Реферат: Углеродный цикл и изменения климата

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 8,52 лет. Скорость газообмена на границе раздела между атмосферой и океаном зависит от состояния поверхности океана, от скорости ветра и волнения.

Буферные свойства карбонатной системы.

      При растворении  в морской воде проис-ходит реакция гидратации с образованием угольной кислоты , которая в свою очередь диссоциирует на ионы . Карбонатная система опреде-ляется суммарной концентрацией растворённого неорганического углерода (), кислотностью (pH); парциальным давлением расворённого углекислого газа ,  которое при условии равновесия с атмо-сферой равно парциальному давлению  в атмо-сфере. При поглощении  морской водой щё-лочность остаётся неизменной, а образование и разложение органических и неорганических соединений приводит к изменению как . Карбо-натная система имеет следующие основные особенности:

1.   Растворимость  в морской воде и соот-ветственно концентрация суммарного углерода, находящегося в равновесии с атмосферным  при заданном значении концентрации послед-него, зависят от температуры.

2.   Обмен  между газовой фазой и раствором зависит от так называемого буферного фактора, который также называют фактором Ревелла.

Растворимость и буферный фактор увеличиваются при понижении температуры. Так как изменение парци-ального давления углекислого газа в направлении от полюса к экватору невелико, в среднем  переносится из атмосферы в океан в высоких ши-ротах и в противоположном направлении в низких. Буферный фактор имеет величину порядка 10 и увеличивается с ростом значений . Это означает, что  чувствительно к довольно малым изменениям  в воде. При сохранении равновесия в системе ат-мосфера - поверхностные воды океана изменение концентрации  в атмосфере примерно на 25% в течение последних 100 лет вызовет изменение содержания суммарного расворённого неорганичес-кого углерода в поверхностных водах только на 2-2,5%. Таким образом, способность океана поглощать избыточный атмосферный  в 10 раз меньше той, которую можно было бы ожидать исходя из сравнения размеров природных резервуаров углерода.

 

 

 

 

Углерод в морской воде.

Полное содержание углерода и щёлочность.

      Как показали исследования, содержание сум-марного неорганического углерода в океане в 1983 году более, чем в 50 раз превышало содержание  в атмосфере. Кроме того, в океане находятся зна-чительные количества растворённого органического углерода. Вертикальное распределение  не явля-ется однородным, его концентрации в глубинных слоях океана выше, чем в поверхностных. На-блюдается также увеличение концентрации  от довольно низких значений в глубинных водах Се-верного Ледовитого океана к более высоким зна-чениям в глубинных водах Атлантического океана, к ещё более высоким в Южном и Индийском океанах до максимальных в Тихом океане. Вертикальное распре-деление щёлочности очень похоже на распределение , однако пределы изменений щёлочности значи-тельно меньше и составляют примерно 30% изменений . Интересно отметить, что поверхностные концент-рации  были бы на примерно на 15% выше, если бы океаны были хорошо перемешаны, что в свою очередь означало бы, что концентрация  в атмосфере должна быть около 700 млн. Наличие вертикальных градиендов (так же как и щёлочности) в океанах оказывает существенное влияние на концентрации атмосферного .

Фотосинтез, разложение и растворение

органического вещества.

      Деятельность морской биоты практически пол-ностью ограничена поверхностными слоями океана, где происходит интенсивный фотосинтез.  В про-цессе образования первичной продукции, включающей как органические, так и неорганические соединения углерода, концентрация  уменьшается. Влияние этого процесса на щёлочность может быть различным.Несомненно, что увеличение концентрации атмосферного  создаёт поток  из атмосферы в океан, который в свою очередь должен был изменить доиндустриальное распределение  в верхних слоях океана.

      Ежегодно около г С откладывается на дне океана, часть этих отложений представляет собой органический углерод, а другая часть - . Органический углерод является основным источником энергии для организмов, обитающих на дне моря, и только малая его часть захороняется в осадках, исключение составляют прибрежные зоны и шельфы. В некоторых ограниченных областях (например, в некоторых районах Балтийского моря) содержание кислорода в придонных водах может быть очень низким, соответственно уменьшается скорость окис-ления и значительные количества органического уг-лерода захороняются в осадках. Области с бес-кислородными условиями увеличиваются вследствие загрязнения прибрежных вод, и в последние годы, вероятно, количество легко окисляемого органичес-кого вещества также увеличилось.

      Вследствие буферных свойств карбонатной системы, изменение концентрации  растворённого суммарного неорганического углерода в морской воде, необходимое для достижения состояния рав-новесия с возрастающей концентрацией атмосферного углекислого газа, мало, и равновесное состояние между атмосферным и растворённым в поверхностных водах  устанавливается быстро. Роль океана в глобальном углеродном цикле определяется главным образом скоростью обмена вод в океане.

      Поверхностные слои океана довольно хорошо перемешаны вплоть до верхней границы термоклина, т.е. до глубины около 75 м в области широт примерно 45с. - 45ю. В более высоких широтах зимнее охлаждение вод приводит к перемешиванию до значительно больших глубин, а в ограниченных областях и в течение коротких интервалов времени перемешивание вод распространяется до дна океанов (как, например, в Гренландском море и море Уэд-делла). Кроме того, из областей основных течений в широтном поясе 45-55 (Гольфстрим в Северной Атлантике, Куросио в северной части Тихого океана и Антарктическое циркумполярное течение) про-исходит крупномасштабный перенос холодных поверхностных вод в область главного термоклина (глубина 100-1000 м). В слое термоклина про-исходит также вертикальное перемешивание. Оба процесса играют важную роль при переносе углерода в океане.

      Между углекислым газом в атмосфере и растворённым неорганическим углеродом в поверхностных слоях морской воды равновесие устанавливается примерно в течение года (если пренебречь сезонными изменениями). Растворённый неорганический углерод переносится вместе с водными массами из поверхностных вод в глубинные слои океана. Возникающее в результате увеличение содержания суммарного растворённого неоргани-ческого углерода можно вычислить, принимая во внимание сопутствующий рост содержания пита-тельных веществ и щёлочности. Однако, таким спо-собом нельзя достаточно точно определить значения концентрации  для времени, когда происходило образование глубинных вод. При поглощении ант-ропогенного  океаном поток растворённого не-органического углерода из глубинных слоёв к по-верхностным уменьшается из-за повышения кон-центрации  в поверхностных слоях океана, но при этом направленный вниз поток детрита остаётся не-изменным. Справедливость этого предположения под-тверждает тот факт, что первичная продуктивность в поверхностном слое океана обычно лимитируется наличием питательных веществ.

   Автор статьи, использованной в качестве основы для написания этого реферата, проанализировал некоторые из этих возможных факторов и показал, что при определённых условиях в поверхностных слоях океана могут наблюдаться более низкие значения концентраций растворённого неорганичес-кого углерода по сравнению с современными, соответственно концентрации атмосферного  будут также другими.

   При оценках возможных значений концентраций атмосферного  в будущем обычно считают, что об-щая циркуляция океанов не будет изменятся. Однако несомненно, что в прошлом она менялась. Если по-тепление, вызванное ростом концентрации  в ат-мосфере, будет значительным, то, вероятно, про-изойдёт какое-то изменение циркуляции океана. В частности, может уменьшиться интенсивность обра-зования холодных глубинных вод, что в свою оче-редь может привести к уменьшению поглощения промышленного  океаном.

      Изменение круговорота углерода могло бы произойти также при увеличении суммарного количества питательных веществ в океане. Если наличие питательных веществ в поверхностных слоях по-прежнему будет основным фактором, лимитирующим фотосинтез, их концентрации в этих слоях должны быть очень низкими. Следовательно, должна увели-чится концентрация питательных веществ между обеднёнными этими веществами поверхностными вода-ми и глубинными слоями. В этом случае за счёт вертикального перемешивания в океане в поверх-ностные слои будет переноситься больше пита-тельных веществ, что приведёт к росту интен-сивности фотосинтеза. Вертикальный градиент концентрации  также возрастёт, а поверхностные значения  и парциальное давление  при этом уменьшатся.

   Для грубой оценки возможного роста первичной продуктивности в водных системах можно считать, что в процессе фотосинтеза используется 20-50 % имеющегося количества фосфатов и что образованное таким образом органическое вещество становится частью углеродного цикла в океане или захоро-няется в отложениях. Такое изменение продук-тивности приведёт к удалению из атмосферы и по-верхностных слоёв водных систем  г. С/год. Это количество соответствует 2-6 % годового выброса углерода в атмосферу за счёт сжигания ископаемого топлива в 1972 году, поэтому данный процесс нельзя не учитывать при построении моделей изменения глобального климата. 

Углерод в континентальной биоте

и в почвах.

      В течение последних 20 лет были предприняты многочисленные попытки определения запасов уг-лерода в континентальной растительности и харак-теристик его годового круговорота - общей пер-вичной продуктивности и дыхания. Оценка, харак-теризующая состояние континентальной биомассы на 1980 год без учёта сухостоя, равна  г С. В более поздних работах, основанных на большем количестве данных, указывается, что эта оценка содержания углерода в живом веществе биомассы скорее всего завышена.

   Среднее время пребывания углерода в лесных системах составляет 16-20 лет, но средний возраст деревьев по крайней мере в два раза больше, так как менее половины чистой первичной продукции превращается в целлюлозу. Среднее время жизни уг-лерода в растениях, не входящих в лесные системы, равно примерно 3 годам.

      По разным оценкам, суммарное содержание углерода в составляет около  г С. Главная неопределённость существующих оценок обусловлена недостаточной полнотой сведений о площадях и содержании углерода в торфяниках планеты.

Изменения содержания углерода в

континентальных экосистемах.

      За последние 200 лет произошли значительные изменения в континентальных экосистемах в ре-зультате возрастающего антропогенного воздейст-вия. Когда земли, занятые лесами и травянистыми сообществами, превращаются в сельскохозяйственные угодья, органическое вещество, т.е. живое вещест-во растений и мёртвое органическое вещество почв, окисляется и поступает в атмосферу в форме . Какое-то количество элементарного углерода может также захораниваться в почве в виде древесного угля (как продукт, оставшийся от сжигания леса) и, таким образом, изыматься из быстрого оборота в углеродном цикле. Содержание углерода в различных компонентах экосистем изменяется, поскольку восстановление  органического вещества зависит от географической широты и типа растительности.

      Были проведены многочисленные исследования, имевшие своей целью разрешить существующую не-определённость в оценке изменений запасов угле-рода в континентальных экосистемах. Основываясь на данных этих исследований, можно прийти к вы-воду о том, что поступление  в атмосферу с 1860 по 1990 год составило  г С и что в 1990 году биотический выброс углерода был равен  г С/год. Кроме того, возможно влияние возрастающих атмосферных концентраций  и выб-росов загрязняющих веществ, таких, как  и , на  интенсивность фотосинтеза   органического ве-щества континентальных экосистем. По-видимому, интенсивность фотосинтеза растёт с увеличением концентрации  в атмосфере. Наиболее вероятно, что этот рост характерен для сельскохозяйственных культур, а в естественных континентальных эко-системах повышение эффективности использования воды могло бы привести к ускорению образования органического вещества.

Прогнозы концентрации углекислого

газа в атмосфере на будущее.

Основные выводы.

      За последние десятилетия было создано боль-шое количество моделей глобального углеродного цикла, рассматреть которые в данной работе я не смог из-за того, что они сложны и объёмны. Рассмотрю лишь кратко основные их выводы. Раз-личные сценарии, использованные для прогноза со-держания  в атмосфере в будущем, дали сходные результаты. Ниже я попытался подвести общий итог,  касающихся проблемы антропогенного изменения кон-центрации  в атмосфере.

·      С 1860 по 1984 год в атмосферу поступило  г С за счёт сжигания ископаемого топ-лива, скорость выброса  в настоящее время (по данным на 1990 год) равна  г С/год.

·      В течение этого же периода времени поступление  в атмосферу за вырубки лесов и изменения характера землепользования составило  г С, интенсивность этого поступления в нас-тоящее время равна  г С/год.

·      С середины прошлого века концентрация  в атмосфере увеличилась от  до  млн в 1990 году.

·      Основные характеристики глобального углеродного цикла хорошо изучены. Стало возможным создание количественных моделей, которые могут быт положены в основу прогнозов роста концентрации  в атмосфере при использовании определённых сценариев выброса.

·      Если интенсивность выбросов  в атмосферу в течение ближайших четырёх десятилетий останется постоянной или будет возрастать очень медленно (не более 0,5% в год) и в более отдалённом бу-дущем также будет расти очень медленно, то к концу XXI века концентрация атмосферного  составит около 440 млн, т.е. не более, чем на 60% превысит доиндустриальный уровень.

·      Если интенсивность выбросов  в течение бли-жайших четырёх десятилетий будет возрастать в среднем на 1-2 % в год, т.е. также, как она возрастала с 1973 года до настоящего времени, а в более отдалённом будущем темпы её роста за-медлятся, то удвоение содержания  в атмо-сфере по сравнению с доиндустриальным уровнем произойдёт к концу XXI века.

·      Основные неопределённости прогнозов концент-рации  в атмосфере вызваны недостаточным знанием роли таких факторов,как:

·      скорости водообмена между поверхностными, промежуточными и глубинными слоями океана;

·      чувствительности морской первичной продукции к изменениям содержания пита-тельных веществ в поверхностных водах;

·      захоронения органического вещества в осад-ках в прибрежных районах (и озёрах);

·      изменение щёлочности, и, следовательно, буферного фактора морской воды, вызванных ростом содержания растворённого неоргани-ческого углерода;

·      увеличения интенсивности фотосинтеза и рос-та биомассы и почвенного органического ве-щества в континентальных экосистемах за счёт роста концентрации  в атмосфере и возможного отложения питательных веществ, поступающих из антропогенных источников;

·      увеличения скорости разложения органичес-кого вещества почв, особенно в процессе эксплуатации лесов;

·      образование древесного угля в процессе го-рения биомассы.

      Величина ожидаемого изменения средней гло-бальной температуры при удвоении концентрации  приблизительно соответствует величине её изме-нения при переходе от последнего ледникового пе-риода к современному межледниковью. Более уме-ренное потребление ископаемого топлива в течение ближайших десятилетий могло бы продлить воз-можность его использования на более отдалённую перспективу. В этом случае концентрация  в ат-мосфере не достигнет удвоенного значения по срав-нению с доиндустриальным уровнем.

      Проблема изменения климата в результате эмиссии парниковых газов должна рассматриваться как одна из самых важных современных проблем,  связанных с долгосрочными воздействиями на окружающую среду, и рассматривать её нужно в со-вокупности с другими проблемами, вызванными ант-ропогенными воздействиями на природу.

Список литературы.

 

1.  Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы. / Под редакцией Б. Болина, Б. Р. Десса, Дж. Ягера, Р. Уоррика. / Ленинград, Гидрометеоиздат - 1989.

2.  “Земля и Вселенная”, 2-93: “Углекислый газ и климатические изменения” – С.А.Щепинов

3.  “Земля и Вселенная”, 1-95: “Экологические следствия начавшегося глобального потепления Земли” – А.Л.Яншин