مضخة الذوبان

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
تبادل ثاني أكسيد الكربون بين الهواء والبحر

في علم الكيمياء الحيوية للمحيطات ، تُعدّ مضخة الذوبان عملية فيزيائية كيميائية تنقل الكربون على شكل كربون غير عضوي مذاب (DIC) من سطح المحيط إلى أعماقه. [ 1 ] وتتأثر مضخة الذوبان بعدة عوامل بيئية وحيوية، مما قد يُعزز أو يُضعف قوتها وذوبان ثاني أكسيد الكربون في المحيط.

يمكن لمضخة الذوبان أن تعمل كمستودع لثاني أكسيد الكربون المنبعث في الغلاف الجوي نتيجة للأنشطة البشرية. ورغم أن معظم ثاني أكسيد الكربون المنبعث عبر هذه الأنشطة سيذوب في المحيط في نهاية المطاف، إلا أن المعدل الدقيق لحدوث ذلك غير معروف. [ 2 ] ويمكن أن يؤدي ارتفاع درجة حرارة المحيط بسبب تغير المناخ ، بالإضافة إلى تباطؤ الدوران الحراري الملحي فيه [ 3 ] ، إلى تقليل كمية ثاني أكسيد الكربون التي يمتصها المحيط من الغلاف الجوي. علاوة على ذلك، يؤدي ازدياد امتصاص المحيط لثاني أكسيد الكربون إلى تحمضه ، مما قد يشكل خطراً على الحياة البحرية. [ 4 ]

ملخص

يتم تشغيل مضخة الذوبان من خلال تزامن عمليتين في المحيط  :

بما أن المياه العميقة (أي مياه البحر في أعماق المحيط) تتشكل في ظل نفس الظروف السطحية التي تعزز ذوبان ثاني أكسيد الكربون، فإنها تحتوي على تركيز أعلى من الكربون غير العضوي المذاب مما هو متوقع من متوسط ​​التركيزات السطحية. ونتيجة لذلك، تعمل هاتان العمليتان معًا على ضخ الكربون من الغلاف الجوي إلى أعماق المحيط.

إحدى نتائج ذلك هي أنه عندما تصعد المياه العميقة إلى السطح في خطوط العرض الاستوائية الأكثر دفئًا، فإنها تطلق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي بسبب انخفاض قابلية ذوبان الغاز.

تؤثر عوامل بيئية أخرى أيضاً على مضخة الذوبان، مثل تكوّن الجليد البحري. ويتسم تكوّن الجليد البحري بديناميكيات يمكن أن تزيد أو تقلل من التبادل بين الهواء والبحر. [ 5 ]

قد توجد أيضًا اختلافات إقليمية في تأثير مضخة الذوبان نتيجة لعوامل مثل تباين درجات الحرارة واختلاف إجهاد الرياح على مضخة الذوبان. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

يمكن رصد تبادل الكربون داخل مضخة الذوبان باستخدام غازات مختلفة. يُمكن استخدام النيتروجين والغازات النبيلة ، مثل الزرنيخ والكريبتون ، لتتبع كمية دورة الغازات، بما في ذلك الكربون، بين الهواء والبحر. [ 9 ] بالإضافة إلى ذلك، تؤثر كيمياء المحيطات عمومًا على كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. [ 10 ] كما يُمكن للكائنات البحرية أن تُغير كمية نظير الكربون 13 ( δ13CO2 ) في الغلاف الجوي. [ 11 ]

للمضخة الذوبانية نظير بيولوجي يُعرف بالمضخة البيولوجية . للاطلاع على نظرة عامة عن كلتا المضختين، انظر رافين وفالكوفسكي (1999). [ 1 ] في حين تتأثر المضخة الذوبانية بعوامل مثل تبادل الغازات النبيلة والظروف البيئية، يمكن أن تتأثر المضخة البيولوجية بعوامل مثل الشبكة الغذائية البحرية، ويمكن أن تؤثر المضخة البيولوجية على تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بشكل عام. [ 12 ] [ 13 ]

قابلية ذوبان ثاني أكسيد الكربون

ذوبان ثاني أكسيد الكربون في الماء، والاعتماد على درجة الحرارة

ثاني أكسيد الكربون ، كغيره من الغازات، قابل للذوبان في الماء. إلا أنه، على عكس العديد من الغازات الأخرى ( الأكسجين مثلاً)، يتفاعل مع الماء مكوناً مزيجاً متوازناً من عدة أنواع أيونية وغير أيونية (تُعرف مجتمعةً بالكربون غير العضوي المذاب ، أو DIC). وهذه الأنواع هي: ثاني أكسيد الكربون الحر المذاب (CO₂ ( aq ) )، وحمض الكربونيك ( H₂CO₃ ) ، والبيكربونات ( HCO₃⁻ ) ، والكربونات ( CO₂⁻ ) ، وتتفاعل مع الماء على النحو التالي:

CO 2 (aq) + H 2 O ⇌ H 2 CO 3 ⇌ HCO − 3 + H + ⇌ CO 2− 3 + 2 H +

يعتمد توازن أنواع الكربونات هذه (الذي يؤثر في نهاية المطاف على ذوبان ثاني أكسيد الكربون) على عوامل مثل الرقم الهيدروجيني ، كما هو موضح في مخطط بييروم . في مياه البحر، يُنظَّم هذا التوازن من خلال توازن الشحنات بين عدد من الأيونات الموجبة (مثل Na⁺ ، K⁺ ، Mg²⁺ ، Ca²⁺ ) والأيونات السالبة (مثل CO₂⁻ ، Cl⁻ ، SO₄²⁻ ، Br⁻ ) . عادةً ، يُنتج عن توازن هذه الأنواع شحنة موجبة صافية. بالنسبة لنظام الكربونات ، تُحوِّل هذه الشحنة الموجبة الزائدة توازن أنواع الكربونات نحو الأيونات السالبة للتعويض. ينتج عن ذلك انخفاض في تركيز ثاني أكسيد الكربون الحر وحمض الكربونيك، مما يؤدي بدوره إلى امتصاص المحيط لثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي لاستعادة التوازن. وبالتالي، كلما زاد اختلال توازن الشحنات الموجبة، زادت ذوبان ثاني أكسيد الكربون. في مصطلحات كيمياء الكربونات، يُشار إلى هذا الاختلال باسم القلوية .

فيما يتعلق بالقياس، تُعدّ أربعة معايير أساسية ذات أهمية بالغة: إجمالي الكربون غير العضوي (TIC، أو TCO2 ، أو CT )، والقلوية الكلية ( TALK، أو AT )، ودرجة الحموضة ( pH )، وضغط ثاني أكسيد الكربون ( pCO2 ). يسمح قياس أي اثنين من هذه المعايير بتحديد نطاق واسع من الأنواع الكيميائية التي تعتمد على درجة الحموضة (بما في ذلك الأنواع المذكورة أعلاه). يمكن أن يتغير هذا التوازن بفعل عدد من العمليات، مثل تدفق ثاني أكسيد الكربون بين الهواء والبحر ، وذوبان أو ترسيب كربونات الكالسيوم (CaCO3 ) ، أو النشاط البيولوجي كعملية التمثيل الضوئي أو التنفس . لكل من هذه العمليات تأثيرات مختلفة على كل من المعايير الأساسية الأربعة، وتؤثر مجتمعةً تأثيرًا قويًا على الدورات العالمية. تبقى الشحنة الصافية والمحلية للمحيطات متعادلة خلال أي عملية كيميائية.

التغيرات البشرية

جرد رأسي لثاني أكسيد الكربون الناتج عن الأنشطة البشرية في "الوقت الحاضر" (التسعينيات)

أدى احتراق الوقود الأحفوري ، وتغييرات استخدام الأراضي، وإنتاج الإسمنت إلى تدفق ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي. ويُعتقد حاليًا أن حوالي ثلث انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن الأنشطة البشرية (ما يقارب 2 جيجا طن من الكربون سنويًا) [ 14 ] [ 15 ] تدخل المحيط. وتُعد مضخة الذوبان الآلية الرئيسية التي تُحرك هذا التدفق، مما يؤدي إلى وصول ثاني أكسيد الكربون الناتج عن الأنشطة البشرية إلى أعماق المحيط عبر مواقع تكوّن المياه العميقة في خطوط العرض العليا (وخاصة شمال المحيط الأطلسي ). وفي نهاية المطاف، سيذوب معظم ثاني أكسيد الكربون المنبعث من الأنشطة البشرية في المحيط، [ 2 ] إلا أن معدل امتصاص المحيط له في المستقبل غير مؤكد.

في دراسة لدورة الكربون حتى نهاية القرن الحادي والعشرين، توقع كوكس وآخرون (2000) [ 16 ] أن معدل امتصاص ثاني أكسيد الكربون سيبدأ بالتشبع عند معدل أقصى يبلغ 5 جيجا طن من الكربون سنويًا بحلول عام 2100. ويعود ذلك جزئيًا إلى عدم الخطية في نظام كربونات مياه البحر، ولكن أيضًا إلى تغير المناخ . يؤدي ارتفاع درجة حرارة المحيط إلى انخفاض ذوبان ثاني أكسيد الكربون في مياه البحر، مما يبطئ استجابة المحيط للانبعاثات. كما يعمل ارتفاع درجة الحرارة على زيادة التطبق الحراري للمحيط ، مما يعزل سطح المحيط عن المياه العميقة. بالإضافة إلى ذلك، قد تؤدي التغيرات في الدوران الحراري الملحي للمحيط (وتحديدًا التباطؤ) [ 3 ] إلى تقليل انتقال ثاني أكسيد الكربون المذاب إلى أعماق المحيط. ومع ذلك، لا يزال حجم هذه العمليات غير مؤكد، مما يحول دون الحصول على تقديرات دقيقة طويلة الأجل لمصير آلية الذوبان.

أُجريت أبحاث حول مفهوم استخدام الأنابيب في المحيطات لزيادة امتصاص ثاني أكسيد الكربون ، وذلك بالاستفادة من المضخة البيولوجية وتعزيز قدرة المحيط على العمل كمستودع للكربون لمكافحة تغير المناخ. مع ذلك، ونظرًا لانخفاض كفاءة مضخة الذوبان نسبيًا في نقل كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي إلى المحيط، فإن زيادة تأثير المحيط كمستودع لثاني أكسيد الكربون باستخدام الأنابيب يتطلب عددًا هائلًا من الأنابيب (حوالي 800 مليون أنبوب، قطر كل منها متر واحد). [ 17 ]

في حين أن امتصاص المحيطات لثاني أكسيد الكربون الناتج عن الأنشطة البشرية من الغلاف الجوي يساهم في الحد من تغير المناخ، إلا أنه يتسبب في تحمض المحيطات، وهو ما يُعتقد أنه سيؤدي إلى عواقب سلبية على النظم البيئية البحرية. [ 4 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 رافين، جيه إيه؛ فالكوفسكي، بي جي (1999). "مصارف المحيطات لثاني أكسيد الكربون الجوي ". النبات، الخلية والبيئة . 22 : 741-755. doi : 10.1046/j.1365-3040.1999.00419.x .
  2. 1 2 آرتشر، د. (2005). "مصير ثاني أكسيد الكربون الناتج عن الوقود الأحفوري عبر الزمن الجيولوجي". مجلة البحوث الجيوفيزيائية . 110 : C09S05. doi : 10.1029/2004JC002625 .
  3. 1 2 برايدن، إتش إل؛ لونغورث، إتش آر؛ كانينغهام، إس إيه (2005). "تباطؤ الدوران الانقلابي الأطلسي عند خط عرض 25° شمالاً". مجلة نيتشر . 438 : 655-657. doi : 10.1038/nature04385 .
  4. 1 2 أور، جيه سي؛ فابري، في جيه؛ وآخرون (2005). "تحمض المحيطات الناتج عن الأنشطة البشرية خلال القرن الحادي والعشرين وتأثيره على الكائنات الحية المُكلسة". مجلة نيتشر . 437 : 681-686 . doi : 10.1038/nature04095 . 
  5. ↑ لوس، برايس؛ ستامرجون، شارون؛ سيدويك، بيتر؛ أكلي، ستيفن (2023). "تكوين الجليد البحري، وذوبان الأنهار الجليدية، وشروط حدود مضخة الذوبان في بحر روس" . مجلة البحوث الجيوفيزيائية: المحيطات . 128 (8). doi : 10.1029/2022JC019322 . ISSN 2169-9275 . 
  6. ↑ فولوز، مايكل جيه؛ إيتو، تاكاميتسو؛ ماروتزكي، يوشيم (2002). "الدوامات شبه الاستوائية المدفوعة بالرياح ومضخة ذوبان ثاني أكسيد الكربون" . دورات الجيوكيمياء العالمية . 16 (4). doi : 10.1029/2001GB001786 . ISSN 0886-6236 . 
  7. ↑ جوخوم، م.؛ بيكوك، س.؛ مور، ك.؛ ليندسي، ك. (2010). "استجابة تدفقات الكربون بين الهواء والبحر والمناخ لتغيرات التأثير المداري في نموذج نظام المناخ المجتمعي: المناخ، الكربون، والتأثير المداري" . علم المحيطات القديمة . 25 (3). doi : 10.1029/2009PA001856 .
  8. ↑ ديلايغ، ل.؛ سولبيس، أ.؛ رايخارت، ج.-ج.؛ همفريز، م.ب. (2024). "مضخة الكربون البيولوجية المتغيرة في جنوب المحيط الأطلسي" . دورات الجيوكيمياء العالمية . 38 (9). doi : 10.1029/2024GB008202 . ISSN 0886-6236 . 
  9. ↑ نيكلسون، ديفيد؛ إيمرسون، ستيفن؛ كايون، نيكولاس؛ جوزيل، جان؛ هام، روبرتا سي. (2010). "تقييد التهوية أثناء تكوين المياه العميقة باستخدام قياسات المحيطات العميقة لنسب الغازات المذابة 40Ar/36Ar، N2/Ar، وKr/Ar" . مجلة البحوث الجيوفيزيائية: المحيطات . 115 (C11). doi : 10.1029/2010JC006152 . ISSN 0148-0227 . 
  10. ↑ هوليجان، باتريك م.؛ روبرتسون، جين إي. (1996). "أهمية موازنات كربونات المحيطات لدورة الكربون العالمية" . بيولوجيا التغير العالمي . 2 (2): 85-95 . doi : 10.1111/j.1365-2486.1996.tb00053.x . ISSN 1354-1013 . 
  11. ↑ بروفكين، فيكتور؛ هوفمان، ماتياس؛ بيندسن، يورغن؛ غانوبولسكي، أندريه (2002). "قد تتحكم بيولوجيا المحيطات في نسبة نظير الكربون 13 في الغلاف الجوي خلال دورة العصر الجليدي وما بين العصر الجليدي" . الكيمياء الجيولوجية، الجيوفيزياء، الجيولوجيا النظامية . 3 (5): 1-15 . doi : 10.1029/2001GC000270 . ISSN 1525-2027 . 
  12. ↑ ستوكل، إم آر؛ كاهرو، إم؛ بينيتيز-نيلسون، سي آر؛ ديسيما، إم؛ جوريك، آر؛ لاندري، إم آر؛ أومان، إم دي (2015). "استخدام دراسات العمليات القائمة على لاغرانج لاختبار خوارزميات الأقمار الصناعية لتدفق الكربون الرأسي في شرق شمال المحيط الهادئ" . مجلة البحوث الجيوفيزيائية: المحيطات . 120 (11): 7208-7222 . doi : 10.1002/2015JC011264 . ISSN 2169-9275 . 
  13. ↑ ديتزه، هـ.؛ أوشليس، أ. (2005). "حول العلاقة بين تدفق الحرارة بين الهواء والبحر وتبادل غاز الأكسجين الناتج عن عوامل غير حيوية في نموذج دوران شمال المحيط الأطلسي" . مجلة البحوث الجيوفيزيائية: المحيطات . 110 (C9). doi : 10.1029/2004JC002453 . ISSN 0148-0227 . 
  14. ↑ تاكاهاشي، تارو؛ ساذرلاند، ستيوارت سي؛ سويني، كولم؛ بواسون، آلان؛ ميتزل، نيكولاس؛ تيلبروك، برونتي؛ بيتس، نيكولاس؛ وانينكوف، ريك؛ فيلي، ريتشارد أ؛ سابين، كريستوفر؛ أولافسون، جون؛ نوجيري، يوكيهيرو (2002). " تدفق ثاني أكسيد الكربون العالمي بين البحر والهواء بناءً على ضغط ثاني أكسيد الكربون السطحي في المحيط مناخيًا ، والتأثيرات البيولوجية والموسمية لدرجة الحرارة". أبحاث أعماق البحار، الجزء الثاني: دراسات موضوعية في علم المحيطات . 49 ( 9-10 ): 1601-1622 . Bibcode : 2002DSRII..49.1601T . doi : 10.1016/S0967-0645(02)00003-6 .
  15. ↑ أور، جيه سي؛ ماير-رايمر، إي؛ ميكولاجيفيتش، يو؛ مونفري، بي؛ سارمينتو، جيه إل؛ توغويلر، جيه آر؛ تايلور، إن كيه؛ بالمر، جيه؛ غروبر، إن؛ سابين، سي إل؛ لو كويري، سي؛ كي، آر إم؛ بوتين، جيه. (2001). "تقديرات امتصاص الكربون البشري المنشأ من أربعة نماذج محيطية عالمية ثلاثية الأبعاد". دورات الجيوكيمياء العالمية . 15 : 43-60. doi : 10.1029/2000GB001273 . hdl : 21.11116/0000-0004-ECB6-5 .
  16. ↑ كوكس، بي إم؛ بيتس، آر إيه؛ جونز، سي دي؛ سبال، إس إيه؛ توترديل، آي جيه (2000). "تسارع الاحتباس الحراري العالمي نتيجة لتأثيرات دورة الكربون في نموذج مناخي مقترن". مجلة نيتشر . 408 : 184-187. doi : 10.1038/35041539 .
  17. ↑ يول، أندرو؛ شيبارد، جون ج.؛ برايدن، هاري ل.؛ أوشليس، أندرياس (2009). "انخفاض كفاءة نقل المغذيات لتعزيز امتصاص المحيطات لثاني أكسيد الكربون" . مجلة البحوث الجيوفيزيائية: المحيطات . 114 (C8). doi : 10.1029/2008JC004792 . ISSN 0148-0227 .