thumb|340px|Ova slika opisuje geološke aspekte i procese karbonatno-silikatnog ciklusa, unutar dugoročnog ugljikovog ciklusa. Karbonatno-silikatni geohemijski ciklus, također poznat kao neorganski ugljikov ciklus, opisuje dugoročnu transformaciju silikatnih stijena u karbonatne stijene trošenjem i sedimentacijom, te transformaciju karbonatnih stijena natrag u silikatne stijene metamorfizmom i vulkanizmom.Urey, H. C. (1952). The planets: their origin and development. Mrs. Hepsa Ely Silliman Memorial Lectures. Ugljik-dioksid se uklanja iz atmosfere tokom zatrpavanja istrošenih minerala i vraća se u atmosferu putem vulkanizma. Na milionskim vremenskim skalama, karbonatno-silikatni ciklus je ključni faktor u kontroli Zemljine klime jer reguliše nivoe ugljik-dioksida i stoga globalnu temperaturu.

Brzina trošenja je osjetljiva na faktore koji mijenjaju koliko je kopna izloženo. Ovi faktori uključuju promjene nivoa mora, topografije, litologije i vegetacija. Nadalje, ove geomorfološke i hemijske promjene djelovale su zajedno sa solarnim djelovanjem, bilo zbog orbitalnih promjena ili zvjezdane evolucije, kako bi odredile globalnu površinsku temperaturu. Osim toga, karbonatno-silikatni ciklus smatran je mogućim rješenjem za paradoks slabog mladog Sunca.

Pregled ciklusa thumb|340px|Ova shema prikazuje odnos između različitih fizičkih i hemijskih procesa koji čine karbonatno-silikatni ciklus. Karbonatno-silikatni ciklus je primarna kontrola nivoa ugljik-dioksida, tokom dugih vremenskih skala. Može se posmatrati kao grana ciklusa ugljika, koji također uključuje ciklus organskog ugljika, u kojem biološki procesi pretvaraju ugljični dioksid i vodu u organsku materiju i kisik putem fotosinteze.

Fizički i hemijski procesi thumb|upright=1.2| Mikroskopske ljušture Foraminifera pronađene u sedimentnim jezgrima mogu se koristiti za određivanje prošlih klimatskih uslova, uključujući temperature okeana i aspekte atmosferske hemije.

Neorganski ciklus počinje proizvodnjom ugljične kiseline (H2CO3) iz kišnice i plinovitog ugljik-dioksida. Zbog ovog procesa, normalna kiša ima pH vrijednost od oko 5,6. Ugljična kiselina je slaba kiselina, ali tokom dužih vremenskih perioda može rastvarati silikatne, kao i karbonatne stijene. Većina Zemljine kore (i plašta) sastoji se od silikata. Kao rezultat toga, ove supstance se razgrađuju na rastvorene ione. Naprimjer, kalcij-silikat (CaSiO3), ili volastonit, reaguje sa ugljik-dioksidom i vodom dajući kalcijski , Ca2+ i bikarbonatni ion, HCO<sub>3</sup>− i rastvoreni silicij-dioksid. Ova reakcikska struktura je reprezentativna za opće silikatno trošenje minerala kalcij-silikata. Hemijski put je sljedeći: 2CO2 + H2O + CaSiO3 -> Ca^2+ + 2HCO3- + SiO2

Riječni oticaj odnosi ove proizvode u okeanu, gdje morski kalcificirajući organizmi koriste Ca2+ i HCO3− za izgradnju svojih ljuštura i skeleta, proces koji se naziva 'karbonatna precipitacija: Ca^2+ + 2HCO3- -> CaCO3 + CO2 + H2O

Za trošenje silikatnih stijena potrebne su dvije molekule CO2; morska kalcifikacija oslobađa jednu molekuluj nazad u atmosferu. Kalcij-karbonat (CaCO3) sadržan u školjkama i skeletima tone nakon što morski organizam ugine i taloži se na dnu okeana.

Završna faza procesa uključuje pomicanje morskog dna. U zonama subdukcije, karbonatni sedimenti se zakopavaju i vraćaju u plašt. Dio karbonata može biti nošen duboko u plašt gdje mu visoki pritisak i temperatura omogućavaju da se metamorfno kombinuje sa SiO2 i formira CaSiO3 i CO2, koji se oslobađa iz unutrašnjosti u atmosferu putem vulkanizma, termalnih otvora u okeanu ili bikarbonatni izvori, koji su prirodni izvori koji sadrže ugljik-dioksid ili bikarbonat: CaCO3 + SiO2 -> CaSiO3 + CO2

Ovaj posljednji korak vraća drugi molekul CO2 u atmosferu i zatvara neorganski ugljični budžet. 99,6% ukupnog ugljika na Zemlji (što je ekvivalentno otprilike 108 milijardi tona ugljika) sekvestrira u dugoročnom rezervoaru stijena. I u suštini sav ugljik je proveo vrijeme u obliku karbonata. Nasuprot tome, samo 0,002% ugljika postoji u biosferi.

Povratne informacije Promjene na površini Planete, poput odsustva vulkana ili višeg nivoa mora, koje bi smanjile količinu kopnene površine izložene vremenskim uticajima, mogu promijeniti brzinu kojom se odvijaju različiti procesi u ovom ciklusu. Tokom desetina do stotina miliona godina, nivoi ugljik-dioksida u atmosferi mogu varirati zbog prirodnih poremećaja u ciklusu. ali još općenito, služi kao kritična negativna povratna sprega petlja između nivoa ugljil-dioksida i klimatskih promjena. Naprimjer, ako se CO2 nakuplja u atmosferi, efekat staklene bašte dovesti će do povećanja temperature površine, što će zauzvrat povećati stopu padavina i silikatnog trošenja, što će ukloniti ugljik iz atmosfere. Na taj način, tokom dugih vremenskih perioda, karbonatno-silikatni ciklus ima stabilizirajući učinak na Zemljinu klimu, zbog čega se naziva Zemljinim termostatom.

Promjene kroz historiju Zemlje

Aspekti karbonatno-silikatnog ciklusa su se mijenjali kroz historiju Zemlje kao rezultat biološke evolucije i tektonskih promjena. Općenito, formiranje karbonata je nadmašilo formiranje silikata, efikasno uklanjajući ugljik-dioksid iz atmosfere. Pojava karbonatne biomineralizacije blizu granice prekambrija-kambrija omogućila bi efikasnije uklanjanje produkata trošenja iz okeana. Biological processes in soils can significantly increase weathering rates. Biljke proizvode organske kiseline koje povećavaju trošenje. Ove kiseline luče korijen i mikorizne gljive, kao i mikrobno truljenje biljaka. disanje korijena i oksidacija organske tvari tla također proizvode ugljik-dioksid, koji se pretvara u ugljičnu kiselinu, što povećava trošenje.

Tektonika može izazvati promjene u karbonatno-silikatnom ciklusu. Naprimjer, smatra se da je izdizanje glavnih planinskih lanaca, kao što su Himalaji i Andi, započelo u kasnokenozojskom ledenom dobu, zbog povećane stope silikatnog trošenja i povlačenja razine ugljik-dioksida. Vrijeme na morskom dnu povezano je i sa solarnom luminoznošću i koncentracijom ugljil- dioksida. Međutim, to je predstavljalo izazov za modelare koji su pokušali povezati brzinu ispuštanja plinova i subdukcije sa srodnim brzinama promjene morskog dna. Za takva pitanja teško je dobiti odgovarajuće, nekomplicirane zamjenske podatke. Naprimjer, sedimentne jezgre, iz kojih se može zaključiti o prošlim nivoima mora, nisu idealne jer se nivoi mora mijenjaju kao rezultat više od pukog prilagođavanja morskog dna. Nedavne studije modeliranja istraživale su ulogu trošenja morskog dna na ranu evoluciju života, pokazujući da su relativno brze stope stvaranja morskog dna doprinijele umjerenom smanjenju nivoa ugljik- dioksida.

Opservacije takozvanog dubokog vremena ukazuju na to da Zemlja ima relativno neosjetljivu povratnu spregu trošenja stijena, što omogućava velike temperaturne promjene. S otprilike dvostruko više ugljil-dioksida u atmosferi, paleoklimatski zapisi pokazuju da su globalne temperature dostigle i do 5 do 6 °C više od sadašnjih temperatura. Međutim, ostali faktori poput promjena u orbitalnom/solarnom djelovanju doprinose globalnim promjenama temperature u paleo-zapisu.

Ljudske emisije CO2 stalno rastu u vrlo kratkom vremenskom periodu. Višak ugljika u atmosferi koji je rastvoren u morskoj vodi može promijeniti brzinu karbonatno-silikatnog ciklusa. Rastvoreni CO2 može reagovati s vodom, formirajući bikarbonatne, HCO3−, i vodikove ione, H+. Ovi vodikovi ioni brzo reaguju s karbonatom, CO32-, proizvodeći više bikarbonatnih i smanjujući dostupne karbonatne ione, što predstavlja prepreku procesu taloženja ugljik-karbonata. Drugim riječima, 30% viška ugljika emitiranog u atmosferu apsorbiraju okeani. Veće koncentracije ugljik-dioksida u okeanima djeluju tako da poguraju proces taloženja karbonata u suprotnom smjeru (lijevo), proizvodeći manje CaCO3. Ovaj proces, koji šteti organizmima koji grade ljuske, naziva se zakiseljavanje okeana.

Ciklus na drugim planetama Ne treba pretpostavljati da će se karbonatno-silikatni ciklus pojaviti na svim zemaljskim planetama. Za početak, karbonatno-silikatni ciklus zahtijeva prisustvo vodenog ciklusa. Stoga se on prekida na unutrašnjem rubu nastanjive zone Sunčevog sistema. Čak i ako planeta počinje s tekućom vodom na površini, ako postane previše topla, proći će kroz efekat staklene bašte, gubeći površinsku vodu. Bez potrebne kišnice, neće doći do trošenja koje bi proizvelo ugljičnu kiselinu iz plinovitog CO2. Nadalje, na vanjskom rubu, CO2 može se kondenzirati, što posljedično smanjuje efekat staklene bašte i smanjuje površinsku temperaturu. Kao rezultat toga, atmosfera bi se urušila u polarne kape.

Mars je takva planeta. Smješten na rubu nastanjive zone Sunčevog sistema, njegova površina je previše hladna da bi se formirala tečna voda bez efekta staklene bašte. Sa svojom tankom atmosferom, prosječna površinska temperatura Marsa je 210 K°C. U pokušaju da objasne topografske karakteristike koje podsjećaju na fluvijalne kanale, uprkos naizgled nedovoljnom dolaznom sunčevom zračenju, neki su sugerisali da je mogao postojati ciklus sličan Zemljinom karbonatno-silikatnom ciklusu – slično povlačenju iz perioda Zemljine snježne grudve. Studije modeliranja su pokazale da plinoviti CO2 i H2O, koji djeluju kao staklenički plinovi, nisu mogli održavati Mars toplim tokom njegove rane historije kada je Sunce bilo slabije, jer bi se CO2 kondenzirao u oblake. Iako se oblaci CO2 ne reflektiraju na isti način kao što se to čine vodeni oblaci na Zemlji, Nije moglo biti da je u prošlosti imala mnogo karbonatno-silikatni ciklus.

Nasuprot tome, Venera se nalazi na unutrašnjem rubu nastanjive zone i ima prosječnu površinsku temperaturu od 737 K°C. Nakon što je izgubila vodu fotodisocijacijom i bijegom vodonika, Venera je prestala uklanjati ugljik-dioksid iz svoje atmosfere i umjesto toga počela da ga nakuplja, te da doživljava efekat staklene bašte. Na egzoplanetama sa plimnim uslovima, lokacija podzvjezdane tačke će diktirati oslobađanje ugljik-dioksida iz litosfere.

Također pogledajte Biološka pumpa Ciklus ugljika Dubina kompenzacije karbonata Obrnuto trošenje Svijet tratinčica Gaia hipoteza Efekat staklene bašte Velika ledena doba Grudva snijega Jezero Nyos Zakiseljavanje okeana Paradoks slabog mladog Sunca

Reference

Vanjski linkovi Understanding the long-term carbon-cycle: Weathering of rocks – a vitally important carbon-sink by John Mason, Skeptical Science

Kategorija:Geohemija Kategorija:Geologija Kategorija:Geofizika Kategorija:Stijene