Углекислый газ в атмосфере Земли

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Изменения концентрации CO2 в ppm на протяжении последних 400 тыс. лет (сверху — за последнюю тысячу лет)

Углекислый газ в атмосфере Земли, по состоянию на 2013 год, колебался в пределах от 393 ppm (0,0393 %) до 397 ppm (0,0397 %).[1] Роль углекислого газа (CO2, двуокись или диоксид углерода) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании процесса фотосинтеза, который осуществляется растениями. Являясь парниковым газом, двуокись углерода в воздухе оказывает влияние на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучамое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании климата планеты.[2]

В связи с активным использованием человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива происходит быстрое увеличение концентрации этого газа в атмосфере. Кроме того, по данным МГЭИК ООН, до трети общих антропогенных выбросов CO2 являются результатом обезлесения.[3] [4] Впервые антропогенное влияние на концентрацию двуокиси углерода отмечается с середины XIX века. Начиная с этого времени, темп её роста увеличивался и в конце 2000-х годов происходил со скоростью 2,20±0,01 ppm/год или 1,7 % за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO2 в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 20 млн лет.[5][6]

Роль в парниковом эффекте[править | править исходный текст]

Спектр пропускания земной атмосферы (зависимость прозрачности от длины волны). Видны полосы поглощения CO2, O2, O3 и H2O.

Отличительной особенностью парниковых свойств двуокиси углерода по сравнению с другими газами является её долговременное воздействие на климат, которое после прекращения вызвавшей её эмиссии остаётся в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота, существуют в свободном состоянии в атмосфере на протяжении более короткого времени.[7][8][9]

Несмотря на относительно небольшую концентрацию в воздухе, CO2 является важной компонентой земной атмосферы, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим — за счёт асимметричного растяжения молекулы) и 14,99 мкм (изгибные колебания). Данный процесс исключает или снижает излучение Земли в космос на этих длинах волн, что приводит к парниковому эффекту.[2]

Кроме парниковых свойств двуокиси углерода, имеет значение тот факт, что она тяжелее воздуха. Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет 28,98 г/моль, а молярная масса CO2 — 44,01 г/моль, то увеличение доли углекислого газа приводит к увеличению плотности воздуха и, соответственно, к изменению профиля его давления в зависимости от высоты. В силу физической природы парникового эффекта, такое изменение свойств атмосферы приводит к увеличению средней температуры на поверхности.[10]

Основным источником парникового эффекта в атмосфере Земли является водяной пар[11] При отсутствии парниковых газов в атмосфере и значении солнечной постоянной, равной 1368 Втм2, средняя температура на поверхности должна составлять −15 °C.[11] В действительности средняя температура поверхности Земли составляет +15 °C, то есть парниковый эффект приводит к её увеличению на 30 °C, из которых 20,6 °C объясняется наличием в воздухе водяного пара, а 7,2 °C.[11] — углекислого газа. Так как при увеличении доли этого газа в атмосфере его бо́льшая молярная масса приводит к росту плотности и давления, то при одной и той же температуре рост концентрации CO2 приводит к увеличению влагоёмкости воздуха и к усилению парникового эффекта, обусловленного бо́льшим количеством воды в атмосфере.[12][13][14] Увеличение доли воды в воздухе для достижения одного и того же уровня относительной влажности — в силу малой молярной массы воды (18 г/моль) — снижает плотность воздуха, что компенсирует увеличение плотности, вызванное наличием повышенного уровня углекислого газа в атмосфере.

Комбинация перечисленных факторов в целом приводит к тому, что увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты.[15]

Источники углекислого газа[править | править исходный текст]

Псевдоцветное (англ.)русск. изображение загрязнения воздуха дымом и озоном в результате пожаров в Индонезии, 1997 г.
Летние пожары 2010 г в России из космоса.

К естественным источникам двуокиси углерода в атмосфере относятся вулканические извержения, сгорание органических веществ в воздухе и дыхание представителей животного мира (аэробные организмы). Также углекислый газ производится некоторыми микроорганизмами в результате процесса брожения, клеточного дыхания и в процессе перегнивания органических останков в воздухе. К антропогенным источникам эмиссии CO2 в атмосферу относятся: сжигание ископаемых и неископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO2 приводят некоторые виды промышленной активности, такие, например, как производство цемента и утилизация газов путём их сжигания в факелах.

Растения преобразуют получаемый углекислый газ в углеводы в ходе фотосинтеза, который осуществляется посредством пигмента хлорофилла, использующего энергию солнечного излучения. Получаемый газ, кислород, высвобождается в атмосферу Земли и используется для дыхания гетеротрофными организмами и другими растениями, формируя таким образом цикл углерода.

Естественные источники[править | править исходный текст]

Большинство источников эмиссии по данным 98го года РФ CO2 являются естественными. Перегнивание органического материала, такого как мёртвые деревья и трава, приводит к ежегодному выделению 220 млрд тонн двуокиси углерода, земные океаны выделяют 330 млрд.[15] В ходе индонезийских лесных и торфяных пожаров 1997 года (англ.)русск. было выделено 13—40 % от среднегодовой эмиссии CO2, получаемой в результате сжигания ископаемых топлив.[16][17] Во времена молодой Земли вулканическая активность была главным источником углекислого газа, а сейчас его вулканическая эмиссия (около 130—230 млн тонн в год) составляет менее 1 % от антропогенной.[18][19]

В обычном состоянии эти естественные источники находятся в равновесии с физическими и биологическими процессами, удаляющими двуокись углерода из атмосферы — часть CO2 растворяется в морской воде и часть удаляется из воздуха в процессе фотосинтеза. Так как обычно в ходе данного процесса поглощается 5,5·1011 т диоксида углерода, а его общая масса в земной атмосфере составляет 3,03 ·1012 т, то в среднем весь атмосферный CO2 участвует в углеродном цикле раз в шесть лет.[15] Из-за наличия антропогенных выбросов поглощение CO2 биосферой превосходило его выделение на ≈17 млрд тонн в середине 2000-х годов, скорость его поглощения имеет устойчивую тенденцию к увеличению вместе с ростом атмосферной концентрации.[15][20]

Антропогенная эмиссия[править | править исходный текст]

Эмиссия углерода в атмосферу в результате пром. активности в 1800—2004 гг.

С наступлением промышленной революции в середине XIX века происходило поступательное увеличение антропогенных выбросов двуокиси углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса углеродного цикла и росту концентрации CO2. В настоящее время около 57 % производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами.[21] Соотношение увеличения количества CO2 в атмосфере ко всему выделенному CO2 составляет постоянную величину порядка 45 % и претерпевает коротко­период­ические колебания и колебания с периодом в пять лет.[20]

Сжигание ископаемых топлив, таких как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного CO2, вырубка лесов является второй по значимости причиной. В 2008 году в результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выделено 8,67 млрд тонн углерода (31,8 млрд тонн CO2), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла 6,14 млрд тонн.[22] Сводка лесов под землепользование привела к увеличению содержания атмосферной двуокиси углерода эквивалентную сжиганию 1,2 млрд тонн угля в 2008 году (1,64 млрд тонн в 1990).[22] Суммарное увеличение за 18 лет составляет 3 % от ежегодного естественного цикла CO2, что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO2.[23] Как результат, двуокись углерода постепенно аккумулировалась в атмосфере и в 2009 году её концентрация на 39 % превосходила доиндустриальное значение.[24]

Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO2 не превосходит 8 % от его естественного годового цикла, наблюдается увеличение концентрации, обусловленное не только уровнем антропогенных выбросов, но и постоянным ростом уровня выбросов со временем.

Изменение температуры и углеродный цикл[править | править исходный текст]

К другим факторам, увеличивающим содержание CO2 в атмосфере, следует отнести рост средней температуры в XX веке, что должно было отражаться в ускорении перегнивания органических остатков и, в силу прогрева океанов, в снижении общего количества диоксида углерода, растворяемого в воде. Увеличение температуры происходило в том числе по причине исключительно высокой солнечной активности в этот период и в XIX веке (см., например, событие Кэррингтона, 1859 г).[25]

При переходе от условий холодного к теплому климату в течение последнего миллиона лет, естественное изменение концентрации атмосферного CO2 оставалось в пределах 100 ppm, то есть суммарное увеличение его содержания не превосходило 40 %.[26] При этом, например, средняя температура планеты в период климатического оптимума 9000÷5000 лет до н. э. была приблизительно на 1—2 °C выше современной, а из-за более сильно выраженного парникового эффекта в условиях тёплого климата среднегодовая аномалия температуры в субарктических широтах достигала 9 °C.[27]

Влияние вулканизма[править | править исходный текст]

Современный вулканизм в среднем приводит к выделению 2·108 тонн CO2 в год, что составляет величину менее 1 % от антропогенной эмиссии.[18] Основное отличие этого вида эмиссии от антропогенной состоит в том, что при сжигании ископаемых энергоносителей в воздухе происходит замещение молекул кислорода молекулами углекислого газа, то есть суммарное увеличение массы атмосферы соответствует массе сожжённого углерода, тогда как при вулканических извержениях происходит увеличение массы атмосферы на величину, равную массе выделенного газа.

Углекислый газ — второй по количеству (после водяного пара) газ, выделяемый вулканами. Большинство газа, выделяемого подводными вулканами, оказывается растворённым в воде.[28] Изотопный состав выделяемого диоксида углерода примерно соответствует изотопному составу атмосферного CO2, получаемого в результате сжигания ископаемых энергоносителей, что затрудняет точное определение объёма вулканической эмиссии CO2.[28]

Крупные вулканические извержения могут приводить к значительному выделению диоксида углерода в атмосферу, но такие извержения происходят редко — несколько событий за столетие — и в среднем не оказывают заметного влияния на уровень эмиссии этого газа в атмосферу. Например, при извержении вулкана Лаки 1783 года выделилось примерно 90 млн тонн CO2, при извержении Тамбора в 1815 году около 48 млн тонн.[28] Отдельные исследования указывают на несколько бо́льшее выделение двуокиси углерода при упомянутых выше извержениях (Лаки 1783 г, ≈6,5·108 т), но относительная редкость подобных событий делает их влияние на содержание углекислого газа несущественным и в этом случае.[28]

Последним извержением категории VEI 6 было извержение вулкана Пинатубо 1991 года. Его основное воздействие на содержание углекислого газа в атмосфере состояло в выделении аэрозолей в стратосферу и, как следствие, в нарушении баланса углеродного цикла из-за снижения на 0,5 °C средней температуры на планете по причине антипарникового эффекта. Увеличение амплитуды сезонных колебаний на графике Килинга в этот период времени указывает на некоторое улучшение условий для осуществления фотосинтеза растениями в начале 1990-х годов. Последнее объясняется эффектом рассеяния солнечного излучения на частицах стратосферного аэрозоля, что и привело к увеличению потребления атмосферного CO2 растительностью.[29]

Современная концентрация[править | править исходный текст]

Изменение концентрации CO2 за 50 лет.

В 2009 году средняя концентрация CO2 в земной атмосфере составляла 0,0387 % или 387 ppm.[1][30] Вместе с годовым ростом 2,20±0,01 ppm в течение года наблюдается периодическое изменение концентрации амплитудой 3—9 ppm, которое следует за развитием вегетационного периода в Северном полушарии. Потому как в северной части планеты располагаются все основные континенты, влияние растительности Северного полушария доминирует в годовом цикле концентрации CO2. Уровень достигает максимума в мае и минимума в октябре, когда количество биомассы, осуществляющее фотосинтез, является наибольшим.[31]

Изменение концентрации в прошлом[править | править исходный текст]

Наиболее достоверный способ измерения концентрации двуокиси углерода в атмосфере за период времени до начала прямых измерений — определение его количества в пузырьках воздуха, заключенных в ледяных кернах из материковых ледников Антарктиды и Гренландии. Наиболее широко в этих целях используются антарктические керны, согласно которым уровень атмосферного CO2 оставался в пределах 260—284 ppm до начала промышленной революции в середине XIX века и на протяжении 10 тыс. лет до этого момента времени.[32] Отдельные исследования, основанные на изучении ископаемой листвы, указывают на гораздо более существенные изменения уровня CO2 в этот период (~300 ppm), но они подвергаются критике.[33][34] Также керны, взятые в Гренландии, указывают на бо́льшую степень изменения концентрации углекислого газа по сравнению с результатами, полученными в Антарктиде. Но при этом исследователи гренландских кернов предполагают, что бо́льшая вариативность здесь обусловлена локальными осадками карбоната кальция.[35] В случае низкого уровня пыли в образцах льда, взятого в Гренландии, данные по уровням CO2 в течение голоцена хорошо согласуются с данными из Антарктики.

Наиболее продолжительный период измерений уровней CO2 на основании изучения ледяных кернов возможен в Восточной Антарктиде, где возраст льда достигает 800 тыс. лет, и который показывает, что концентрация двуокиси углерода изменялась в пределах 180—210 ppm во время ледниковых периодов и увеличивалась до 280—300 ppm в более теплые периоды.[5][26][36]

Изменения концентрации атмосферного углекислого газа в течение фанерозоя (последние 541 млн лет, современность слева). В течение бо́льшей части последних 550 млн лет уровень CO2 значительно превосходил современный.

На более продолжительных интервалах времени содержание атмосферного CO2 определяется на основании определения баланса геохимических процессов, включая определение количества материала органического происхождения в осадочных породах, выветривание силикатных пород и вулканизм в изучаемый период. На протяжении десятков миллионов лет в случае любого нарушения равновесия в цикле углерода происходило последующее уменьшение концентрации CO2. Потому как скорость этих процессов исключительно низка, установка взаимосвязи эмиссии двуокиси углерода с последующим изменением её уровня в течение следующих сотен лет является сложной задачей.

Для изучения концентрации углекислого газа в прошлом также используются различные косвенные (англ.)русск. методы датирования. Они включают определение соотношения изотопов бора и углерода в некоторых типах морских осадочных пород и количество устьиц в ископаемой листве растений. Несмотря на то, что эти измерения менее точны, чем данные по ледяным кернам, они позволяют определить очень высокие концентрации CO2 в прошлом, которые 150—200 млн лет назад составляли 3 000 ppm (0,3 %) и 400—600 млн лет назад — 6 000 ppm (0,6 %).[6]

Снижение уровня атмосферного CO2 прекратилось в начале пермского периода, но продолжилось, начиная при­мерно с 60 млн лет назад. На рубеже эоцена и олигоцена (34 миллиона лет назад — начало формиро­ва­ния современного ледяного щита Антарктиды) количество CO2 составляло 760 ppm.[37] По гео­химическим данным было установлено, что уровень углекислого газа в атмосфере достиг до­индустри­ально­го уровня 20 млн лет назад и составлял 300 ppm.

Взаимосвязь с концентрацией в океане[править | править исходный текст]

Обмен двуокисью углерода между водоёмами и воздухом

В земных океанах двуокиси углерода в сто раз больше, чем в атмосфере — 36·1012 тонн в пересчёте на углерод. Она там находится в виде гидрокарбонат- и карбонат-ионов. Гидрокарбонаты получаются в результате реакций между скальными породами, водой и CO2. Одним из примеров является разложение карбоната кальция:

CaCO3 + CO2 + H2O Ca2+ + 2 HCO3

Реакции, подобные этой, приводят к сглаживанию колебаний концентрации атмосферного CO2. Так как правая часть реакции содержит кислоту, добавление CO2 в левой части уменьшает pH, то есть приводит к окислению океана. Другие реакции между двуокисью углерода и некарбонатными породами тоже приводят к образованию угольной кислоты и её ионов.

Данный процесс обратим, что приводит к образованию известняковых и других карбонатных пород с высвобождением половины гидрокарбонатов в виде CO2. В течение сотен миллионов лет этот процесс привёл к связыванию в карбонатных породах бо́льшей части первоначального диоксида углерода из протоатмосферы Земли. В конечном итоге большинство CO2, полученного в результате антропогенной эмиссии, будет растворено в океане, но скорость, с которой будет происходить этот процесс в будущем, остается не до конца определённой.[38]

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. 1 2  (англ.) Petty, G.W.: A First Course in Atmospheric Radiation, pages 229—251, Sundog Publishing, 2004
  2. http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter7.pdf IPCC Fourth Assessment Report, Working Group I Report «The Physical Science Basis», Section 7.3.3.1.5 (p. 527)
  3. www.un.org: Изменение климата.
  4. 1 2  (англ.) Deep ice tells long climate story, BBC News (4 сентября 2006). Проверено 28 апреля 2010.
  5. 1 2  (англ.) Climate Change 2001: The Scientific Basis
  6.  (англ.) Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions — PNAS
  7.  (англ.) WMO statement on the globa climate in 2010
  8.  (англ.) Bundle Up, It’s Global Warming, JUDAH COHEN, 25.12.2010
  9. ПРИРОДА ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА, Объединенный Научный Совет РАН по проблемам Геоинформатики
  10. 1 2 3 Подрезов А. О., Аламанов С. К.; Лелевкин В. М., Подрезов О. А., Балбакова Ф. ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА и водные проблемы в Центральной Азии 18 (Москва – Бишкек, 2006). Архивировано из первоисточника 12 июля 2012.
  11.  (англ.) An Introduction to Air Density and Density Altitude Calculations, 1998 - 2012 Richard Shelquist
  12. Абсолютная и относительная влажность
  13.  (англ.) Humidity 101, World Water Rescue Foundation
  14. 1 2 3 4 Изменение климата, торговля углеродом и биоразнообразие, World Bank Group: Хабиба Гитай
  15.  (англ.) Indonesian Wildfires Accelerated Global Warming
  16.  (англ.) Massive peat burn is speeding climate change - 06 November 2004 - New Scientist
  17. 1 2  (англ.) Gerlach, T.M., 1992, Present-day CO2 emissions from volcanoes: Eos, Transactions, American Geophysical Union, Vol. 72, No. 23, June 4, 1991, pp. 249, and 254 – 255
  18.  (англ.) U.S. Geological Survey, "Volcanic Gases and Their Effects", volcanoes.usgs.gov
  19. 1 2 Keeling et al., 1995
  20.  (англ.) Abstract, Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks .
  21. 1 2  (англ.) Global carbon budget 2008, lgmacweb.env.uea.ac.uk
  22.  (англ.) US Global Change Research Information Office, "Common Questions about Climate Change"
  23.  (англ.) Carbon Budget 2009 Highlights, The Global Carbon Project.
  24.  (англ.) Usoskin, Ilya G. (2003). «A Millennium Scale Sunspot Number Reconstruction: Evidence For an Unusually Active Sun Since the 1940’s» (PDF). Physical Review Letters 91: 211101. DOI:10.1103/PhysRevLett.91.211101.
  25. 1 2  (англ.) Vostok Ice Core Data, ncdc.noaa.gov
  26.  (англ.) V.L. Koshkarova and A.D. Koshkarov (2004). «Regional signatures of changing landscape and climate of northern central Siberia in the Holocene». Russian Geology and Geophysics 45 (6): 672–685.
  27. 1 2 3 4  (англ.) Volcanic Carbon Dioxide, Timothy Casey
  28.  (англ.) Mount Pinatubo as a Test of Climate Feedback Mechanisms, Alan Robock, Department of Environmental Sciences, Rutgers University
  29.  (англ.) Current atmospheric CO2 concentration at http://co2unting.com. Архивировано из первоисточника 12 июля 2012.
  30.  (англ.) Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC) — Frequently Asked Questions
  31.  (англ.) Historical CO2 record derived from a spline fit (20 year cutoff) of the Law Dome DE08 and DE08-2 ice cores. Проверено 12 июня 2007. Архивировано из первоисточника 12 июля 2012.
  32.  (англ.) Wagner, Friederike; Bent Aaby and Henk Visscher (2002). «Rapid atmospheric O2 changes associated with the 8,200-years-B.P. cooling event». PNAS 99 (19): 12011–12014. DOI:10.1073/pnas.182420699. PMID 12202744.
  33.  (англ.) Indermühle, Andreas; Bernhard Stauffer, Thomas F. Stocker (1999). «Early Holocene Atmospheric CO2 Concentrations». Science 286 (5446): 1815. DOI:10.1126/science.286.5446.1815a. Проверено May 26, 2005.
  34.  (англ.) Smith, H.J.; M Wahlen and D. Mastroianni (1997). «The CO2 concentration of air trapped in GISP2 ice from the Last Glacial Maximum-Holocene transition». Geophysical Research Letters 24 (1): 1 – 4. DOI:10.1029/96GL03700.
  35.  (англ.) Chemical & Engineering News: Latest News - Ice Core Record Extended
  36.  (англ.) New CO2 data helps unlock the secrets of Antarctic formation September 13th, 2009
  37.  (англ.) Archer, D. (2005). Fate of fossil fuel CO2 in geologic time. J. Geophys. Res., 110.

Ссылки[править | править исходный текст]