Сколько времени потребуется водорослям, чтобы распространиться по морю

Сколько времени потребуется водорослям, чтобы распространиться по всему океану планеты?

Водоросли должны плавать, так что это зависит от океанских течений. Самая высокая устойчивая скорость среди всех течений на Земле — это, вероятно, антарктическое циркумполярное течение со скоростью около 4 км/ч. Разделим окружность Земли на то, что нужно оценить$\frac{40000 \text{km}}{4 \text{km/h}} = 10000 \text{h} = 417 \text{days}$. Разная скорость течений и разная континентальная геометрия, материя; поскольку большинство течений не такие быстрые, около 2 лет, вероятно, является хорошей оценкой.

Сколько времени нужно, чтобы преобразовать атмосферу в пригодную для дыхания?

Итак, во-первых, здесь работают два отдельных процесса. CO2 превращается в органический углерод, такой как углеводы, а вода превращается в кислород на отдельных этапах процесса фотосинтеза. Итак, когда 20% CO$_2$ушли, это не значит, что 20% O$_2$как было создано, или наоборот.

Этот сайт предполагает, что первичная продуктивность мирового океана составляет 3,8 пг в месяц. И здесь у нас есть оценка 47,5% по массе C в растительности, согласованная для всех видов растительности. Чтобы закончить этот расчет, нам нужна масса 20% CO.$_2$в атмосфере. Чтобы упростить задачу, мы скажем О.$_2$и н$_2$имеют примерно одинаковую молекулярную массу. Это$\frac{14}{32}$отношение молекулярной массы между углеродной частью CO$_2$и О$_2$, поэтому 20% от$5.15\times 10^{18} \text{kg}$атмосфера дает нам$0.2 \cdot 5.15\times 10^{18} \text{kg} \cdot \frac{14}{32} = 4.5\times10^{17} \text{kg}$углерода, который необходимо удалить из атмосферы. Собираем все вместе:

$$\frac{4.5\times10^{17} \text{kg}}{0.475 \frac{\text{carbon}}{\text{biomass}} \cdot 3.8\times10^{12} \text{kg}\frac{\text{biomass}}{\text{month}}} = 249653\, \text{months} = 20804\, \text{years}$$

20 тысячелетий, это кажется безумно быстро!?! Что ж, если нет других дышащих форм жизни, круговорота углерода не так много. Он исходит из атмосферы, превращается в водоросли и опускается на дно океана.

В альтернативном расчете эта статья предполагает, что вы можете получить до 30 г на м$^2$в день производства биомассы на фермах по выращиванию водорослей, предназначенных для улавливания углерода. Если использовать всю поверхность океана ($3.6\times10^{14}\text{m}^2$как ваша ферма вы получите

$$\frac{4.5\times10^{17} \text{kg}}{0.03 \frac{\text{kg}}{\text{m}^2\cdot\text{day}}\cdot 0.475 \frac{\text{carbon}}{\text{biomass}} \cdot 3.6\times10^{14}\text{m}^2} = 87719\, \text{days} = 240\, \text{years}.$$

Таким образом, вы, вероятно, можете удалить весь CO$_2$через пару столетий с тщательно оптимизированным планом водорослей.

На Кислород. Во время Великого кислородного события ; шло много химических реакций. Наивный расчет, подобный приведенному выше, будет особенно нереалистичным, поскольку O$_2$это такое реактивное соединение, что оно будет реагировать практически со всем, что находится вокруг. В частности, по-видимому, когда-то на поверхности земли было много элементарного железа. За сотни миллионов лет все это окислилось в ржавые отложения, которые мы добываем сегодня.

В этой статье (на стр. 9) оценивается, что нынешние уровни содержания кислорода будут достигнуты через 2000 лет при сегодняшней скорости фотосинтеза. Но произошла бы значительная потеря кислорода из-за свободного железа, серы и других легко окисляемых минералов, присутствующих в морской воде и в обнаженных скалах на суше. На этой странице есть некоторые факты и цифры. В геологической истории потребовалось от 10 до 100 миллионов лет, чтобы заполнить все доступные поглотители кислорода.

Способ обойти это скорость производства кислорода. Предположим, что так же, как мы могли бы увеличить скорость производства кислорода в 100 раз, как мы сделали с CO.$_2$на фермах по выращиванию водорослей. Теперь мы производим кислорода на атмосферу каждые 20 лет. Это может быть быстрее, чем геологические процессы могут поглотить свободный кислород. Итак, допустим, мы получаем еще одно замедление в 10 раз из-за поглощения кислорода, и бац, у нас ровно 200 лет, чтобы снова насытить атмосферу кислородом. Немного сумбурно, но я не могу найти данных о скорости поглощения кислорода горными породами на ранней Земле, так что остановимся на этом.

Выводы

Водоросли заполнили бы земные океаны за несколько лет, настолько быстро, что не имели бы никакого отношения к процессу терраформирования.

Используя естественные процессы и несколько банок водорослей, потребуется 20 000 лет, чтобы избавиться от CO.$_2$, и десятки миллионов лет, чтобы добавить достаточно кислорода, чтобы заполнить все кислородные поглотители.

Используя специально отобранные/сконструированные водоросли и сосредоточенные усилия, вы можете заменить CO$_2$с О$_2$всего за 200 лет.

---

Отредактируйте, чтобы перепроверить науку.

Предположим , что средние значения падающего солнечного света$6 \frac{\text{kWh}}{\text{m}^2}$. Умножьте на площадь океана, и получится

$$6 \frac{\text{kWh}}{\text{m}^2}\cdot 3.6\times10^{14}\text{m}^2=2.8\times10^{24}\frac{\text{J}}{\text{year}}.$$

Стоимость фотосинтеза 478800 Дж на моль СО$_2$удаляется (здесь я буду измерять только углеродную сторону), и на каждый удаляемый моль удаляется 0,014 кг углерода. Это дает нам:

$$\frac{2.8\times10^{24}\frac{\text{J}}{\text{year}}}{478880\frac{\text{J}}{\text{mol}}} \cdot 0.014\frac{\text{kg}}{\text{mol}} = 8.3\times10^{16}\frac{\text{kg}}{\text{year}}.$$

Это означает около 5 лет, чтобы удалить весь CO.$_2$в атмосфере, улавливая каждый Дж энергии, падающей на океаны, и используя ее со 100% эффективностью. Если учесть, что фотосинтез может использовать около 45% падающей энергии при эффективности 30%, то, если каждый Дж падающей энергии ударяет по холоропласту, потребуется около 37 лет, чтобы удалить весь CO.$_2$в атмосфере.

Таким образом, 200 лет — это 19% эффективности по сравнению с максимальным теоретическим значением фотосинтеза, или, другими словами, если вы можете использовать 19% падающего на океан солнечного света для использования водорослями, вы удалите весь CO.$_2$из атмосферы за 200 лет.

Небольшая трудность:

Не вымрут ли ваши водоросли почти сразу от кислородного голодания? Водоросли, как и все растения, нуждаются в кислороде для своей клеточной функции. Те, которые находятся под прямыми солнечными лучами, могут начать фотосинтезировать достаточно, чтобы продержаться в дневное время, но как только солнце зайдет в первый раз, они будут зависеть от кислорода в своих клетках и в непосредственной близости от них, чтобы выжить. Концентрация воды фактически равна нулю, поэтому их собственные запасы истощаются за считанные минуты, в результате чего водоросли задыхаются.

PS При этом игнорируется сложность выращивания водорослей в перенасыщенных углекислотой океанах с pH около 3,6.