日期和火成的碳的命运:使用光谱来理解全球碳汇“失踪”半岛综合体育官方APP下载德甲

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^一个苏格兰大学环境研究中心,兰金大道,苏格兰企业科技园区,东基尔布赖德,G75 0 qf,苏格兰,英国。电子邮件:(电子邮件保护)
^b学院的科学、技术和工程和热带环境和可持续性科学中心的詹姆斯库克大学,昆士兰的凯恩斯4870年,澳大利亚
^c诺丁汉大学工学院,能源技术建设,创新园,欢乐的校园,胜利道路,英国诺丁汉NG7 2你,

简介:许多面临高温碳的环境

火成的碳不完全燃烧产生的任何类型的生物量。燃烧过程可以是自然的,如野火,或由人类控制,如化石燃料燃烧或国内火取暖和做饭。地球上这些过程有非常悠久的历史,与野火的礼物至少4亿年前,¹和火的使用可能追溯到几乎整个人类的历史。²在火灾中,生物量的比例通常是热解(暴露于高温条件限制氧),并转换为火成的碳,我们也知道这是char、木炭或烟尘。这个过程大大提高材料的碳含量,而且通常产生一个高度聚芳结构,更耐比重点分析生物质环境恶化。近年来有了巨大的增长的利息周围的火成的碳环境中的表现如何,我们已经意识到它可以有一些强大的负面影响。例如,我们现在知道,火成的碳在大气中仅次于有限公司₂导致全球变暖,³,是一个关键因素在喜马拉雅冰川的退缩和北极海冰反照率反馈。^4,5进一步,对全球公共卫生的影响周围的火成的碳排放,导致成千上万的过早死亡通过降低空气质量。

另一方面,火成的碳是非常有用的对于考古学和环境科学的研究,作为它的芳香结构意味着它仍在环境很长一段时间。结果,这是最常见的一种材料提交放射性碳年代测定法,并提供了宝贵的信息活动过去的社会和过去环境变化的时间表。也有强烈兴趣的可能性使用木炭作为缓解气候变化的工具;背后的想法是碳“锁定”几千年来当生物质转化为木炭,在这种情况下也被称为“生物炭”,然后埋在土壤。⁶尽管如此感兴趣,然而,我们仍然知之甚少如何火成的碳行为环境,至关重要的是,它是否形成一个全球碳和水槽/多久这个水池是稳定的。为了解决这个知识差距,我们需要知道有多少火成的碳存在于不同的全球碳水库和多么迅速降低,这在很大程度上是其化学结构的函数。因为我们目前没有明确回答这些问题之前,火成的碳可以形成一个“失踪”链接在全球碳循环中,解释当前碳循环模型的差异。⁷这些问题保持开放的一个原因是,火成的碳是一种困难的物质分离和研究。缺乏共识火成的碳实际上是什么,和定义包括一系列的物理和化学特性,如连续的属性如图1所示。

图1所示。“火成的碳连续”显示变化的物理和化学特征生物质已经改变了的火。注意,术语“火成的碳”本身是指连续的特征并不是一个单一类型的材料。与爱思唯尔的许可转载引用8。

结果,应用了一系列分析方法,试图从环境样品中提取火成的碳为了更好地描述它。这些方法的问题是火成的碳操作上定义的每个技术隔离,和大多数技术会导致一系列可能的正面和负面的文物。这些问题导致好几个数量级的变化当一个方法应用于同一样品在不同的实验室,⁹并导致大量不确定性火成的碳在不同储层的实际;例如,与出版相关不确定性的估计大气黑碳(最耐的火成的碳)两到五倍在区域尺度和全球尺度至少±50%。¹⁰一个严重的问题是缺乏理解在公元前(炭黑)降解途径和营业额乘以在土壤和沉积物。虽然以前的估计火成的碳表示其极端稳定,导致环境的半衰期~ 3000年,¹¹十年甚至怀疑年度火成的碳降解¹²支持新的数据显示退化木炭超过67天。¹³因此迫切需要更好的描述火成的碳,并理解其在全球碳循环中的作用。

新方法探讨火成的碳分子的形式

我们已经使用新的方法来隔离化学定义良好的火成的碳比例从一个范围的环境材料(如土壤、河流和溶解有机碳气溶胶)。意向性还原性去除热原的方法使用高压氢碳样品,和被称为hydropyrolysis (HyPy)。这种技术隔离火成的碳样本,然后可以量化,更详细地描述。此外,热原碳分数被困和本身可以在分子水平上研究,例如通过气相色谱分析-质谱法(gc - ms)。¹⁴在田间试验HyPy被用来跟踪高温热原土壤中碳分数的命运。HyPy变化尤其敏感在这些水库和结合gc - ms分析,可推断出的多环芳烃(多环芳烃)表示,后者明显下降随着时间的推移,在两年的研究。HyPy应用于12火成的碳环试验的参考资料,⁹由五个环境矩阵(两个土壤,气溶胶,溶解有机物和海洋沉积物),三个laboratory-produced材料(两个炭和烟尘),和四个“空白”材料(类黑精、褐煤、页岩和煤炭)。¹⁵这是评估我们的方法是否能够精确地给我们火成的碳含量在所有这些类型的材料。所有材料的方法执行好除了煤炭,HyPy无法区分火成的碳和煤的聚芳结构本身(不是由生物质燃烧),和测试表明,HyPy是唯一方法,公元前的组成可以定义衡量,H / C原子< 0.5对应七环和大non-BC分数组成包括6枚总冠军戒指。在进一步的测试中,HyPy能够十分有效的“清理”古炭(ca30000 - 50000岁)对放射性碳年代测定法。¹⁶在这里,光谱半岛综合体育官方APP下载德甲学是一个宝贵的工具来跟踪污染物的去除,¹³C-solid国家核磁共振(¹³C SS-NMR)在这方面特别有用。火成的碳提供了独特的高峰¹³C SS-NMR光谱,集中在130 ppm,¹⁷所以可以追踪污染物的去除纤维素等之间的特征峰ca20 - 105 ppm,例如,图2所示。

图2。¹³C SS-NMR光谱考古炭(原木炭是光谱1)显示不完整的去除的污染物(如纤维素)酸碱处理(2)光谱和化学氧化(光谱3),与热原碳的完全删除HyPy(光谱4)。(阿兹:从Faial岛,亚速尔群岛;TSB: Toca做这样Serrote da Bastinia、巴西)。本文从参考16许可转载。

半岛综合体育官方APP下载德甲光谱也至关重要在理解高温环境中碳的分解。这里,傅里叶变换红外(ir)光谱是非常有用的,提供高温碳本身的分子结构信息,和物质半岛综合体育官方APP下载德甲,可以从这些材料中提取后暴露于环境条件(即退化的产物)。C = C的债券火成的碳在傅立叶变换红外光谱是非常不同的,并且可以随时分开光谱贡献的其他材料样本。傅立叶变换红半岛综合体育官方APP下载德甲外光谱还透露,火成的碳降解的过程涉及羧化作用的芳香结构,又产生一个非常不同的红外光谱响应。应用傅立叶变换红外光谱对这些问题,利用考古样品材料,表明在土壤或沉积物较长时间后,火成的碳的一部分可能会被转换为物质在土壤中移动,并可以淋溶离火成的碳结构,然后进入一个潜在faster-cycling池全球碳循环。¹⁸

另一个应用程序,使超高分辨率见解火成的碳动力学环境放射性碳年代测定法。这种方法适用于加速器质谱(AMS)计算单个原子的碳的放射性同位素,¹⁴c环境中含碳样本包含不同层次的¹⁴C根据前兆时间死亡或最终形成的时刻,这意味着AMS允许我们确定样品多久火成的碳的环境,以及如何迅速翻在碳循环。AMS也使我们能够区分不同的火成的碳样本来源,特别是来自燃烧化石燃料和生物质燃烧。这有助于了解空气污染的来源来源,例如,是有可能的,因为生物质包含“现代”的水平¹⁴C,而化石燃料不含水平可以衡量的¹⁴C,根据他们的年龄。

这些方法的化学描述火成的碳可以备份物理描述其结构的方法。一个令人兴奋的发展在这方面的应用x射线microtomography,这是一个3 d扫描火成的碳颗粒表面和内部的(图3)。

图3。x射线microtomographic古代木炭的图像。C形象显示了pres-ence矿物包裹体的微孔隙内部的样本。从参考19与爱思唯尔的许可转载。

这让我们了解样品的表面积和孔隙度,一起确定矿物材料,已成为被困在样本,并可能在火成的碳的降解中发挥作用的环境。

日期和命运:了解全球自行车火成的碳

当前的理解火成的碳在碳循环中的作用正在迅速发展,并揭示了其重要性作为一种尚未被纳入有效的碳碳循环模型。我们现在知道,火成的碳年产量50 - 200吨/年^20.版本7.5 -.17亿吨火成的碳到大气中,²¹和导致存储54 - 109吨火成的碳在土壤。²²Inter-reservoir火成的碳通量是实质性的,估计运输19 - 80吨/年的河流向大海²¹和硕士每年运输700万吨碳火成的,分别。²²人们的一个担忧是,气候变化和人类活动正在发挥作用,动员股票的火成的碳存储多达几千年的时间。例如加强北极永久冻土融化,这是一个主要的存储库的火成的碳由于几千年来北方森林火灾。²³此外,历史以来巴西大西洋森林被人类破坏的时间15^th-16年^th世纪探险家哥伦布产生了大量股票火成的碳,被运送到海洋的速度每年50000 - 70000吨。²⁴我们根本不知道多少火成的碳释放到大气中,有限公司₂,而被存储在长期的积淀,比如在海底。

我们的工作开始阐明其中的一些问题,通过监测碳从火成的碳的释放在环境中。在澳大利亚的热带雨林里,我们观察到火成的碳损失年度计划时间表,出现的速率与土壤的化学的火成的碳沉积。我们还观察到有限的释放₂来自木炭在实验室土壤孵化实验的几个月。这种损失的火成的碳与土壤微生物的活动密切相关,而出现能够打破火成的碳以获取能量。高温下碳产生的条件似乎也在其环境中发挥作用的命运;例如,真菌最容易殖民火成的碳的表面产生较低的温度。²⁵

总结

总的来说,重要的问题保持周围的火成的碳在全球碳循环中的作用,我们才刚刚开始解决这些问题。似乎命运的高温环境中碳强烈取决于,不仅的特定化学物质本身,还竖起它的沉积环境。半岛综合体育官方APP下载德甲光谱学是回答这些问题的核心,主要的形式¹³C-SS-NMR和傅立叶变换红外光谱,尽管几个方法的集成,提供了最富有成效的方法来理解这种碳循环中缺失的一环。

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