УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ В АТМОСФЕРЕ И ГЛОБАЛЬНЫЙ ЦИКЛ УГЛЕРОДА

В создании парникового эффекта (см. параграф 2.1) важнейшую роль играют водяной пар и некоторые малые примеси, у которых имеются полосы поглощения в инфракрасной области спектра, а концентрация и время жизни в атмосфере достаточны для того, чтобы обеспечить климатически важный эффект. Главенствующая роль среди них принадлежит углекислому газу. Если содержание водяного пара в атмосфере контролируется процессами водного цикла (испарение, перенос, конденсация (см. параграф 1.2)), то существование С02 в атмосфере обусловлено газообменом между различными резервуарами углерода и некоторыми химическими реакциями, в которых С02 является конечным продуктом. Эти процессы, включающие превращения как неорганического, так и органического углерода (табл. 1.2), образуют глобальный биогеохимический цикл углерода. Время жизни углерода в разных резервуарах различно — у небольших резервуаров оно на несколько порядков меньше, чем у крупных. При этом оно зависит как от объема резервуара, так и от скорости обмена. Например, углерод в земной коре имеет время жизни на много порядков больше, чем в атмосфере, отражая не только большой объем, но и гораздо более медленную скорость обмена с другими компонентами земной системы.

Скорость обмена углеродом между атмосферой и биотой оценивается как -0,15 кг С/(м2 • год). Следовательно (см. табл. 1.2), среднее время нахождения С02 в атмосфере (время жизни) равно [1,6 кг С/м2]/[0,15 кг С/(м2 • год)] = 10 лет. Это более чем достаточный срок для выравнивания концентрации в земной атмосфере за счет общей циркуляции атмосферы. Действительно, измерения, выполненные на фоновых станциях, показали однородность содержания С02, несмотря на то, что его основные антропогенные источники сосредоточены в северном полушарии. Так, среднегодовые концентрации на 50—60° с.ш. лишь на 1—2 млн-1 больше, а на SOSO0 ю.ш. на 1—2 млн-1 меньше, чем на станции Мауна Лоа (Гавайские острова). Можно также отметить, что концентрация углекислого газа в тропиках немного больше, чем в высоких широтах. Это связано с тем, что в низких широтах существует поток С02 из океана в атмосферу, а в высоких широтах — в противоположном направлении.

Таблица 1.2

Содержание углерода (на единицу площади земной поверхности) и его время жизни в основных резервуарах

Резервуар

Содержание,

кг/м2

Время жизни

Атмосферный С02

1,6

10 лет

Атмосферный СН4

0,02

9 лет

Зеленая часть биосферы

0,2

Дни — сезоны

Ветки и корни деревьев

1,2

Столетия

Почвы

3

Десятки лет — тысячи лет

Запасы топлива

10

-

Органический С в осадочных породах

20 000

2- 108

Океан: растворенный С02

1,5

12 лет

Океан СО2-

2,5

6500 лет

Океан НССГ

70

200 000 лет

Неорганический С в горных породах

80 000

108лет

Примечание: если содержание умножить на 5,1 • 1014 м2 (площадь Земли), то получим величину, которую удобно выражать в Гт С.

Атмосферный углерод (С) главным образом входит в состав С02. Содержание С в метане на два порядка меньше. Однако, несмотря на маленькие концентрации, метан — важный парниковый газ. Метан химически активен: благодаря реакции окисления он превращается в углекислый газ:

Между атмосферой и биотой происходит интенсивный обмен углеродом. Он включает реакцию фотосинтеза

благодаря которой углерод удаляется из атмосферы и запасается в органических молекулах фитопланктона и растений. Дыхание и разрушение биомассы описываются реакцией

При этом органические молекулы окисляются, и углекислый газ возвращается в атмосферу. Фотосинтез включает поглощение энергии видимого света на длине волны 0,43 мкм (голубой) и 0,66 мкм (оранжевый), а дыхание и разрушение выделяют эквивалентное количество энергии в виде тепла. Удобной характеристикой скорости фотосинтеза, способной представить его географическое распределение, служит бюджет первичной продуктивности (Net Primary Productivity — NPP). Это разница усвоенного растениями углерода в процессе фотосинтеза и углерода, выделяемого ими в процессе дыхания, выражаемая в кг/(м2 • год). Данный показатель может быть оценен на основе спутниковых данных путем сравнения интенсивности отраженной от растительного покрова радиации на разных длинах волн видимой части спектра.

Зоны повышенной продуктивности в океанах приурочены к областям апвеллинга, развивающегося у экватора и у западных побережий материков. Здесь NPP составляет примерно 1 кг/(м2 • год). Однако NPP больше над сушей, покрытой растительностью, где он порядка 3 кг/(м2 • год). Скорости фотосинтеза особенно высоки в бо- реальных лесах. Зеленеющие весной и летом континенты северного полушария забирают заметное количество С02 из атмосферы и запасают в виде растительной биомассы, которая распадается с более или менее постоянной скоростью в течение года. Эти механизмы обмена ответственны за хорошо выраженный годовой цикл С02, фиксируемый, например, обсерваторией Мауна Лоа (рис. 1.7). В противоположность этому концентрация С02 на Южном полюсе практически не имеет сезонных изменений.

Изменение содержания в атмосфере углекислого газа поданным измерений на станции Мауна Лоа (Гавайские острова)

Рис. 1.7. Изменение содержания в атмосфере углекислого газа поданным измерений на станции Мауна Лоа (Гавайские острова)

Время роста корней и ветвей растений составляет порядка нескольких десятилетий. Время захоронения органического материала гораздо больше, потому что только ~0,1 % растительной биомассы, фотосинтезируемой каждый год, захоранивается и включается в осадочные горные породы земной коры (органический углерод в осадочных породах). Большая часть органического углерода, генерируемого при фотосинтезе, распадается за счет окисления (см. реакцию

(1.6) ), когда растения отмирают, почва выветривается, или когда леса и торфяники горят. В случае если имеется дефицит кислорода, углерод из разрушающейся органической материи возвращается в атмосферу в форме метана.

Морская биота абсорбирует растворенный С02 в освещаемой солнечным светом толще (несколько десятков метров) вод. Затем углерод транспортируется в глубокие слои океана, куда опускаются при отмирании останки растений и животных. Если бы не действие этого управляемого гравитацией биологического «отсоса», концентрация атмосферного С02, которая находится в равновесии с концентрацией растворенного углерода в воде у поверхности океана, была бы -1000 млн-1, т.е. примерно в 2,5 раза больше, чем в настоящее время, а кислотность воды была бы достаточной для того, чтобы быстро растворить имеющиеся в океане коралловые рифы.

В тех районах океана, где поступление растворенного кислорода в воды, расположенные ниже «световой» зоны, недостаточно эффективно («вентиляция» недостаточна), чтобы осуществлялась реакция

(1.6) , органические остатки достигают дна океана и формируют слои отложений; некоторые из них дают существенный вклад в резервуар органического углерода земной коры. Остатки морских организмов, откладывающиеся на дне океана, превращаются в известняки (СаС03). Этот неорганический резервуар содержит наибольшие запасы углерода в земной системе.

Углерод в морской воде присутствует в трех формах: 1) растворенный С02 или Н2С03, также известный как угольная кислота; 2) карбонат-ион С03 в соединении с Са2+ и Mg2+ и другими катионами металлов и 3) бикарбонат-ион HCOJ (преобладает третий компонент). Концентрация растворенного С02 находится в равновесии с атмосферной концентрацией, поддерживаемом благодаря реакции

Кислота диссоциирует на бикарбонат-ион и ион водорода:

Возрастающая концентрация Н+ сдвигает равновесие между карбонатным и бикарбонатным ионом влево:

Суммарный эффект, получаемый сложением всех уравнений, следующий:

Таким образом, углерод переходит в резервуар бикарбонатного иона без изменения кислотности океана.

Морские организмы включают бикарбонат-ион в свои скелеты и раковины в соответствии с реакцией

Некоторая доля карбоната кальция образует известняки на морском дне, в то время как остальное растворяется посредством действия обратной реакции

Известковые отложения имеют тенденцию концентрироваться в зонах континентальных шельфов мелких тропических морей, в которых условия благоприятны для образования кораллов. Здесь кислотность воды довольно низкая, недостаточная для растворения отложений раковин и скелетов.

Ионы Са2+, которые морские организмы включают в свои раковины, образуются путем выветривания горных пород и приносятся в океан реками. Некоторые из этих ионов обязаны своим происхождением выветриванию силикатно-кальцевых пород

Суммарный эффект (1.11) и (1.13) в комбинации с (1.7):

Это уравнение демонстрирует рассмотренный ранее эффект изъятия С02 из атмосферного и океанического резервуаров и включения его в резервуар неорганического углерода осадочных пород земной коры.

Важной особенностью морской карбонатной системы является то, что растворимость С02 в морской воде увеличивается при понижении температуры. Поскольку распределение атмосферного С02 в планетарном масштабе практически однородно, а температура существенно убывает в направлении высоких широт, это свойство создает важную особенность географического распределения газообмена океана с атмосферой — С02 переносится из атмосферы в океан в высоких широтах и в противоположном направлении в низких широтах. Эта картина несколько нарушается зонами апвеллинга.

С точки зрения типичных времен изменений климата, химические реакции (1.7)—(1.14) происходят мгновенно. В противоположность этому характерное время, необходимое океанскому резервуару, чтобы приспособиться к изменениям концентрации атмосферного С02, управляется временем «вентиляции» глубоких слоев океана и составляет порядка нескольких столетий.

Рассмотренные процессы обмена управляют содержанием углерода в атмосфере, биоте и океане на масштабах времени от нескольких лет до нескольких тысяч лет. Целостность карбонатной системы означает, что обмен углеродом между различными резервуарами протекает так, чтобы устанавливалось равновесное распределение углерода.

Наряду с этим существует долговременный карбонатный цикл. На масштабах времени в десятки—сотни миллионов лет тектоника плит и вулканизм играют основную роль в обновлении атмосферного С02. Известняки, слагающие дно океана, имеющие преимущественно биогенное происхождение, увлекаются в мантию, где известняк при высокой температуре метаморфизируется:

Углекислый газ, возникающий в этой реакции, возвращается в атмосферу в ходе дегазации верхней мантии и земной коры. Он (вместе с азотом и водяным паром) выбрасывается в атмосферу при извержениях вулканов, выделяется из глубоких трещин в земной коре и из горячих источников. Отметим, что в современных условиях сжигание ископаемого топлива поставляет очень много С02 в атмосферу — за один год его поступает столько, сколько названные источники обеспечивают за сотни тысяч лет.

Углекислый газ расходуется на образование различных карбонатных отложений. В этом процессе активную роль играет наличие (или отсутствие) воды — углекислый газ, растворяясь в поверхностных водах суши, становится химически активным агентом, ускоряющим процесс химического выветривания силикатных минералов. В ходе этого процесса образуются соединения кальция и магния (см. (1.14)), входящие в карбонатные отложения водоемов. Данный процесс в комбинации с выветриванием создает замкнутый круговорот, в котором атомы углерода циркулируют между атмосферным резервуаром и неорганическим резервуаром в земной коре на временах от нескольких десятков тысяч лет до нескольких сотен миллионов лет.

Как отмечает М.И. Будыко, доказательством того, что динамика углерода на Земле, в том числе и в атмосфере, тесно связана с особенностями дегазации мантии и земной коры, служит диагностированное чередование эпох обогащения и обеднения осадочных толщ остаточным органическим углеродом, происходившее параллельно с изменениями массы вулканических пород и суммарной массы С02 карбонатных пород и карбонатных примесей относительно других пород.

Анализ ряда наблюдений (см. рис. 1.7) показывает ежегодный регулярный рост концентрации С02. Это, как было показано, планетарный процесс, синхронно происходящий по всему земному шару. Важнейшим является ответ на вопрос: данное приращение концентрации является следствием антропогенных выбросов или обусловлено изменениями в скорости газообмена между резервуарами? В самом деле, значения потоков углерода между резервуарами несравнимо больше потока, возникающего за счет сжигания ископаемого топлива. В этом случае тренд может быть, в принципе, следствием изменений газообмена атмосферы с океаном или атмосферы с биотой либо даже принят за ошибки измерений этих больших потоков.

Доказательством антропогенной обусловленности прироста С02 служит эффект Зюсса. Еще в 1940—1950-е гг. было установлено, что происходит постепенное обеднение атмосферного углерода радиоактивным изотопом углерода 14С (т.е. уменьшение отношения 14С/12С). Предполагая, что производство радиоактивного изотопа неизменно во времени (14С образуется в верхней атмосфере в результате взаимодействия нейтронов космического происхождения с азотом и испытывает некоторое воздействие солнечной активности), такое поведение может быть связано с тем, что в атмосферу в большем, чем в прошлом, количестве стал попадать углерод 12С. Именно это происходит при сжигании ископаемого топлива и выбрасывании в атмосферу продуктов сжигания — уголь, нефть и газ, формировавшиеся миллионы лет, не содержат 14С, период полураспада которого оставляет 5730 лет.

Мониторинг был прерван в конце 1950-х гг., когда атмосфера резко обогатилась радиоактивными изотопами при атомных испытаниях и авариях (в том числе увеличилась концентрация углерода 14С). Однако после прекращения испытаний атомного оружия в открытом пространстве убывание концентрации 14С вновь продолжилось с теми же закономерностями, что можно интерпретировать проявлением сходного процесса.

Другим доказательством факта антропогенно обусловленного прироста С02 служит поведение во времени концентрации изотопа

13С. Наблюдения показывают, что относительное содержание этого изотопа закономерно убывает, что также может быть интерпретировано как факт поступления в атмосферу С02 при росте сжигания древесины и ископаемого топлива.

Таким образом, можно считать, что современный рост С02 в атмосфере обусловлен антропогенной деятельностью. Дополнительным подтверждением этого факта является анализ поведения концентрации С02, реконструированной на основе анализа воздушных включений в ледниках: на протяжении нескольких тысяч лет концентрация испытывала небольшие колебания около некоторого среднего значения (275 ± 10 млн-1), которое естественно считать «доиндустриальным уровнем» (см. параграф 7.2).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >