FeSiOss CO2g FeCO3s二氧化硅
在所有的这些反应,气体二氧化碳的碳交易所在固体硅硅酸盐矿物,形成固体碳酸盐矿物加固体硅(二氧化硅,其中石英是一种形式,也是常见的沙滩)。读者应该记住,实际的硅酸盐矿物参与碳酸盐的形成可能更为复杂比简单的化合物称为在上面的反应,并可能有不同的平衡和动力学性质。长石族矿物是最重要的球员之一硅酸盐风化在地球的地壳。这些矿物质是铝硅酸盐涉及不同的大量的钠,钾,钙;风化产品包括各种各样的粘土矿物,而不仅仅是简单的二氧化硅。尽管如此,Ebelmen-Urey反应通常作为指示性在更现实的情况下是怎么回事。
首先,让我们看看Ebelmen-Urey反应的平衡,达到足够长的时间后已经过去了。想象,例如,把一堆MgSiO3粉在一个封闭的房间充满了大量的二氧化碳气体,并保持整个装置在恒定温度下t .硅酸盐的气体反应形成碳酸盐和硅,画下压力,直到产品建立的重组率
图8.1:平衡二氧化碳分压的平衡作为温度的函数与镁(毫克)、铁(Fe)和钙(Ca)硅酸盐。
温度(K)
图8.1:平衡二氧化碳分压的平衡作为温度的函数与镁(毫克)、铁(Fe)和钙(Ca)硅酸盐。
碳酸盐+硅=与硅酸盐二氧化碳的反应速率,此时平衡。只要硅酸盐尚未用完,将平衡压力的值只取决于t .固体阶段的活动以来Eq。8.7是团结,唯一可以改变的活动是气态的二氧化碳,和这个活动可以以气体的分压。只要没有固体反应物已经筋疲力尽,化学平衡反应的任何一个情商。8.7是完全的描述方式二氧化碳气体的分压(二氧化碳分压在化学的说法)取决于温度,当存在三种固体反应物的方程。在这种情况下,当只有一个活动可以改变,平衡常数可以看作是二氧化碳分压,并且其温度依赖法律符合阿伦尼乌斯
π是一个常数,R *是通用气体常数,啊是一个能源特点,具体的差异产品和反应物之间的生成焓。Ebelmen-Urey反应,反应释放能量(即是放热的),所以啊是积极的。如果气体常数R *在J /摩尔■K啊的单位是J /摩尔。看起来就像分压的方程克劳修斯——克拉珀龙方程关系,这绝非偶然,因为平衡压力的温度依赖性的热力学形式主义两种情况下是相同的:形成一个浓缩阶段气体是一种涉及单个物质的化学反应。的熔化潜热水是158焦每摩尔,相比之下啊值79496,88700和64852焦每摩尔的镁、钙和铁反应测量在实验室在298 k。
三个反应的平衡压力显示在图8.1中作为温度的函数。对测量温度的依赖关系啊一直在考虑计算这些压力。首先,我们注意到,在类似地球的温度下Mg和Ca矿物质的平衡分压很低。对于Mg的情况在300 k平衡二氧化碳分压_ 1.9×10 _5bar,或相当于19 ppmv 1酒吧背景氛围。对于Ca的情况,甚至更低,仅占0.1 ppmv。处于平衡状态,镁和钙硅酸盐风化会减少大气中的二氧化碳如此低的值,它将没有温室效应。目前地球历史的大部分(可能),二氧化碳分压远超过这些平衡值,所以硅酸盐风化作用是总是试图减少大气中的二氧化碳含量几乎为零,但它从来没有得到特别接近平衡状态,因为系统远离平衡的脱气室内的二氧化碳。风化的铁硅酸盐导致不同的故事线。在300 k平衡铁0.006酒吧,或6000 ppmv。这是远超过目前的二氧化碳分压,并可能超过任何值达到几十亿年过去一半。这意味着即使铁硅酸盐普遍在地球表面,镁和钙硅酸盐的风化使大气中的二氧化碳含量过低铁碳酸盐形成。另一方面,我们知道,在微弱的阳光年轻二氧化碳的时代肯定是超过0.006酒吧如果二氧化碳温室效应是强大到足以使地球解冻。在这种情况下,铁碳酸盐应该形成。因此,古代铁碳酸盐沉积物的存在作为一个代理高二氧化碳。缺乏铁碳酸盐在某些太古代地层往往是作为证据表明二氧化碳本身不可能的答案微弱的阳光年轻悖论,但这种解释应该谨慎对待,因为太少太古代岩石表面是保存和时间记录是非常零星的。
平衡压力急剧上升,温度在700 k平衡1200酒吧、45毫克15000酒吧和酒吧,钙和铁的情况下,分别。因为地球内部温度超过700 k不远,这意味着立即碳酸盐和硅被板块构造和吞没了俯冲进入室内,二氧化碳将煮熟的岩石和除气通过火山和裂缝,使碳返回大气层。事情很可能同样对任何行星地壳板块构造和岩石,可能还有其他(尚未未知)意味着偶然地席卷地壳物质,释放二氧化碳到足够高的温度。高温平衡也有对金星的大气层和地壳的状态。金星的大气表面压力几乎纯净的二氧化碳约90条;这是远低于毫克、铁碳酸盐平衡压力,所以这些矿物质在金星表面的不稳定,给足够的年代«O2。相比之下,Ca碳酸盐的平衡压力达到90酒吧在737 k,这是非常接近实际的表面金星的温度。可能因此出现金星的大气与地壳均衡水库的碳酸钙。
没有atmosphere-bearing目前太阳系中行星的表面温度介于地球和金星,金星可能经历这样的温度在过去的近失控的温室状态,太阳系外行星很可能有一个轨道和组合把它们在这个范围内。在400 k Ca平衡仍只有650 ppmv,尽管这对于Mg的情况相当于5%的1酒吧氛围。一个达到500 k时,然而,都不可避免地留在大气中大量的二氧化碳- 6条0.12毫克,酒吧的Ca。类比推理的目前的状态地球大气,当系统从内部平衡由于出气,实际的大气二氧化碳分压将大大超过平衡值,尽管它是合理的猜想,在高温下平衡可能会更快地接近,这将使系统保持接近平衡,即使在大量的脱气的存在。
硅酸的化学平衡行为/碳酸/二氧化碳系统非常简单,但它可能是唯一直接对硅酸盐风化和它在气候演化中的作用。raybet雷竞技最新大气中的二氧化碳的照片是在平衡岩石附近一些行星的表面也许是有效的高温表面,但总的来说这是一个可怜的代表是怎么回事。当然,这是地球的大气层是与表面的平衡。地球上无机碳循环和其他许多岩石行星可能有类似地球的温度是一个动态平衡,涉及内部和地壳过程。被淹没在表面附近的碳酸盐俯冲带进入星球的内部,温度足够高,迅速达到平衡和二氧化碳是几乎完全驱动的碳酸盐。二氧化碳的气体通过火山和潜艇等功能大洋中脊新海洋地壳诞生了。如果没有新的碳酸盐和硅酸盐反应形成的,地球上的大气中的二氧化碳会建立到非常高的水平。当前二氧化碳脱气率估计
每年0.1吨的二氧化碳,约2■10-4kg / m2的碳。40亿年这将泵784215 kg / m2的C到大气中,相当于二氧化碳表面的压力超过280酒吧——约一百万倍今天观察到大气中。因为它是极其不可能过去时代的出气率要低得多——实际上这可能是更大的地球年轻时和失去了减少室内热量——显然必须有一个有效的去除机制将二氧化碳从大气中。形成的碳酸盐和硅酸盐反应是迄今为止最有可能的候选人。
而不是建立内部碳供应耗尽之前,大气中的二氧化碳只有建立,碳酸盐的生成速率等于出气。那么,对于任何给定的出气率测定大气中二氧化碳的量需要我们量化的碳酸盐岩地层速度取决于二氧化碳水平,温度,和其他方面的气候。raybet雷竞技最新不幸的是,这不是一个简单的化学问题。低温行星像地球表面的二氧化碳压力通常是远超过平衡值对应于表面温度和成分,但碳酸盐的形式,使系统回到平衡状态没有决定主要是由化学反应的动力学。我们需要理解的是数量风化速率W是二氧化碳的摩尔数单位时间内由反应转化为碳酸盐和硅酸盐整个地球表面。我们需要确定W取决于温度、降水、和其他方面的环境,以及我们所寻求的地球表面的本质理解。raybet雷竞技最新
与很多方面的行星气候、硅酸盐风化包括二氧化碳和水的阴谋,这是风化的重要性raybet雷竞技最新确定利率。虽然反应8.7编写的情商不涉及水,在类似地球的温度下反应发生在溶液中当水接触岩石,并且应该被认为是一种硅酸盐矿物的溶解在弱者面前碳酸二氧化碳溶于水时形成的。在低温下,肯定低于300 k或者低于400 k -干燥反应收益太慢的意义在几十亿年的时间尺度
1。鉴于反应是水,读者自然会得出这样的结论:地球上硅酸盐风化将由海底流程;毕竟,有大量的水,以及大量的硅酸盐在海底。与预期相反,然而,目前最好的估计表明,海底风化仅占全球排放总量的十分之一。目前限制海底风化的因素包括海洋的酸性程度、深海温度低,海洋地壳的组成和缓慢的交付的海洋
1干燥阶段的动力学反应不似乎已经很大程度上被量化。有一些实验室证据表明二氧化碳能够形成于碳酸盐和硅之间的干燥反应温度500 k以上,而且干燥阶段反应必须发生在地球内部维持出气。不过,人们普遍认为,即使在高温下碳酸盐以显著的速度不能形成没有水。
水新reactable表面(今天主要发生在热液系统)。人们不应该过分概括从这个状态,因为它是高度依赖于当前状态的气候,在一个完全不同的气候和更高的二氧化碳和温度升高可能是完全不同的东西。raybet雷竞技最新此外,在雪球地球或国家没有地壳暴露于大气中,海底风化将占主导地位,因为它是风化的唯一形式。此外,很难估计海底风化的速度甚至在当前的情况下,有可靠的估计表明海底风化占总数的比例要远远高于标准的图片将显示。如果海底风化作用是相当大的一部分,那么我们必须说随后对硅酸盐风化和气候raybet雷竞技最新监管将被质疑。raybet雷竞技最新气候演化的主导控制下海底风化代表的未知领域。
我们应当采取传统的照片,硅酸盐风化的行星地球的政权这样主要发生在陆地上,由于雨洗涤了硅酸盐岩石。因此,碳酸盐岩地层的速度预计将增加的速率在抗寒耐热的降雨量硅酸盐岩石;雨加速反应和携带可溶性碳酸盐,暴露出新鲜硅酸盐为进一步反应。这个关系的函数形式在实验室无法衡量,并取决于矿物,其物理结构和植被的存在和其他生物活性。曾多次尝试来估计的降水依赖各种风化实地测量,但是这个过程仍缺乏约束。
实验室测量水相硅酸盐风化,清楚的说明碳酸盐岩地层的速度随温度升高而根据阿伦尼乌斯法律,exp (E / R * T), E是一个经验确定活化能。当温度对一些基础温度的范围不是太大,阿伦尼乌斯法可以简化为指数形式W () exp ((T -) /你),你= T ^ R * / E。系数涂矿物之间变化,还取决于其他条件如风化的环境发生的酸度。典型值在广泛使用在风化模型躺在附近的10 K,气温在几十度的地球表面温度。通常认为与温度有关的反应速率测量在实验室导致净风化速率相同的温度的依赖关系,尽管还远不清楚,应该是这样。如果雨仍在接触抗寒耐热的摇滚时间非常短,那么可以预见,增加反应速率会增加碳酸盐形成;这是一个普遍观点是怎么回事。然而,在水的情况下仍在接触足够反应来平衡,动力学变得无关紧要,风化率不应直接依赖于温度,但它仍然会间接依赖温度通过温度对沉淀率的影响。因为陡峭指数反应速率的依赖,化学动力学效应可能会变得更加重要,因为温度比现在的地球变得更热。例如,你= 10 k,反应达到平衡需要一天在300 k平衡只有4秒在400 k和500 k 178微秒。 Given the slow kinetics at Earthlike temperatures and below, it does seem a reasonable assumption that something like the Arrhenius law applies for such temperatures. For very hot conditions, as in a near runaway, the direct temperature dependence of W would need to be reconsidered, however.
一个更棘手的问题是是否W也直接取决于大气中二氧化碳的分压。注意,这是一个单独的二氧化碳浓度的间接影响风化作用的问题,由其对温度的影响,温度对降水的影响。通常,对气固反应,可以预见,反应会更快如果有更多活性气体的分子。这正是发生在实验室测量的特定硅酸盐矿物的风化(主要是长石)这样的温度在400 k以上。直接测量高温依赖通常使用阿仑尼乌斯法外推到更低的温度。然而,实验室测量在类似地球的温度下,在有机酸的存在被认为是类似于那些由陆地植物,非常清楚地表明,风化率基本上是独立于二氧化碳的数量;这样的实验进行了CO2分压从大约0.3 mb一直到酒吧。这个问题的普遍观点似乎是没有陆地植物(或者,没有细菌生命修改硅酸盐表面)有一个幂律的风化速率依赖二氧化碳分压,但这对你的依赖消失一旦陆地植物出现在现场。很清楚地衣或细菌生活足以导致行为的过渡,它更清楚应该非生物真的存在在低温下二氧化碳分压依赖性。一个也可以怀疑abiotically产生酸也可以消除直接二氧化碳分压的依赖
风化率是影响许多其他进程在水面。值得注意的是,一旦陆地植物,降水和温度分布的变化会影响土地的分布植物覆盖,这将对风化速率反馈;这是一个非常困难的反馈模型。此外,风化速率取决于抗寒耐热的表面积的可用性。这是受生理影响冲蚀率,可以极大地增强了造山如喜马拉雅山的快速提升;侵蚀率也受到影响冰川流通过冻融循环可以岩石破裂。火山活动在提供新鲜的抗寒耐热的表面也很重要。今天在金星上,风化作用可能是缓慢甚至反应发生没有液态水,因为大多数的侵蚀过程表面产生新的抗寒耐热的缺失或弱。
还要注意传统的硅酸盐风化的照片在相对凉爽的行星像地球现在假定平衡大气中的二氧化碳是远低于现行大气价值,这样的风化作用可以被认为基本上把大气中的二氧化碳为零。相比之下,如果平衡还有大量的二氧化碳在大气中,然后需要考虑实际的平衡对风化反应驱动系统。这变得越来越重要因素随着温度的增加,也影响的重要性随表面矿物学,由于平衡是依赖发生什么样的反应。以下开发采用传统cool planet配方中风化反应足够缓慢相对于大气中的二氧化碳脱气率总是远高于平衡值。
假设我们设法把风化速率写成一个函数W (P、T、二氧化碳分压),P是降水的速度下降。如果r是脱气率,测量在同一单位W,平衡是由W (P、T、二氧化碳分压)= r r可能改变逐渐在地质时间,导致长期的气候变化。raybet雷竞技最新问题随后关闭如果二氧化碳是主要的温室气体控制气候,此后可以确定T和P的函数二氧化碳,给太阳能等其它相关数据(或恒星)不断在地球的轨道和大陆的配置。raybet雷竞技最新配置能很强烈地影响到大陆风化速度,因为大陆的大小和位置影响全球降水的多少落在土地和维持大陆风化。我们是导致一个条件W (P(二氧化碳分压)、T(二氧化碳分压)、二氧化碳分压)= r,这对于二氧化碳分压可以解决。一旦知道,其他一切都是已知的,和一个可以探索结果的依赖气候对慢变参数如恒星的光度,大陆配置和脱气率。raybet雷竞技最新这是所有二氧化碳风化反馈模型的基本思想,在这样的模型我们寻求确定风化程度的反馈可以控制温度和保持在一个可居住范围。
甚至没有写下一个特定形式的W,我们可以获得一个非常重要的普遍的结果在一个特殊的例子。即如果风化速率没有显式依赖于二氧化碳分压,如果降水只取决于温度和不直接吸收恒星能量的供应,然后平衡条件只是W (P (T), T)) _ r。这意味着对于任何给定的出气率和恒星光度,温度必须适应一个固定值。特别是,这个温度没有改变恒星变亮。在这种情况下,风化的反馈行为来控制气候完美,和地球的温度变化的出气率或大陆配置变化。raybet雷竞技最新发生了什么在这个政权是风化的要求平衡修复T,然后二氧化碳分压必须承担一切必须实现这一价值T .例如,当太阳黯淡,二氧化碳分压必须承担更高的价值,以弥补减少的太阳能。相反,当太阳是明亮的,二氧化碳分压必须采取在一个较低的值。恒温器可以在冷端如果分解所需的二氧化碳量超过了供给。温度调节也可以打破在冷端如果行星落入雪球状态。传统的看法是,硅酸盐风化停止在这个政权,让二氧化碳建立地球暖和的地方。然而,海底风化将继续,如果它足够有效的防止地球热身充分逃避雪球的每一个州。在热端,恒温器可以分解所需的二氧化碳达到温度下降到零。在这一点上,进一步增加光度将导致温度增加。地球并不会立即进入一个失控的温室在这一点上,如果这颗行星有海洋(必须,如果我们要有硅酸盐风化)然后水蒸气的反馈最终会导致一次失控的光度超过失控的阈值。
现在让我们回到一般情况下,包括二氧化碳分压在风化的直接影响。把所有在一起,影响风化率可以表示为经验表达式
我婆婆你其中W是风化速率P是降雨量超过岩石的速度(径流),P是大气中二氧化碳的分压和T是风化的表面的温度。我们是参考状态与径流的风化速率阿宝,二氧化碳分压和温度。,英国《金融时报》和TU经验确定常数。最后的这些代表的直接温度灵敏度Urey-Ebelman反应。基于值出现在文献中,我们采用一个_主板,b _ 5和TU _ 10 k。
完成的决心风化速度,我们需要确定T的函数恒星辐射和吸收二氧化碳分压。计算中,我们使用多项式OLR符合第四章中描述。OLR曲线选择是基于地球引力,一个假定的相对湿度为50%。在决定吸收恒星辐射,我们假设一个反照率为0.2,接近地球,温室效应调整后的云。我们还需要知道P对温度的依赖关系。合理的选择之一就是使它增加比例克劳修斯——克拉珀龙方程。然而,计算综合动态气候模型往往比克劳修斯——克拉珀龙方程表明,降水增加迅速减少,甚至在限制由于遇到raybet雷竞技最新表面短波吸收。因此,我们将P / P0 _ (1 + aP•(T -),与美联社_ . 03。这些规格我们可以解决W /我们_ r / ro和确定二氧化碳分压和温度改变光度的改变。我们将看到如何有效地风化温控器可以抵消的年轻阳光,现在我们已经包括显式二氧化碳分压的依赖。根据传统观念,我们现在学习的情况下地球的大陆是无生命的。
温度和二氧化碳作为恒星常数的函数图8.2所示。附近是被地球的今天的温度,和脱气率保持不变的价值平衡风化在这个温度。这些计算不包括的影响冰反射反馈正确,应该进入寒冷的条件时遇到明星发昏。相比之下,图中还显示了平衡温度如果没有硅酸盐风化恒温器和CO2仍然固定在其基线值。结果表明,二氧化碳上升到很高的值在早期当明星是微弱——将近100 mb,或一个类似地球大气的10%左右。然而,由于风化增加如此多的高二氧化碳分压,和相当低的温度可以达到平衡。温度降至270 k,气温仅略高于250 k值会在缺乏风化恒温器。看来,如果没有修改图片的陆地植物或其他方式摆脱依赖明确的二氧化碳分压的风化、风化恒温器不解决太远微弱的年轻阳光的问题。非生物二氧化碳分压依赖性,硅酸盐风化恒温器叶早期的地球在一个很冷的国家,除非出气率是相当高的。
还可以看到一个缓和的影响风化恒温器在温暖的方面,星变亮。当明星比其基线值30%,二氧化碳分压下降到.002mb,或2 ppmv,气温已经上升到311 k。相比之下,323 k的温度没有发生风化的恒温器。在这一点上,几乎没有任何二氧化碳在大气中,和有限范围的风化恒温器保护地球免受进一步增加其恒星的光度。
如果真的是真的,陆地生物群影响显式二氧化碳分压的依赖传统观念认为,然后暗示陆地生物群在行星气候调节中起到至关重要的作用。raybet雷竞技最新与陆地生物群抑制风化的显式二氧化碳分压依赖性,气候调节几乎是完美的。raybet雷竞技最新没有陆地生物群,硅酸盐风化温控器温和派恒星光度温度变化的影响,但监管不是特别紧,和地球上一个调用增加脱气或其他影响为了解释为什么地球并不是冻结在微弱的年轻的太阳——不过,平心而论,恒温器确实带来地球上更接近雪球可以避免的温度。对地球而言,当恒温器成为非常有效的问题与问题相关的二氧化碳分压依赖性的抑制是否需要陆地植物(只进入画面3亿年前),或者是否细菌殖民化的土地就足够了。后者将延长地球的一部分历史的恒温器是有效的。整个场景包括陆地生物的进化将会是这样的:在地球早期的历史,没有陆地生物群,恒温器只有适度有效的。微弱的太阳周期会很冷,虽然也许没有完全冻结。随着亮度的增加,地球会变得相当温暖,也许条件比现在暖和得多。然后陆地生物群演化,大大提高效率的风化和消除贵族二氧化碳分压依赖性。在这一点上,行星的温度大幅下降,但减少风化在寒冷、干燥的条件下防止雪球状态。此后,风化恒温器变得非常有效,并进一步抑制温度变化,直到所需的二氧化碳分压下降如此之低,温度调节停止。
在第四章我们讨论了经典的dry-runaway温室,在整个海洋蒸发到大气中。然而,如果一个行星总dry-runaway不符合标准(也许由于云或半饱和效果),它可能仍然得到足够热会失去大量的水蒸气空间,尽管保留液体(但仍海洋热)。这被称为湿失控的状态,这是普遍观点的金星已经走过的道路。
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