Углеродный цикл и изменения климата

Реферат написал Артём Губанков

МГУ, ф-т почвоведения

Содержание.

Введение.

Взаимосвязь между энергопотреблением, экономической деятельностью и поступлением  в атмосферу.

Потребление энергии и выбросы углекислого газа.

Углерод в природе.

Основные химические соединения и реакции.

Изотопы углерода.

Углерод в атмосфере.

Атмосферный углекислый газ.

Содержание изотопа С в атмосферном углекислом газе.

Содержание изотопа С в атмосферном углекислом газе.

Перемешивание в атмосфере.

Газообмен в системе атмосфера - океан.

Скорость газообмена.

Буферные свойства карбонатной системы.

Углерод в морской воде.

Полное содержание углерода и щёлочность.

Фотосинтез, разложение и растворение органического вещества.

С в океане.

Донные осадки океана.

Процессы переноса в океане.

Углерод в континентальной биоте и в почвах.

Углерод в биоте и первичная продуктивность.

Углерод в почве.

Изменение содержания углерода в континентальных экосистемах.

Прогнозы концентрации углекислого газа в атмосфере на будущее. Основные выводы.

Список литературы.

Человек и климат.

Влияние человека на климат начало проявляться несколько тысяч лет тому назад в связи с развитием земледелия. Во многих районах для обработки земли уничтожалась лесная растительность, что приводило к увеличению скорости ветра у земной поверхности, некоторому изменению режима температуры и влажности нижнего слоя воздуха, а также к изменению режима влажности почвы, испарения и речного стока. В сравнительно сухих областях уничтожение лесов часто сопровождается усилением пыльных бурь и разрушением почвенного покрова, заметно изменяющими природные условия на этих территориях.

Вместе с этим уничтожение лесов даже на обширных пространствах оказывает ограниченное влияние на метеорологические процессы большого масштаба. Уменьшение шероховатости земной поверхности и некоторое изменение испарения на освобождённых от лесов территориях несколько изменяет режим осадков, хотя такое изменение сравнительно невелико, если леса заменяются другими видами растительности.

Более существенное влияние на осадки может оказать полное уничтожение растительного покрова на некоторой территории, что неоднократно происходило в прошлом в результате хозяйственной деятельности человека. Такие случаи имели место после вырубки лесов в горных районах со слабо развитым почвенным покровом. В этих условиях эрозия быстро разрушает не защищённую лесом почву, в результате чего становится невозможным дальнейшее существование развитого растительного покрова. Похожее положение возникает в некоторых областях сухих степей, где естественный растительный покров, уничтоженный вследствие неограниченного выпаса сельскохозяйственных животных , не возобновляется, в связи с чем эти области превращаются в пустыни.

Поскольку земная поверхность без растительного покрова сильно нагревается солнечной радиацией, относительная влажность воздуха на ней падает, что повышает уровень конденсации и может уменьшать количество выпадающих осадков. Вероятно, именно этим можно объяснить случаи невозобновления естественной растительности в сухих районах после её уничтожения человеком.

Другой путь влияния деятельности человека на климат связан с применением искусственного орошения. В засушливых районах орошение используется в течение многих тысячелетий, начиная с эпохи древнейших цивилизаций, возникших в долине Нила и междуречье Тигра и Ефрата.

Применение орошения резко изменяет микроклимат орошаемых полей. Из-за незначительного увеличения затраты тепла на испарение снижается температура земной поверхности, что приводит к понижению температуры и повышению относительной влажности нижнего слоя воздуха. Тем не менее такое изменение метеорологического режима быстро затухает за пределами орошаемых полей, поэтому орошение приводит только к изменениям местного климата и мало влияет на метеорологические процессы большого масштаба.

Другие виды деятельности человека в прошлом не оказывали заметного влияния на метеорологический режим сколько-нибудь обширных пространств, поэтому до недавнего времени климатические условия на нашей планете определялись в основном естественными факторами. Такое положение начало изменяться в середине ХХ века из-за быстрого роста численности населения и особенно из-за ускорения развития техники и энергетики.

Современные воздействия человека на климат можно разделить на две группы, из которой к первой относятся направленные воздействия на гидрометеорологический режим, а ко второй - воздействия, являющиеся побочными следствиями хозяйственной деятельности человека.

Данная работа ставит своей целью рассмотреть в первую очередь вторую группу воздействиий, и, в частности, влияние человека на углеродный цикл.

Введение.

Деятельность человека достигла уже такого уровня развития, при котором её влияние на природу приобретает глобальный характер. Природные системы - атмосфера, суша, океан, - а также жизнь на планете в целом подвергаются этим воздействиям. Известно, что на протяжении последнего столетия увеличивалось содержание в атмосфере некоторых газовых составляющих, таких, как двуокись углерода (), закись азота (), метан () и тропосферный озон (). Дополнительно в атмосферу поступали и другие газы, не являющиеся естественными компонентами глобальной экосистемы. Главные из них - фторхлоруглеводороды. Эти газовые примеси поглощают и излучают радиацию и поэтому способны влиять на климат Земли. Все эти газы в совокупности можно назвать парниковыми.

Представление о том, что климат мог меняться в результате выброса в атмосферы двуокиси углерода, появилось не сейчас. Аррениус указал на то, что сжигание ископаемого топлива могло привести к увеличению концентрации атмосферного  и тем самым изменить радиационный баланс Земли. В настоящие время мы приблизительно известно, какое количество  поступило в атмосферу за счёт сжигания ископаемого топлива и изменений в использовании земель (сведения лесов и расширения сельскохозяйственных площадей), и можно связать наблюдаемое увеличение концентрации атмосферного  с деятельностью человека.

Механизм воздействия  на климат заключается в так называемом парниковом эффекте. В то время как для коротковолновой солнечной радиации  прозрачен, уходящую от земной поверхности длинноволновую радиацию этот газ поглощает и переизлучает поглощённую энергию по всем направлениям. Вследствие этого эффекта увеличение концентрации атмосферного  приводит к нагреву поверхности Земли и нижней атмосферы. Продолжающийся рост концентрации  в атмосфере может привести к изменению глобального климата, поэтому прогноз будущих концентраций углекислого газа является важной задачей.

Поступление углекислого газа в атмосферу в результате промышленных выбросов.

Взаимосвязь между энергопотреблением, экономической деятельностью и поступлением углекислого газа в атмосферу.

Основным антропогенным источником выбросов  является сжигание всевозможных видов углеродосодержащего топлива. В настоящее время экономическое развитие обычно связывается с ростом индустриализации. Исторически сложилось, что подъём экономики зависит от наличия доступных источников энергии и количества сжигаемого ископаемого топлива. Данные о развитии экономики и энергетики для большинства стран за период 1860-1973 гг. Свидетельствуют не только об экономическом росте, но и о росте энергопотребления. Тем не менее одно не является следствием другого. Начиная с 1973 года во многих странах отмечается снижение удельных энергозатрат при росте реальных цен на энергию. Недавнее исследование промышленного использования энергии в США показало, что начиная с 1920 года отношение затрат первичной энергии к экономическому эквиваленту производимых товаров постоянно уменьшалось. Более эффективное использование энергии достигается в результате совершенствования промышленной технологии, транспортных средств и проектирования зданий. Кроме того, в ряде промышленно развитых стран произошли сдвиги в структуре экономики, выразившиеся в переходе от развития сырьевой и перерабатывающей промышленности к расширению отраслей, производящих конечный продукт.

Минимальный уровень потребления энергии на душу населения, необходимый в настоящее время для удовлетворения нужд медицины, образования и рекреации, значительно меняется от региона к региону и от страны к стране. Во многих развивающихся странах значительный рост потребления высококачественных видов топлива на душу населения является существенным фактором для достижения более высокого уровня жизни. Сейчас представляется вероятным, что продолжение экономического роста и достижение желаемого уровня жизни не связаны с уровнем энергопотребления на душу населения, однако этот процесс ещё недостаточно изучен.

Можно предположить, что до достижения середины следующего столетия экономика большинства стран сумеет приспособиться к повышенным ценам на энергию, уменьшая потребности в рабочей силе и в других видах ресурсов, а также увеличивая скорость обработки и передачи информации или, возможно, изменяя структуру экономического баланса между производством товаров и предоставлением услуг. Таким образом, от выбора стратегии развития энергетики с той или иной долей использования угля или ядерного топлива в энергетической системе будет непосредственно зависеть скорость промышленных выбросов .

Потребление энергии и выбросы углекислого газа.

Энергия не производится ради самого производства энергии. В промышленно развитых странах основная часть вырабатываемой энергии приходится на промышленность, транспорт, обогрев и охлаждение зданий. Во многих недавно выполненных исследованиях показано, что современный уровень потребления энергии в промышленно развитых станах может быть существенно снижен за счёт применения энергосберегающих технологий. Так, было рассчитано, что если бы США перешли бы при производстве товаров широкого потребления и в сфере услуг на наименее энергоёмкие из уже имеющихся технологий при том же объёме производства, то количество поступающего в атмосферу  уменьшилось бы на 25%. Результирующее уменьшение выбросов  в целом по земному шару при этом составило бы 7%. Подобный эффект имел бы место и в других промышленно развитых странах. Дальнейшего снижения скорости поступления  в атмосферу можно достичь путём изменения структуры экономики в результате внедрения более эффективных методов производства товаров и усовершенствований в сфере предоставления услуг населению.

Углерод в природе.

Среди множества химических элементов, без которых невозможно существование жизни на Земле, углерод является главным. Химические превращения органических веществ связаны со способностью атома углерода образовывать длинные ковалентные цепи и кольца. Биогеохимический цикл углерода, естественно, очень сложный, так как он включает не только функционирование всех форм жизни на Земле, но и перенос неорганических веществ как между различными резервуарами углерода, так и внутри них. Основными резервуарами углерода являются атмосфера, континентальная биомасса, включая почвы, гидросфера с морской биотой и литосфера. В течение последних двух столетий в системе атмосфера - биосфера - гидросфера происходят изменения потоков углерода, интенсивность которых примерно на порядок величины превышает интенсивность геологических процессов переноса этого элемента. По этой причине следует ограничиться анализом взаимодействий в пределах этой системы, включая почвы.

Основные химические соединения и реакции.

Известно более миллиона углеродных соединений, тысячи из которых участвуют в биологических процессах. Атомы углерода могут находиться в одном из девяти возможных состояний окисления: от +IV до -IV. Наиболее распространённое явление - это полное окисление, т.е. +IV, примерами таких соединений могут служить  и . Более 99% углерода в атмосфере содержится в виде углекислого газа. Около 97% углерода в океанах существует в растворённой форме (), а в литосфере - в виде минералов. Примером состояния окисления +II является малая газовая составляющая атмосферы , которая довольно быстро окисляется до .Элементарный угрерод присутствует в атмосфере в малых количествах в виде графита и алмаза, а в почве - в форме древесного угля. Ассимиляция углерода в процессе фотосинтеза приводит к образованию восстановленного углерода, который присутствует в биоте, мёртвом органическом веществе почвы, в верхних слоях осадочных пород в виде угля, нефти и газа, захоронённых на больших глубинах, и в литосфере - в виде рассеянного недоокисленного углерода. Некоторые газообразные соединения, содержащие недоокисленный углерод , в частности метан, поступают в атмосферу при восстановлении веществ, происходящем в анаэробных процессах. Хотя при бактериальном разложении образуется несколько различных газообразных соединений, они быстро окисляются, и можно считать, что в систему поступает . Исключением является метан, поскольку он также влияет на парниковый эффект. В океанах содержится значительное количество растворённых соединений органического углерода, процессы окисления которых до  известны ещё недостаточно хорошо.

Изотопы углерода.

В природе известно семь изотопов углерода, из которых существенную роль играют три. Два из них -  и  - являются стабильными, а один -  - радиоактивным с периодом полураспала 5730 лет. Необходимость изучения различных изотопов углерода обусловлена тем, что скорости переноса соединений углерода и условия равновесия в химических реакциях зависят от того, какие изотопы углерода содержат эти соединения. По этой причине в природе наблюдается различное распределение стабильных изотопов углерода. Распределение же изотопа , с одной стороны, зависит от его образования в ядерных реакциях с участием нейтронов и атомов азота в атмосфере, а с другой - от радиоактивного распада.

Углерод в атмосфере.

Атмосферный углекислый газ.

Тщательные измерения содержания атмосферного  были начаты в 1957 году Киллингом в обсерватории Мауна-Лоа. Регулярные измерения содержания атмосферного  проводятся также на ряде других станций. Из анализа наблюдений можно заключить, что годовой ход концентрации  обусловлен в основном сезонными изменениями цикла фотосинтеза и деструкции растений на суше; на него также влияет, хотя и меньшей степени, годовой ход температуры поверхности океана, от которого зависит растворимость  в морской воде. Третьим, и , вероятно, наименее важным фактором является годовой ход интенсивности фотосинтеза в океане. Среднее за каждый данный год содержание  в атмосфере несколько выше в северном полушарии, поскольку источники антропогенного поступления  расположены преимущественно в северном полушарии. Кроме того, наблюдаются небольшие межгодовые изменения содержания , которые, вероятно, определяются особенностями общей циркуляции атмосферы. Из имеющихся данных по изменению концентрации  в атмосфере основное значение имеют данные о наблюдаемом в течение последних 25 лет регулярном росте содержания атмосферного . Более ранние измерения содержания атмосферного углекислого газа (начиная с середины прошлого века) были, как правило, недостаточно полны. Образцы воздуха отбирались без необходимой тщательности и не производилась оценка погрешности результатов. С помощью анализа состава пузырьков воздуха из ледниковых кернов стало возможным получить данные для периода с 1750 по 1960 год. Было также выявлено, что определённые путём анализа воздушных включений ледников значения концентраций атмосферного  для 50-х годов хорошо согласуются с данными обсерватории Мауна-Лоа. Концентрация  в течение 1750-1800 годов оказалась близкой к значению 280 млн, после чего она стала медленно расти и к 1984 году составляла 3431 млн.

Содержание изотопа С в атмосферном углекислом газе.

Содержание изотопа  выражается отклонением () () отношения  от общепринятого стандарта. Первые измерения содержания изотопа  в атмосфере были проведены Килингом в 1956 году и повторены им же в 1978 году. Значение  для атмосферного  в 1956 году было равно 7, а в 1978 составляло -7,65. Недавно были опубликованы также данные измерений  в углекислом газе воздушных включений в ледниках. В среднем оценки уменьшения  в атмосферном  в течение последних 200 лет составляют 1,0-1,5. Наблюдаемые изменения содержания  вызваны главным образом поступлением  в атмосферу с меньшим значением  при вырубке лесов, изменении характера землепользования и сжигания ископаемого топлива.

Содержание изотопа С в атмосферном углекислом газе.

Количество изотопа  на Земле зависит от баланса между образованием  под воздействием космического излучения и его радиоактивным распадом. По-видимому, до начала сельскохозяйственной и промышленной революции распределение изотопа  в различных резервуарах углерода сохранялось примерно неизменным. До начала заметных изменений, вызванных выбросами  при испытаниях ядерного оружия, с начала прошлого века до середины текущего происходило уменьшение содержания . Оно было главным образом вызвано выбросом  за счёт сжигания ископаемого топлива, в котором не содержится радиоактивный изотоп . Это привело к уменьшению содержания  в атмосфере. Начиная с первых испытаний ядерного оружия в 1952 и 1954 годах наблюдались существенные изменения содержания  в атмосферном углекислом газе. Большое поступление  в атмосферу произошло в результате ядерных испытаний, проведённых США в Тихом океане в 1958 году и СССР в 1961-1962 годах. После этого выбросы были заметно ограничены. Первоначально большая часть радиоактивных продуктов переносилась в стратосферу. Поскольку время обмена между стратосферой и атмосферой составляет несколько лет, то уменьшение концентрации изотопа  в тропосфере, обусловленное взаимодействием с континентальной биотой и океанами, начиная с 1965 года происходило более медленно за счёт поступления этого изотопа из стратосферы.

Перемешивание в атмосфере.

Перемешивание воздуха в тропосфере происходит довольно быстро. Пассаты в средних широтах в обоих полушариях огибают Землю в среднем примерно за один месяц, вертикальное перемещение между земной поверхностью и тропопаузой (на высоте от 12 до 16 км) также происходит в течение месяца, перемешивание в направлении с севера на юг в пределах полушария происходит приблизительно за три месяца, а эффективный обмен между двумя полушариями осуществляется примерно за год. Поскольку в данной работе рассматриваются процессы, изменения которых происходят за время порядка нескольких лет, десятилетий и столетий, можно считать, что тропосфера в любой момент времени хорошо перемешана. Это предположение основано на том, что средние годовые значения концентрации  для высоких северных и высоких южных широт отличаются только на 1,5-2,0 млн. В северном полушарии концентрация  выше, чем в южном. Различие концентраций в северном и южном полушариях, вероятно, вызвано тем, что около 90% источников промышленных выбросов расположено в северном полушарии. За последние десятилетия эта разница увеличилась, поскольку потребление ископаемого топлива также возросло.

Обмен между стратосферой и тропосферой происходит значительно медленнее, чем в тропосфере, поэтому сезонные колебания концентрации атмосферного углекислого газа выше тропопаузы быстро уменьшаются. В стратосфере рост концентрации  значительно запаздывает по сравнению с её ростом в тропосфере. Так, согласно измерениям, концентрации  на высоте 36 км примерно на 7 млн меньше, чем на уровне тропопаузы (т.е. на высоте 15 км). Это соответствует времени перемешивания между стратосферой и тропосферой, равному 5-8 годам.

Газообмен в системе атмосфера - океан.

Скорость газообмена.

В стационарном состоянии, существовавшем в доиндустриальное время, более 90% содержащегося на Земле изотопа  находилось в морской воде и донных отложениях (содержание  в последних составляет всего несколько процентов). Существовал примерный баланс между переносом  из атмосферы в океан и радиоактивным распадом внутри океана. Средний глобальный обмен  между атмосферой и океаном можно определить путём измерения разности содержания  в углекислом газе атмосферы и растворённом  в поверхностном слое океана. Данные наблюдений за уменьшением концентрации  в атмосфере и её увеличением в поверхностных водах океана после проведения испытаний ядерного оружия дают ещё одну возможность определить скорость газообмена. Третий способ оценки скорости газообмена между атмосферой и океаном заключается в измерении отклонения от состояния равновесия между  и , обусловленного поступлением  из океана в атмосферу. Средняя скорость газообмена  между атмосферой и океаном при концентрации  в атмосфере 300 млн, полученная на основе этих трёх способов, равна 185 моль/(мгод). Это означает, что среднее время пребывания  в атмосфере равно 8,5