За последние три миллиона лет Земля пережила множество ритмических колебаний, входя и выходя из ледниковых периодов в рамках так называемых циклов Миланковича (в честь астрофизика из Сербии). Циклы Миланковича на орбите Земли меняют угол и количество попадающего на поверхность нашей планеты солнечного света. Но эти климатические качели были бы намного меньше, если бы не усиливающий эффект изменения концентрации парниковых газов. Климатические записи, такие как глыбы льда, точно показывают нам, как эти концентрации газов меняются с течением времени, так как они содержат пузырьки древнего воздуха. От нас зависит выяснение причин, по которым парниковые газы проникают в атмосферу и исчезают из неё. Например, куда из атмосферы пропадал весь углекислый газ, когда теплые периоды сменялись ледниковыми?

Углекислый газ в океане

Главным подозреваемым является Южный океан. Богатая углекислым газом вода поднимается на поверхность и обменивается им с атмосферой. Если эта вентиляция замедляется, уровень углекислого газа в атмосфере будет падать. Снижение подъёма глубинных вод, вызванное крышкой из воды меньшей плотности вблизи берегов Антарктиды, к примеру, может объяснить снижение углекислого газа до 40 частей на миллион с примерно 100 частей на миллион на протяжении последних оледенений.

При этом много факторов остаются неучтёнными. В конце 1980-х океанографы решили одну из головоломок. Они обнаружили районы океана, где присутствовало много критически важных питательных веществ азота и фосфора, но производительность фотосинтеза тут была низкой. Что удерживало фитопланктон? Ограниченный запас железа.

Железо в воздушной пыли может передаваться на большие расстояния из засушливых регионов; при попадании в океан оно питает рост морского фитопланктона. Джон Х. Мартин и его коллеги предположили, что это объясняет, куда во время ледниковых периодов девается часть углекислого газа. Если больше пыли и железа попадает в океаны, то усиливающаяся биологическая активность может привлечь углерод в глубины океана.

Антарктические ледяные шапки во время ледниковых периодов содержали в себе большие количества воздушной пыли, значительная часть которой, как полагают, пришла из Патагонии в Южной Америке. Огромная равнина осадочной породы, появляющаяся из-под тающего ледника, является идеальным источником пыли. Это особенно верно для Патагонии, где ветры сильны и дождевые потоки во время ледниковых периодов были особо ярко выражены. Чем больше ледники здесь, тем больше получается пыли в воздухе, дующем через Южный океан.

Рост фитопланктона, «оплодотворяемого» всем этим железом, будет перемещать углекислый газ из атмосферы в глубины океана. Углекислый газ, вернее его некоторую часть, забирает фитопланктон в процессе фотосинтеза, получая энергию и материал для роста клеток. Когда он умирает и опускается на дно, он забирает углерод с собой.

Отличная идея, но как её проверить?

Попытки проверить теорию предпринимались на протяжении многих лет, но результаты были расплывчатыми. Они в основном опирались на то, что фитопланктон, вероятно, использует молекулы нитратов, содержащие азот с 14 атомами (наиболее распространённый изотоп), а не азот-15. Точное соотношение азота-15 к азоту-14 в фитопланктоне зависит от того, сколько нитратов доступны, если есть дефицит, тогда используется любой изотоп. Если испытывающая нехватку железа часть океана оплодотворяется воздушной пылью, будет задействовано больше нитрата, и концентрация будет уменьшаться. Таким образом, соотношение изотопов азота (которое может быть записано в донных отложениях) говорит нам о том, сколько нитратов было использовано.

Новое исследование под руководством Альфредо Мартинес-Гарсиа в ETH Zrich обеспечивает ещё лучший тест гипотезы оплодотворения железом. Технический прогресс позволил исследователям измерить изотопы азота в оболочках планктона из карбоната кальция, называемых фораминиферы в ядрах осадка морского дна. Предыдущие исследования анализировали диатомовые водоросли или сам осадок. В обоих случаях были осложняющие анализ факторы, усложняющие интерпретацию результатов. Исследователи также извлекли записи продуктивности фотосинтеза и железа из ветра, которые охватывают период в 160 тысяч лет.

Корреляция между изотопами азота и железом была довольно сильной. Содержание железа повышалось по мере охлаждения климата при последнем оледенении, источником был ветер из Патагонии, а концентрация нитратов на поверхности океана, похоже, уменьшалась. Анализ также показал более высокие уровни фотосинтеза в те периоды.

Данные указывают на чётко определяемое воздействие оплодотворения железом, которое привело бы больше углерода из атмосферы в глубины океана. Тот же самый процесс шёл и на более коротких промежутках времени, способствуя изменениям СО 2 при более мелких колебаниях климата, длившихся всего несколько тысяч лет.

Подобные записи помогают прояснить роль Южного океана среди других частей климатической системы, которые трансформируют орбитальные циклы Миланковича в значительные изменения климата.

Атмосфера - это газовая оболочка Земли, природный неисчерпаемый

ресурсом. Атмосфера имеет слоистое строение и включает тропосферу,

стратосферу, мезосферу, ионосферу (термосферу), экзосферу.

В тропосфере, примыкающей к земной поверхности, сосредоточено основное количество

газов, которые составляют 75 % массы атмосферы. Высота верхней границы

составляет 8-10 км над полюсами и 16-18 км над экватором. Здесь

происходит интенсивное перемешивание воздуха по вертикали и

горизонтали, сконцентрировано основное количество водяного пара и

примесей, способствующих образованию облаков.

Следующий слой - стратосфера. Для нее характерны слабые воздушные

потоки, малое количество облаков и постоянство температуры.

На высоте 9-10 км на полюсах и 17-18 км над экватором находится

озоновый экран (озоновый слой), который простирается до высоты 35 км.

Выше стратосферы расположена мезосфера (от высоты 55 до 80 км). Она

характеризуется понижением температуры

Мезосфера переходит в термосферу (ионосферу), для которой характерно повышение температуры. В этом слое происходит ионизация газов с образование.

В экзосфере, простирающейся до высоты 1000-2000 км, происходит утечка водорода и гелия в космическое пространство.

В атмосферном воздухе всегда присутствует вода (водяной пар и капельная влага) в количестве 3-4 %, а также различные вещества-загрязнители атмосферы (оксиды серы, азота, метан, угарный газ, фреоны, пыль, сажа), составляющие в общей массе атмосферы незначительную часть.

Атмосферный воздух имеет большое значение в жизни биосферы.

1. Кислород воздуха необходим для дыхания аэробных организмов.

2. Атмосфера выполняет климатологическую роль. В ней образуются воздушные течения, происходит перемешивание больших масс воздуха и перераспределение на значительные расстояния химических веществ, выделяемых различными источниками на поверхности Земли.

3. Атмосфера выполняет защитную функцию, поглощая жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца молекулами озона в стратосфере, а также предотвращает бомбардировку поверхности Земли метеоритами, которые сгорают в верхних слоях.

4. Атмосфера играет важную роль в круговороте веществ в окружающей среде. В первую очередь это касается кислорода, углерода, азота и серы.

35 Газовый состав атмосферы

Состав газов в атмосфере довольно постоянный (в % по объему): азот -78,084; кислород - 20,946; углекислый газ - 0,033; аргон - 0,93; другие инертные и прочие газы (N20, NO2, CH4) - тысячные доли процента.

Значение отдельных газов для биосферы

Кислород. Постоянство содержания кислорода обусловлено процессом фотосинтеза, проходящем в растениях, в результате которого образуются органическое вещество и кислород. Кислород участвует в реакциях биологического окисления, обеспечивающих

энергией живые организмы.

Азот. Составляет основную массу атмосфеpы. Жизнь многим обязана азоту, поскольку он входит в состав аминокислот, белков и других органических молекул. В земной атмосфере наличие свободного азота обязано жизненным процессам, в результате которых он образовался из аммиака первичной атмосферы Земли.

Углекислый газ. Участвует в процессе фотосинтеза. Его относят к так называемым "парниковым" газам, способным снижать излучение тепла земной поверхностью в космическое пространство. Возрастание концентрации углекислого газа за счет сжигания

топлива, работы промышленных предприятий, транспорта, тепловых

электростанций и др. приводит к возникновению "парникового эффекта",

связанного с повышением температуры нижних слоев атмосферы и глобальным потеплением климата. В формировании парникового эффекта участвуют

также водяной пар, метан, оксиды азота (N20, N02), некоторые другие газы.

Состав и строение атмосферы.

Атмосфера – газовая оболочка Земли. Вертикальная протяженность атмосферы более трех земных радиусов (средний радиус равен 6371 км) а масса - 5,157х10 15 т, что составляет примерно миллионную от массы Земли.

В основу деления атмосферы на слои в вертикальном направлении положено следующее:

Состав атмосферного воздуха,

Физико-химические процессы;

Распределение температуры по высоте;

Взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью.

Атмосфера нашей планеты представляет собой механическую смесь различных газов, в том числе водяного пара, а также некоторого количества аэрозолей. Состав сухого воздуха в нижнем 100 км остается практически постоянным. Чистый и сухой воздух, в ко­тором нет водяного пара, пыли и других примесей, представляет со­бой смесь газов, главным образом азота (78 % объема воздуха) и ки­слорода (21 %). Немного менее одного процента составляет аргон и в очень малых количествах находится множество других газов - ксе­нон, криптон, углекислый газ, водород, гелий и др. (табл. 1.1).

Азот, кислород и другие составляющие атмосферного воздуха нахо­дятся в атмосфере всегда в газообразном состоянии, так как критические температуры, то есть температуры, при которых они могут находиться в жидком состоянии, много ниже температур, наблюдаемых у поверхно­сти Земли. Исключение составляет углекислый газ. Однако для перехода в жидкое состояние кроме температуры необходимо еще достижение состояния насыщения. В атмосфере углекислого газа немного (0,03 %) и он находится в виде отдельных молекул, равномерно распределенных среди молекул других атмосферных газов. За последние 60-70 лет его содержание увеличилось на 10-12%, под влиянием деятельности человека.

Больше других подвержено изменению содержание водяного пара, концентрация которого у поверхности Земли при высокой температуре может достигать 4%. С увеличением высоты и понижением температуры содержание водяного пара резко убывает (на высоте 1,5-2,0 км – наполовину и в 10-15 раз от экватора к полюсу).

Масса твердых примесей за последние 70 лет в атмосфере северного полушария возросла примерно в 1,5 раза.

Постоянство газового состава воздуха обеспечивается интенсив­ным перемешиванием нижнего слоя воздуха.

Газовый состав нижних слоев сухого воздуха (без водяного пара)

Роль и значение основных газов атмосферного воздуха

КИСЛОРОД (О) жизненно необходим почти для всех обитателей планеты. Это активный газ. Он участвует в химических реакциях с другими газами атмосферы. Кислород активно поглощает лучистую энергию, особенно очень короткие волны длиной менее 2.4 мкм. Под действием солнечного ультрафиолетового излучения (X < 03 мкм), молекула кислорода распадается на атомы. Атомарный кислород, со­единяясь с молекулой кислорода, образует новое вещество - трех­атомный кислород или озон (Оз). Озон в основном находится на больших высотах. Там его роль для планеты исключительно благо­творна. У поверхности Земли озон образуется при грозовых разрядах.

В отличие от всех других газов в атмосфере, которые не имеют ни вкуса, ни запаха, озон имеет характерный запах. В переводе с грече­ского языка слово «озон» означает «остро пахнущий». После грозы этот запах приятен, он воспринимается как запах свежести. В больших количествах озон является отравляющим веществом. В городах с большим количеством автомобилей, а значит и большими выбросами автомобильных газов, в безоблачную или малооблачную погоду под действием солнечных лучей образуется озон. Город окутывается жел­то-синим облаком, видимость ухудшается. Это фотохимический смог.

АЗОТ (N2) - нейтральный газ, он, не вступает в реакции с други­ми газами атмосферы, не участвует в поглощении лучистой энергии.

До высот 500 км атмосфера в основном состоит из кислорода и азота. При этом, если в нижнем слое атмосферы преобладает азот, то на больших высотах кислорода больше, чем азота.

АРГОН (Аг) - нейтральный газ, в реакции не вступает, в погло­щении и излучении лучистой энергии не участвует. Аналогично - ксенон, криптон и многие другие газы. Аргон - тяжелое вещество, в высоких слоях атмосферы его очень мало.

УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА (С02) в атмосфере в среднем 0,03 %. Этот газ очень необходим растениям и активно ими поглощается. Фактиче­ское количество его в воздухе может несколько изменяться. В индуст­риальных районах его количество может увеличиваться до 0.05 %. В сельской местности, над лесами, полями его меньше. Над Антаркти­дой примерно 0,02 % углекислого газа, т. е. почти на Уз меньше сред­него его количества в атмосфере. Столько же и даже меньше его над морем - 0.01 - 0.02 %, так как углекислый газ интенсивно поглоща­ется водой.

В слое воздуха, который непосредственно примыкает к земной по­верхности, количество углекислого газа испытывает и суточные коле­бания.

Ночью его больше, днем меньше. Объясняется это тем, что в светлое время суток углекислый газ поглощается растениями, а ночью нет. Растения планеты на протяжении года берут из атмосферы около 550 млрд. т. и возвращают в нее около 400 млрд. т. кислорода.

Углекислый газ полностью прозрачен для солнечных коротковол­новых лучей, но интенсивно поглощает тепловое инфракрасное излу­чение Земли. С этим связана проблема парникового эффекта, по пово­ду которого периодически разгораются дискуссии на страницах науч­ной печати, а, главным образом, в массмедиа.

ГЕЛИЙ (Не) - очень легкий газ. Он поступает в атмосферу из земной коры в результате радиоактивного распада тория и урана. Ге­лий улетучивается в космическое пространство. Скорость убывания гелия соответствует скорости поступления его из недр Земли. От вы­соты 600 км до 16000 км наша атмосфера состоит главным образом из гелия. Это «гелиевая корона Земли» по выражению Вернадского. Ге­лий не вступает в реакции с другими газами атмосферы, не участвует в лучистом теплообмене.

ВОДОРОД (Нг) еще более легкий газ. У поверхности Земли его очень мало. Он поднимается в верхние слои атмосферы. В термосфере и экзосфере атомарный водород становится доминирующим компо­нентом. Водород - это самая верхняя, самая дальняя оболочка нашей планеты. Выше 16000 км до верхней границы атмосферы, то есть до высот 30 - 40 тыс. км, преобладает водород. Таким образом, химиче­ский состав нашей атмосферы с высотой приближается к химическо­му составу Вселенной, в которой водород и гелий - наиболее рас­пространенные элементы. В самой внешней, крайне разряженной части верхней атмосферы, происходит убегание из атмосферы водорода и гелия. Отдельные их атомы имеют для этого достаточно большие скорости.

1 Человек и климат.

2 Введение.

Взаимосвязь между энергопотреблением, экономической деятельностью и поступлением в атмосферу.

Потребление энергии и выбросы углекислого газа.

3 Углерод в природе.

Изотопы углерода.

4 Углерод в атмосфере.

Атмосферный углекислый газ.

Углерод в почве.

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

6 Список литературы.

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 солнечной коротковолновой радиации прозрачен, уходящую от земной поверхности длинноволновую радиацию этот газ поглощает и излучает 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.

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. Было рассчитано, что если бы США перешли, при производстве товаров широкого потребления и в сфере услуг, на наименее энергоёмкие технологии 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, гидросферу с морской биотой и литосферой. 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 углерод 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 полураспада 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.

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..

Углерод в почве.

По разным оценкам, суммарное содержание углерода составляет около

Г С. Главная неопределённость существующих оценок обусловлена недостаточной полнотой сведений о площадях и содержании углерода в торфяниках планеты.

Более медленный процесс разложения углерода в почвах холодных климатических зон приводит к большей концентрации углерода почв (на единицу поверхности) в бореальных лесах и травянистых сообществах средних широт по сравнению с тропическими экосистемами. Однако только небольшое количество (несколько процентов или даже меньше) детрита, поступающего ежегодно в резервуар почв, остаётся в них в течение длительного времени. Большая часть мёртвого органического вещества окисляется до за несколько лет. В чернозёмах около 98% углерода подстилки характеризуется временем оборота около 5 месяцев, а 2% углерода подстилки остаются в почве в среднем в течение 500-1000 лет. Эта характерная черта почвообразовательного процесса проявляется также в том, что возраст почв в средних широтах, определяемый радиоизотопным методом, составляет от нескольких сотен до тысячи лет и более. Однако скорость разложения органического вещества при трансформации земель, занятых естественной растительностью, в сельскохозяйственные угодья совершенно другая. Например, высказывается мнение, что 50% органического углерода в почвах, используемых в сельском хозяйстве Северной Америки, могло быть потеряно вследствие окисления, так как эти почвы начали эксплуатироваться до начала прошлого века или в самом его начале.

Изменения содержания углерода в

континентальных экосистемах.

За последние 200 лет произошли значительные изменения в континентальных экосистемах в результате возрастающего антропогенного воздействия. Когда земли, занятые лесами и травянистыми сообществами, превращаются в сельскохозяйственные угодья, органическое вещество, т.е. живое вещество 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 и деструкция органического вещества зависят от географической широты и типа растительности.

Были проведены многочисленные исследования, имевшие своей целью разрешить существующую неопределённость в оценке изменений запасов углерода в континентальных экосистемах. Основываясь на данных этих исследований, можно прийти к выводу о том, что поступление в атмосферу с 1860 по 1980 год составило г. С и что в 1980 году биотический выброс углерода был равен г. С/год. Кроме того, возможно влияние возрастающих атмосферных концентраций и выбросов загрязняющих веществ, таких, как и , на интенсивность фотосинтеза и деструкции органического вещества 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 экосистемах 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 большое количество моделей глобального углеродного цикла, рассматривать которые в данной работе не представляется целесообразным из-за того, что они в достаточной мере сложны и объёмны. Рассмотрим лишь кратко основные их выводы. Различные сценарии, использованные для прогноза содержания в атмосфере в будущем, дали сходные результаты. Ниже приведёна попытка подвести общий итог наших сегодняшних знаний и предположений, касающихся проблемы антропогенного изменения концентрации в атмосфере.

· С 1860 по 1984 год в атмосферу поступило г. За счёт сжигания ископаемого топлива, скорость выброса в настоящее время (по данным на 1984 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 настоящее время равна г. С/год.

· С середины прошлого века концентрация в атмосфере увеличилась от до млн. в 1984 году.

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

· Неопределённости прогнозов вероятных изменений концентрации в будущем, получаемых на основе сценариев выбросов, значительно меньше значительно меньше неопределённостей самих сценариев выбросов.

· 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 будущем 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 ближайших 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 замедлятся, то удвоение содержания в атмосфере по сравнению с доиндустриальным уровнем произойдёт к концу XXI века.

Углекислый газ (СО2).

Углекислый газ, возможно, является самым важным из всех парниковых газов, выбрасываемых в атмосферу человеком, во-первых, потому что он вызывает сильный парниковый эффект и, во-вторых, потому что по вине человека этого газа образуется так много.

Углекислый газ, это очень «естественный» компонент атмосферы - настолько естественный, что мы лишь недавно стали задумываться об углекислом газе антропогенного происхождения как о загрязнителе. Углекислый газ может быть полезной вещью. Однако ключевой вопрос заключается в том, в какой момент СО2 становится слишком много? Или, иными словами, в каких количествах он начинает оказывать вредное воздействие на окружающую среду?

То, что кажется естественным с точки зрения человека сегодня, может значительно отличаться от того, что было естественным для Земли в процессе ее эволюционного развития. История человечества представляет собой лишь очень тонкий срез (не более нескольких миллионов лет) на геологическом пласте, насчитывающим более чем 4,6 миллиардов лет.

Некоторые экологи опасаются, что углекислый газ приведет к катастрофическим изменениям в климате, таким, например, какие описаны в книге Билла Маккибена «Конец природы».

Вероятнее всего, углекислый газ преобладал в ранней атмосфере Земли. Сегодня содержание СО2 в атмосфере составляет лишь около 0,03 процента, и самые пессимистические прогнозы предсказывают повышение его уровня до 0,09 процентов к 2100 году. Приблизительно 4,5 миллиардов лет назад, как полагают некоторые ученые, СО2 составлял 80 процентов состава атмосферы Земли, медленно понижаясь сначала до 30-20 процентов в следующие 2,5 миллиарда лет. Свободный кислород практически не встречался в ранней атмосфере и был ядовит для анаэробных форм жизни, существовавших в то время.

Существование человека, как мы знаем сегодня, в условиях избыточного содержания углекислого газа в атмосфере, было просто невозможно. К счастью для людей и животных, большая часть СО2 была удалена из атмосферы на поздних этапах истории Земли, когда обитатели морей, ранние формы альгае, выработали способность к фотосинтезу. В процессе фотосинтеза растения используют энергию Солнца для того, чтобы превратить углекислый газ и воду в сахар и кислород. В конце концов, альгае и другие, более совершенные жизненные формы, появившиеся в процессе эволюции (планктон, растения и деревья), погибали, связывая большую часть углерода в различных углеродных минералах (нефтяных сланцах, в угле и нефти) в земной коре. То, что осталось в атмосфере - это кислород, которым мы дышим сейчас.

Углекислый газ поступает в атмосферу из различных источников - большая часть которых естественные. Но количество СО2 обычно остается приблизительно на одном уровне, поскольку существуют механизмы, которые выводят углекислый газ из атмосферы (рисунок 5 дает упрощенную схему циркуляции СО2 в атмосфере).

Одним из главных природных механизмов циркуляции СО2 является обмен газами между атмосферой и поверхностью океанов. Этот обмен представляет собой очень тонкий, хорошо сбалансированный процесс с обратной связью. Количество углекислого газа, вовлеченного в него, поистине огромно. Ученые измеряют эти количества в гига тоннах (Ггт - миллиардах метрических тонн) углерода для удобства.

Углекислый газ легко растворяется в воде (процесс, в результате которого получается газированная вода). Он также легко выделяется из воды (в газированной воде мы видим это как шипение). Углекислый газ атмосферы непрерывно растворяется в воде на поверхности океанов и выделяется назад в атмосферу. Этот феномен практически полностью объясняется физическими и химическими процессами. Поверхностью мирового океана ежегодно выделяется 90 Ггт углерода, а поглощается 92 Ггт углерода. Когда ученые сопоставляют эти два процесса, то получается, что поверхность мирового океана, по сути, является поглотителем углекислого газа, то есть поглощает больше СО2, чем выделяет назад в атмосферу.

Величина потоков углекислого газа в цикле атмосфера / океан остается наиболее важным фактором, потому что незначительные изменения в существующем балансе могут иметь непредсказуемые последствия для других природных процессов.

Не менее важное значение в циркуляции углекислого газа в атмосфере играют биологические процессы. СО2 необходим для фотосинтеза. Растения «дышат» углекислым газом, поглощая около 102 Ггт углерода ежегодно. Однако растения, животные и другие организмы также выделяют СО2. Одна из причин образования углекислого газа объясняется метаболическим процессом - дыханием. При дыхании живые организмы сжигают вдыхаемый ими кислород. Люди и другие наземные животные, к примеру, вдыхают кислород для поддержания жизни и выдыхают углекислый газ назад в атмосферу в качестве отходов. По расчетам, все живые организмы на Земле ежегодно выдыхают около 50 Ггт углерода.

Когда растения и животные умирают, органические соединения углерода, находящиеся в них, включаются в состав почвы или ила в болотах. Природа компостирует эти продукты увядшей жизни подобно садовнику, разбивая их на составные части в процессе различных химических превращений и работы микроорганизмов. По расчетам ученых, при распаде обратно в атмосферу попадает около 50 Ггт углерода.

Таким образом, 102 Ггт углерода, поглощенные из атмосферы ежегодно, почти на сто процентов сбалансированы 102-мя Гг тоннами углерода, попадающими ежегодно в атмосферу в процессе дыхания и распада животных и растений. Необходимо отдавать себе полный отчет в величине потоков углерода в природе, поскольку незначительные отклонения в существующем балансе могут иметь далеко идущие последствия.

По сравнению с циклом атмосфера-океан и биологическим циклом, количество углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу в результате человеческой деятельности, на первый взгляд кажется незначительным. При сжигании угля, нефти и природного газа человек выбрасывает в атмосферу приблизительно 5,7 Ггт углерода (по данным IPCC). При вырубке и сжигании лесов люди, добавляют еще 2 Гг тонны. Следует учесть, что существуют различные оценки количества углерода, попадающего в атмосферу в результате сведения лесов.

Эти количества несомненно играют определенную роль, потому что естественные углеродные циклы (атмосфера / океан и биологический цикл) долгое время находились в хорошо отрегулированном равновесии. По крайней мере, баланс сохранялся на временном отрезке, на котором происходило зарождение и развитие человечества. Промышленная и сельскохозяйственная деятельность человека, похоже внесли значительный перекос в углеродный баланс.

Различные научные исследования показали увеличение концентраций углекислого газа в атмосфере в последние несколько столетий. В течение этого времени население планеты росло в геометрической прогрессии, в промышленности стали применять паровой двигатель, автомобили с двигателями внутреннего сгорания распространились по всей планете, и фермеры-переселенцы расчистили от растительности огромные территории Америки, Австралии и Азии.

В течение того же времени, атмосферные концентрации углекислого газа увеличились с 280 частиц на миллион (ppmv) допромышленного периода (1750 год) до около 353 ррmv, что составляет приблизительно 25 процентов. Этого количества может оказаться достаточно, чтобы вызвать значительные изменения, в случае если климат действительно чувствителен к парниковым газам в той степени, в какой это предполагают ученые. Измерения в обсерватории Мануа Лоа на Гавайях, далеко удаленной от источников промышленных загрязнений, показывают стабильный рост концентраций СО2 между 1958 и 1990 годами (рисунок 6). В последние два года, однако, роста концентраций углекислого газа не наблюдалось.

Тесная связь между концентрациями углекислого газа и расчетными средними мировыми температурами просто поразительна (рисунок 7)! Однако, является ли эта корреляция случайной, до сих пор остается загадкой. Легко поддаться искушению и объяснить колебания температуры колебаниями концентраций СО2. Но связь может быть и обратной - изменение температуры может вызывать изменение концентраций углекислого газа.