Углеродный цикл и изменения климата

Томский политехнический университет

Кафедра

общей

физики

Углеродный цикл и

изменения климата.

 

 

 

 

Выполнил:

cтудент Молодых П.В.

гр.8г72

 

Принял:

доцент Стародубцев В.А.

 

 

 

 

 

Томск 1998г.

 

Содержание.

 

1       Введение.

1.1     Взаимосвязь между энергопотреблением, экономической деятельностью и поступлением  в атмосферу.

1.2     Потребление энергии и выбросы углекислого газа.

2       Углерод в природе.

2.1     Основные химические соединения и реакции.

2.2     Изотопы углерода.

3       Углерод в атмосфере.

3.1     Атмосферный углекислый газ.

3.2     Содержание изотопа С в атмосферном углекислом газе.

3.3     Содержание изотопа С в атмосферном углекислом газе.

3.4     Перемешивание в атмосфере.

4       Газообмен в системе атмосфера - океан.

4.1     Скорость газообмена.

4.2     Буферные свойства карбонатной системы.

5       Углерод в морской воде.

5.1     Полное содержание углерода и щёлочность.

5.2     Фотосинтез, разложение и растворение органического вещества.

6       Углерод в континентальной биоте и в почвах.

6.1     Изменение содержания углерода в континентальных экосистемах.

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

8       Список литературы.

Введение.

Для определения цели своей работы позвольте обратиться к прошлому.Как мы знаем, человек стал влиять на климат ещё несколько тысяч лет тому назад, в связи с развитием земледелия. Часто для обработки земли уничтожали лесную растительность, что увеличивало скорость ветра у земной по-верхности, изменяло режим температуры и влажности нижнего слоя воздуха, а также вело к изменению режима влажности почвы, испарения и речного сто-ка. В сухих областях уничтожение лесов и расти-тельности вело к усилению пыльных бурь и раз-рушению почвенного покрова,что заметно изменяло природные условия на этих территориях.

Так как земная поверхность без растительного покрова сильно нагревается солнечной радиацией, то относительная влажность воздуха на ней падает, что повышает уровень конденсации и может уменьшиться количество выпадающих осадков. Может быть,поэтому в некоторых случаях в сухих районах количество естественной растительности не во-зобновлялось после её уничтожения человеком.

Человек влиял на климат и путём применения искусственного орошения,что резко изменяло микроклимат орошаемых полей,так как из-за незна-чительного увеличения затраты тепла на испарение снижается температура земной поверхности, что приводило к понижению температуры и повышению относительной влажности нижнего слоя воздуха. Но такое изменение климата быстро затухает за пре-делами орошаемых полей, поэтому орошение при-водит только к изменениям местного климата и мало влияет на метеорологические процессы большого масштаба.

Другие виды деятельности человека в прошлом не оказывали большого влияния на метеоро-логический режим обширных пространств, поэтому до недавнего времени климатические условия на Земле определялись в основном естественными факторами. Такое положение начало изменяться с наступлением ХХ века - из-за быстрого роста чис-ленности населения и, особенно, из-за ускорения развития техники и энергетики.

Современные воздействия человека на климат можно разделить на две группы, к первой из ко-торых относятся направленные воздействия на гид-рометеорологический режим, а ко второй – воз-действия, являющиеся побочными следствиями хо-зяйственной деятельности человека.

Итак, в данной работе я попытаюсь рассмот-реть,прежде всего, вторую группу воздействиий, и ,в частности, влияние человека на углеродный цикл.

 К сожалению,наша деятельность достигла уже такого уровня, при котором её влияние на природу приобретает глобальный характер.Такие природные системы, как атмосфера, суша, океан ,а также жизнь на планете в целом подвергаются этим воздействиям. Известно, что на протяжении XX сто-летия увеличивалось содержание в атмосфере не-которых газовых составляющих, таких, как двуокись углерода (), закись азота (), метан () и тропосферный озон (). Дополнительно в атмосферу поступали и другие газы, не являющиеся естест-венными компонентами глобальной экосистемы. Главные из них – фторхлоруглеводороды, поглоща-ющие и излучающие радиацию, и поэтому они спо-собны влиять на климат Земли. Все эти газы в со-вокупности можно назвать парниковыми.

Дело в том,что эти газы, накапливаясь в атмосфере, свободно пропускают до поверхности земли и воды тепловое излучение Солнца, но задерживают отдачу тепла от этой поверхности,то есть выполняют роль стекла в парниках. Поэтому влияние на климат изменения содержания указанных газов в атмосфере называют парниковым эффектом.

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 уве-личение 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.

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. Основными резервуарами углерода являются атмосфера, континентальная биомасса, включая почвы, гидросфера и литосфера. В течение последних двух столетий в системе атмосфера - биосфера - гидросфера происходят изменения пото-ков углерода, интенсивность которых примерно на порядок величины превышает интенсивность геоло-гических процессов переноса этого элемента. По этой причине следует ограничиться анализом вза-имодействий в пределах этой системы, включая почвы.

Основные химические соединения и реакции.

Известно более миллиона углеродных сое-динений, тысячи из которых участвуют в биоло-гических процессах. Атомы углерода могут нахо-диться в одном из девяти возможных состояний окисления: от +IV до -IV. Наиболее распрост-ранённое 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 до-вольно быстро окисляется до .Элементарный уг-лерод присутствует в атмосфере в малых коли-чествах в виде графита и алмаза, а в почве - в форме древесного угля. Ассимиляция углерода в процессе фотосинтеза приводит к образованию вос-становленного 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. 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 полураспада 5730 лет. Необходимость изучения различных изотопов уг-лерода 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 рас-пределение стабильных изотопов углерода. Рас-пределение же изотопа , с одной стороны, зави-сит 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 атмосфер-ного  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:

1.сезонными изменениями цикла фотосинтеза рас-

тений на суше;

2.на него также влияет, хотя и меньшей степени,

годовой ход температуры поверхности океана,  

от которого зависит растворимость  в морс-

 кой воде;

3.и,вероятно, наименее важным фактором является

годовой ход интенсивности фотосинтеза в

океане. Среднее за каждый данный год со-держание  в атмосфере несколько выше в северном полушарии, поскольку источники поступления  в атмосферу расположены преимущественно в северном полушарии. Кроме того, наблюдаются небольшие меж-годовые изменения содержания , которые, ве-роятно, определяются особенностями общей цирку-ляции атмосферы. Из имеющихся данных по изменению концентрации  в атмосфере основное значение,к сожалению, имеют данные о наблюдаемом в течение последних 25 лет регулярном росте содержания атмо-сферного . Более ранние измерения содержания атмосферного углекислого газа (начиная с середины прошлого века) были, как правило, недостаточно полны,так как образцы воздуха отбирались без не-обходимой 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.Итак, 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 опубли-кованы 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. Наб-людаемые изменения содержания  вызваны главным образом поступлением  в атмосферу с меньшим значением  при вырубке лесов, изменении харак-тера землепользования и сжигания ископаемого топ-лива.

Содержание изотопа С в атмосферном

углекислом газе.

Количество изотопа  на Земле зависит от баланса между образованием  под воздействием космического излучения и его радиоактивным распа-дом. По-видимому, до начала сельскохозяйственной и промышленной революции распределение изотопа  в различных резервуарах углерода сохранялось примерно неизменным. До начала заметных измене-ний, вызванных выбросами  при испытаниях ядер-ного 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 в со-держании  в атмосферном углекислом газе. Боль-шое поступление  в атмосферу произошло в ре-зультате ядерных испытаний, проведённых США в Тихом океане в 1958 году и СССР в 1961-1962 годах. После этого выбросы были заметно огра-ничены. Первоначально большая часть радиоактивных продуктов переносилась в стратосферу. Поскольку время обмена между стратосферой и атмосферой сос-тавляет несколько лет, то уменьшение концент-рации изотопа  в тропосфере, обусловленное вза-имодействием 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 проис-ходит довольно быстро. Пассаты в средних широтах в обоих полушариях огибают Землю в среднем при-мерно за один месяц, вертикальное перемещение между земной поверхностью и тропопаузой (на вы-соте 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. Так как в данной работе я рассматриваю 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 отли-чаются только на 1,5-2,0 млн.Очевидно, что 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 иско-паемого топлива также возросло.

Обмен между стратосферой и тропосферой про-исходит значительно медленнее, чем в тропосфере, поэтому сезонные колебания концентрации атмосфер-ного углекислого газа выше тропопаузы быстро уменьшаются. В стратосфере рост концентрации  значительно запаздывает по сравнению с её ростом в тропосфере. Так, согласно измерениям, концент-рации  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 до-индустриальное время, более 90% содержащегося на Земле изотопа  находилось в морской воде и донных отложениях (содержание  в последних сос-тавляет 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, по-лученная на основе этих трёх способов, равна 185 моль/(мгод). Это означает, что среднее время пребывания  в атмосфере равно 8,5