique fédé苏黎世,丹伊瓦拉,的’université Stanford, et moi-mê我用了r的原理é2019年,提出的人员,是’idée que cela s’解释了r的增加éactivité陆地表面,c’est-à-dire du facteur k figurant dans l’équation différentielle donnée CO平衡表的顶部2 atmosphérique .

是的,àCO的浓度2 donnée, k augmente, l’é岩石的化学玫瑰’暂时加剧,从公司退出2 的’atmosphère ; par conséquent, si l’activité volcanique n’不同时增加é它仍然较少2 atmosphé可用于R.é与岩石行动,减慢了’alté化学配给。所以我们同时趋势ées qui s’反对,到底,s’instaure un nouvel équilibre au taux d’alté最初的摇滚率(c’est-à-dire à la même valeur M = k [CO2]). L’augmentation de la réactivité k 因此降低了CO的浓度2 atmosphérique.

因此,根据SCénario proposé, l’r的初始增加éactivité (le facteur k)冷却了气候,même si le taux de mété岩石的设计是休息é le mê我。这个推理解释了15 millions d’annéES,CO的浓度2 et, donc, la tempé成熟已经落下,而像’表明同位素比率 10 是 / 9是,率’alté岩石的配给休息é constant.

一种surface terrestre plus ou moins réactive au CO2

仍然是一个重要问题 : comment la réactivité k a-t-elle pu changer ? Pour y ré躺着,我们欠我们éresser à地球上最外部的薄膜 :一层地球’é从表面倾向于’à几十米è非常深度。它被称为« zone critique », car c’est dans cette épaisseur que se dé滚动大多数过程转换硅岩石é在地上。取决于数量és de minéraux présents, la météORISE或多或少活跃。卢比é积极有效地联系起合2 mê在低气氛的情况下é并且有一个常数réaction k élevée ;那些少的人é主动有较低的概率é de réagir avec le CO2 和一个常数 k moins élevée.

alt...............eration roches silicatees

地面上部膜的“反应性” - 硅酸盐岩石化学改变的临界区 - 变化。如果土壤含有更多未改变的硅酸盐矿物,例如长石或云母,它也可以在很小的CO中进行化学反应2在L.’atmosphère(靠左),就像在有很多有限公司时已经强烈改变了土壤2在L.’atmosphère (向右). Les deux situations peuvent donc avoir le même taux d’alté硅岩的化学配给ées et donc la même quantité de CO2 以时间间隔从大气中取出。

©Spektrum der Wissenschaft. / Emde-Grafik,Nach:F.VonBlanckenburg,GFZ Potsdam

r.éactivité d’une surface est déterminée par la quantité de minéraux « primaires » pré在临界区 : ces minéraux contenus à l’岩石中的起源例如是长石,生物烟灰石(云母系列),角势或纤维素è出生。在临界区réactive, ces minéraux silicaté是如此丰富的米ê少量és de CO2 ré有效行动,让岩石队’altère. Il en ré假形成min的形成éraux dits « secondaires »而且,与他们一起,土壤。今天’惠,陆地表面ré活跃谎言î高山脉,如’喜马拉雅山,阿尔卑斯山,孚日省, 等等,或在以前凝胶的区域ées d’Europe du Nord ou d’Amé。构造运动和速率’é平均玫瑰花就足够了à é限制表面足够分钟é二次非RALSéactifs pour qu’总有足够的分钟ér的新初级雨éagir.

在一个区域’altération moins réactive, les minéraux primaires « frais » sont en revanche déjà épuisés. À他们的地方,主要有miné是形式的次生赛és au cours de l’alté岩石配给,就像miné粘土(高岭石,伊利钠)或氧化铁。他们étéorisation de ces miné二次比赛需要很多’水,热量和合作2。这些陆地表面很强烈éré在热带和构造不活跃的区域’Afrique, du Brésil ou d’澳大利亚。看来,有15个 millions d’années,大多数表面étaient peu réactives.

是é相对较新的同位素Thode表明了’activité passée从陆地表面。像锂(Li)一样à l’é他是lib的岩石中的痕迹éré lors de la météorisation et pénètre dans l’eau interstitielle à从中形成最小é黏土。在后者,’isotope 6李,越多éger, est favorisé. Si plus de miné含粘土的轨道含有 6李是生产的,然后有更多’L的锂原子’isotope 7李运输és, 通过 地下水和河流ères, vers les océ年。因此可以’estimer la réactivité passée土地表面à从同位素比率 7 李/ 6李石灰石壳来自海洋生物édimenté。事实上,这种同位素比率 7 李/ 6李增了é dans les sédiments océaniques在过去的1500万’années;这意味着,平均而言,réactivité地面表面(在d中’其他术语常数 k)一个r.égulièrement augmenté dans le monde.

我们觉得é qu’à un taux de mété持续的剧情,加倍率的速度’é萝莉可能有été足以生产这个réactivité增加。在过去的1500万’anné它越来越多地冷却地球,最后开始了é l’englaçage de l’hémisphè北。但是,出于什么原因的速度’érosion s’est-il modifié ?问题仍然是开放的。

一种régulation mise à mal

只有一件事是ûre : pendant toute l’地球的历史,陆地恒温器保持良好的气候条件à生活。不幸的是,这’D的最大骚乱之一élicat cycle géologique du CO2 正在进行,自从’humanité已经通过了气氛集中度érique de CO2 de 280 ppm à自1900年以来超过400 ppm。如果我们n’agissons pas immé缓解,我们可以有一个氛围ère à 1 000 ppm en 2100 et même 2 000 ppm en 2200…金大卫射手,的’université芝加哥和维克多·罗韦金,来自’Max-Planck Météorologie à Hambourg, ont montré en 2008 qu’它需要不到3 000年的000年éOCS中二氧化碳的问题éans ré下调它的浓度’atmosphère de 1 400 ppm à 600 ppm. En d’autres termes, l’humanité必须结束加号ôt possible à它是危险的气候冒险’est lancée.

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