海洋生物地球化学サイクル

炭素、窒素、リン、その他の元素は、生物学、化学、循環によって駆動される密接に結合したループの中で海洋を循環し、海を地球の気候と化学の広大な調節器としています。

Definition

海洋生物地球化学サイクルとは、生物学的および地球化学的に重要な元素が、海中の溶存、粒子状、生物、堆積物貯蔵庫の間を移動し、大気と交換する、結合した経路のことです。

Scope

このトピックでは、海洋炭素循環と溶解度ポンプおよび生物学的炭素ポンプ、窒素固定、硝化、脱窒を含む窒素循環、リン、ケイ素、鉄の循環、大気とのガス交換、およびこれらのサイクルと海洋循環および堆積物との結合について扱います。

Core questions

• 溶解度ポンプと生物学的ポンプは、どのようにして炭素を表層から深海へと移動させるのでしょうか？
• どのような微生物変換が海洋窒素循環を駆動し、窒素の投入と損失はどのようにバランスが取られているのでしょうか？
• 異なる元素のサイクルは、有機物と循環を通じてどのように関連しているのでしょうか？
• これらのサイクルは、短期および地質学的時間スケールで大気中の二酸化炭素をどのように調節するのでしょうか？

Key theories

溶解度ポンプと生物学的炭素ポンプ

炭素は、冷たい表層水が溶存二酸化炭素を運びながら沈降する物理的なプロセスと、沈降する有機粒子が表層から炭素を運び去る生物学的なプロセスによって、深海へと引き込まれます。

海洋窒素循環のバランス

生物学的窒素固定は固定窒素を加え、脱窒とアナモックスはそれを取り除きます。これらの微生物プロセスの長期的なバランスが、しばしば制限要因となるこの栄養塩の海洋貯蔵量を調節します。

Mechanisms

光合成は炭素と栄養塩を有機物として固定し、それが沈降して深部で呼吸される一方、ガス交換と冷たく密度の高い水の沈降が二酸化炭素を下方へ移動させます。微生物群集は窒素をその酸化状態間で変換し、堆積物中のゆっくりとした埋没が地質学的時間スケールでサイクルを完結させます。循環は表層と深層の貯蔵庫を結びつけ、交換の時間スケールを設定します。

Clinical relevance

これらのサイクルは、海洋が大気からどれだけの二酸化炭素を除去するか、したがって気候緩和におけるその役割を制御します。一方、温暖化と汚染によって引き起こされる栄養塩と酸素循環の変化は、生産性、デッドゾーン、および亜酸化窒素などの温室効果ガスの排出を変化させます。

History

レッドフィールドの元素比に基づいて、海洋生物地球化学の現代的統合は、20世紀後半の地球規模調査プログラム（GEOSECS、JGOFS、WOCE）と、海洋のサイクルを惑星の炭素および窒素収支の中心的な構成要素として位置づけた地球システム思考から生まれました。

Key figures

• Alfred Redfield
• Paul Falkowski
• Nicolas Gruber

Seminal works

• sarmientoGruber2006
• falkowski2000

Frequently asked questions

生物学的ポンプとは何ですか？

これは、海洋生物が溶存二酸化炭素を有機物に変換し、それが深海に沈降することで、炭素を大気との接触から遠ざける一連のプロセスです。

海洋は大気中の二酸化炭素にどのように影響しますか？

ガス交換と溶解度ポンプおよび生物学的ポンプを通じて、海洋は人間の二酸化炭素排出量の大部分を吸収し、より長い時間スケールでは、大気中のガスの自然なレベルを調節します。