Za posledné tri milióny rokov zažila Zem veľa rytmických fluktuácií, pohybov dovnútra a von doby ľadové v rámci takzvaných Milankovičových cyklov (na počesť astrofyzika zo Srbska). Milankovitchove cykly na obežnej dráhe Zeme menia uhol a množstvo toho, čo dopadá na povrch našej planéty. slnečné svetlo. Ale tieto klimatické výkyvy by boli oveľa menšie, keby nebolo zosilňujúceho účinku zmien v koncentráciách skleníkových plynov. Klimatické záznamy, ako sú bloky ľadu, nám presne ukazujú, ako sa tieto koncentrácie plynu menia v priebehu času, pretože obsahujú bubliny starého vzduchu. Je na nás, aby sme prišli na dôvody, prečo sa skleníkové plyny dostávajú do atmosféry a miznú z nej. Napríklad, kde zmizol všetok oxid uhličitý z atmosféry, keď teplé obdobia vystriedali obdobia ľadovcové?
Hlavným podozrivým je Južný oceán. Voda bohatá na oxid uhličitý stúpa na povrch a vymieňa si ho s atmosférou. Ak sa toto vetranie spomalí, hladina oxidu uhličitého v atmosfére klesne. Zníženie prítoku hlbokej vody spôsobené pokrývkou menej hustej vody pri pobreží Antarktídy by napríklad mohlo vysvetliť pokles oxidu uhličitého na 40 ppm z približne 100 ppm počas posledných zaľadnenia.
Mnohé faktory však zostávajú nezohľadnené. Koncom osemdesiatych rokov oceánografi vyriešili jednu z hádaniek. Našli oblasti oceánu, kde je veľa kritických živiny dusík a fosfor, ale produktivita fotosyntézy tu bola nízka. Čo udržalo fytoplanktón? Obmedzené zásoby železa.
Železo vo vzduchu prenášanom prachom sa môže prepravovať na veľké vzdialenosti zo suchých oblastí; keď sa vypustí do oceánu, živí sa rast morského fytoplanktónu. John H. Martin a jeho kolegovia navrhli, že to vysvetľuje, kam ide časť oxidu uhličitého počas ľadových dôb. Ak sa do oceánov dostane viac prachu a železa, potom by zvýšená biologická aktivita mohla vtiahnuť uhlík do hlbokých oceánov.
Antarktické ľadové čiapky počas ľadových dôb obsahovali veľké množstvo polietavého prachu, o ktorom sa predpokladá, že veľká časť pochádza z Patagónie v r. Južná Amerika. Rozľahlá rovina sedimentárnych hornín vynárajúca sa spod topiaceho sa ľadovca je ideálnym zdrojom prachu. To platí najmä v Patagónii, kde sú silné vetry a zrážky v dobách ľadových boli obzvlášť výrazné. Čím väčšie sú tu ľadovce, tým viac prachu vzniká vo vzduchu prúdiacom cez južný oceán.
Rast fytoplanktónu, „oplodneného“ všetkým týmto železom, presunie oxid uhličitý z atmosféry do hlbokých oceánov. Oxid uhličitý, alebo skôr jeho časť, berie fytoplanktón do procesu fotosyntézy, prijíma energiu a materiál pre rast buniek. Keď odumrie a klesne na dno, uhlík si vezme so sebou.
Pokusy otestovať teóriu sa robili v priebehu rokov, ale výsledky boli vágne. Spoliehali sa najmä na to, že fytoplanktón pravdepodobne využíva molekuly dusičnanov s obsahom dusíka so 14 atómami (najčastejší izotop), a nie dusík-15. Presný pomer dusíka-15 k dusíku-14 vo fytoplanktóne závisí od toho, koľko dusičnanov je k dispozícii, ak je nedostatok, použije sa ktorýkoľvek izotop. Ak je časť oceánu, v ktorej je nedostatok železa, oplodnená polietavým prachom, použije sa viac dusičnanov a koncentrácia sa zníži. Takže pomer izotopov dusíka (ktorý možno zaznamenať v sedimente) nám hovorí, koľko dusičnanov sa použilo.
Nový výskum vedený Alfredom Martínezom-Garciom na ETH Zrich poskytuje viac najlepší test hypotéza hnojenia železom. Technologický pokrok umožnil výskumníkom merať izotopy dusíka v obaloch planktónu vyrobených z uhličitanu vápenatého, nazývaných foraminifera, v jadrách sedimentov na morskom dne. Predchádzajúce štúdie analyzovali rozsievky alebo samotný sediment. V oboch prípadoch existovali faktory, ktoré komplikovali analýzu a komplikovali interpretáciu výsledkov. Výskumníci tiež získali záznamy o fotosyntéze a produktivite železa z vetra, ktoré zaberajú obdobie 160 000 rokov.
Korelácia medzi izotopmi dusíka a železom bola dosť silná. Obsah železa sa zvýšil s ochladzovaním klímy počas posledného zaľadnenia, zdrojom bol vietor z Patagónie a zdá sa, že koncentrácia dusičnanov na hladine oceánu klesla. Analýza tiež ukázala vyššiu úroveň fotosyntézy počas týchto období.
Údaje poukazujú na dobre definovaný vplyv hnojenia železom, ktoré by prinieslo viac uhlíka z atmosféry do hlbokého oceánu. Rovnaký proces prebiehal aj počas kratších časových období, čo prispelo k zmenám CO 2 s menšími výkyvmi klímy, ktoré trvali len niekoľko tisíc rokov.
Záznamy, ako sú tieto, pomáhajú objasniť úlohu južného oceánu medzi inými časťami klimatického systému, ktoré transformujú Milankovičove orbitálne cykly na významné klimatické zmeny.
Atmosféra je plynný obal Zeme, prírodný nevyčerpateľný
zdroj. Atmosféra má vrstvenú štruktúru a zahŕňa troposféru,
stratosféra, mezosféra, ionosféra (termosféra), exosféra.
Najviac obsahuje troposféra susediaca so zemským povrchom
plyny, ktoré tvoria 75 % hmotnosti atmosféry. Výška horného okraja
je 8-10 km nad pólmi a 16-18 km nad rovníkom. Tu
dochádza k intenzívnemu vertikálnemu miešaniu vzduchu a
horizontálne sa hlavné množstvo vodnej pary koncentruje a
nečistoty, ktoré prispievajú k tvorbe oblakov.
Ďalšou vrstvou je stratosféra. Vyznačuje sa slabým vzduchom
prúdy, nízka oblačnosť a stála teplota.
Vo výške 9-10 km na póloch a 17-18 km nad rovníkom je
ozónová clona (ozónová vrstva), ktorá siaha do výšky 35 km.
Nad stratosférou sa nachádza mezosféra (od výšky 55 do 80 km). ona
charakterizované poklesom teploty
Mezosféra prechádza do termosféry (ionosféry), pre ktorú je charakteristické zvýšenie teploty. V tejto vrstve sa ionizujú plyny.
V exosfére siahajúcej do nadmorskej výšky 1000-2000 km uniká vodík a hélium. priestor.
Atmosférický vzduch vždy obsahuje vodu (vodnú paru a kvapkovú vlhkosť) v množstve 3-4%, ako aj rôzne atmosférické škodliviny (oxidy síry, dusíka, metán, oxid uhoľnatý, freóny, prach, sadze), ktoré tvoria celková hmotnosť atmosféry je zanedbateľná časť.
Atmosférický vzduch má veľký význam v živote biosféry.
1. Vzduchový kyslík je potrebný na dýchanie aeróbnych organizmov.
2. Atmosféra zohráva klimatologickú úlohu. Vznikajú v ňom vzdušné prúdy, miešajú sa veľké masy vzduchu a chemické látky uvoľňované rôznymi zdrojmi na zemský povrch sa prerozdeľujú na značné vzdialenosti.
3. Atmosféra plní ochrannú funkciu, pohlcuje tvrdé ultrafialové žiarenie Slnka molekulami ozónu v stratosfére a zabraňuje aj bombardovaniu zemského povrchu meteoritmi, ktoré vyhoria v horných vrstvách.
4. Atmosféra hrá dôležitú úlohu pri cirkulácii látok v životné prostredie. Ide predovšetkým o kyslík, uhlík, dusík a síru.
Zloženie plynov v atmosfére je pomerne konštantné (v % objemu): dusík -78,084; kyslík, 20,946; oxid uhličitý - 0,033; argón - 0,93; ostatné inertné a iné plyny (N20, NO2, CH4) - tisíciny percent.
Význam jednotlivých plynov pre biosféru
Kyslík. Stálosť obsahu kyslíka je spôsobená procesom fotosyntézy v rastlinách, v dôsledku čoho sa tvoria organické látky a kyslík. Kyslík sa podieľa na biologických oxidačných reakciách, ktoré poskytujú
energeticky živé organizmy.
Dusík. Tvorí väčšinu atmosféry. Život za veľa vďačí dusíku, keďže je súčasťou aminokyselín, bielkovín a iných organických molekúl. V zemskej atmosfére je prítomnosť voľného dusíka daná životnými procesmi, v dôsledku ktorých vznikol z amoniaku v primárnej atmosfére Zeme.
Oxid uhličitý. Podieľa sa na procese fotosyntézy. Ide o takzvané „skleníkové“ plyny, ktoré sú schopné znižovať vyžarovanie tepla zo zemského povrchu do vesmíru. Zvýšenie koncentrácie oxidu uhličitého v dôsledku spaľovania
palivo, práca priemyselných podnikov, doprava, tepelná
elektrárňach atď. vedie k „skleníkového efektu“,
spojené so zvýšením teploty spodných vrstiev atmosféry a globálnym otepľovaním. sa podieľajú na tvorbe skleníkového efektu
aj vodná para, metán, oxidy dusíka (N20, N02), niektoré ďalšie plyny.
Zloženie a štruktúra atmosféry.
Atmosféra je plynný obal Zeme. Vertikálny rozsah atmosféry je viac ako tri zemské polomery (priemerný polomer je 6371 km) a hmotnosť je 5,157 x 10 15 ton, čo je približne jedna milióntina hmotnosti Zeme.
Rozdelenie atmosféry na vrstvy vo vertikálnom smere je založené na nasledujúcom:
zloženie atmosférického vzduchu,
Fyzikálne a chemické procesy;
Rozloženie teploty nadmorskej výšky;
Interakcia atmosféry s podkladovým povrchom.
Atmosféra našej planéty je mechanická zmes rôznych plynov, vrátane vodnej pary, ako aj určitého množstva aerosólov. Zloženie suchého vzduchu v dolných 100 km zostáva takmer konštantné. Čistý a suchý vzduch, v ktorom nie je vodná para, prach a iné nečistoty, je zmesou plynov, hlavne dusíka (78 % objemu vzduchu) a kyslíka (21 %). O niečo menej ako jedno percento je argón a vo veľmi malých množstvách je tam mnoho ďalších plynov – xenón, kryptón, oxid uhličitý, vodík, hélium atď. (tabuľka 1.1).
Dusík, kyslík a ďalšie zložky atmosférického vzduchu sú vždy v atmosfére v plynnom stave, pretože kritické teploty, teda teploty, pri ktorých môžu byť v kvapalnom stave, sú oveľa nižšie ako teploty pozorované na povrchu Zeme. . Výnimkou je oxid uhličitý. Pre prechod do kvapalného stavu je však potrebné okrem teploty dosiahnuť aj stav nasýtenia. V atmosfére je málo oxidu uhličitého (0,03 %) a je vo forme samostatných molekúl, rovnomerne rozložených medzi molekuly iných atmosférických plynov. Za posledných 60-70 rokov sa jeho obsah pod vplyvom ľudskej činnosti zvýšil o 10-12%.
Viac ako iné podlieha zmenám obsah vodnej pary, ktorej koncentrácia na povrchu Zeme pri vysoká teplota môže dosiahnuť 4 %. S nárastom nadmorskej výšky a poklesom teploty sa obsah vodnej pary prudko znižuje (vo výške 1,5-2,0 km - o polovicu a 10-15 krát od rovníka k pólu).
Množstvo pevných nečistôt sa za posledných 70 rokov v atmosfére severnej pologule zvýšilo asi 1,5-krát.
Stálosť plynového zloženia vzduchu je zabezpečená intenzívnym premiešavaním spodnej vrstvy vzduchu.
Zloženie plynu spodných vrstiev suchého vzduchu (bez vodnej pary)
Úloha a význam hlavných plynov atmosférického vzduchu
KYSLÍK (O)životne dôležité pre takmer všetkých obyvateľov planéty. Je to aktívny plyn. Zúčastňuje sa na chemické reakcie s inými atmosférickými plynmi. Kyslík aktívne absorbuje energiu žiarenia, najmä veľmi krátke vlnové dĺžky menšie ako 2,4 μm. Pod vplyvom slnečného ultrafialového žiarenia (X< 03 µm), molekula kyslíka sa rozpadne na atómy. Atómový kyslík spájaním s molekulou kyslíka vzniká nová látka – trojatómový kyslík resp ozón(Oz). Ozón sa väčšinou vyskytuje vo vysokých nadmorských výškach. Tam jehoúloha pre planétu je mimoriadne prospešná. Na povrchu Zeme sa pri výbojoch blesku tvorí ozón.
Na rozdiel od všetkých ostatných plynov v atmosfére, ktoré nemajú chuť ani vôňu, ozón má charakteristický zápach. V preklade z gréčtiny znamená slovo „ozón“ „ostrú vôňu“. Po búrke je táto vôňa príjemná, vníma sa ako vôňa sviežosti. Vo veľkých množstvách je ozón jedovatá látka. V mestách s veľkým počtom áut, a teda aj veľkými emisiami automobilových plynov, vzniká ozón pôsobením slnečného žiarenia v bezoblačnom alebo mierne zamračenom počasí. Mesto je zahalené do žlto-modrého mraku, viditeľnosť sa zhoršuje. Ide o fotochemický smog.
DUSÍK (N2) je neutrálny plyn, nereaguje s inými atmosférickými plynmi, nezúčastňuje sa absorpcie žiarivá energia.
Až do nadmorských výšok 500 km sa atmosféra skladá hlavne z kyslíka a dusíka. Zároveň, ak v spodnej vrstve atmosféry prevláda dusík, tak vo vysokých nadmorských výškach je viac kyslíka ako dusíka.
ARGÓN (Ag) - neutrálny plyn, nevstupuje do reakcie, nepodieľa sa na absorpcii a emisii žiarivej energie. Podobne - xenón, kryptón a mnoho ďalších plynov. Argón je ťažká látka, vo vysokých vrstvách atmosféry je ho veľmi málo.
OXIDU UHLIČITÉHO (CO2) v atmosfére je v priemere 0,03 %. Tento plyn je pre rastliny veľmi potrebný a aktívne ho absorbujú. Skutočné množstvo vo vzduchu sa môže mierne líšiť. V priemyselných oblastiach sa jeho množstvo môže zvýšiť až o 0,05 %. Na vidieku, nad lesmi, je políčok menej. Nad Antarktídou približne 0,02 % oxidu uhličitého, t.j Ouse menej ako je priemerné množstvo v atmosfére. Rovnaké množstvo a ešte menej nad morom - 0,01 - 0,02%, pretože oxid uhličitý je intenzívne absorbovaný vodou.
Vo vrstve vzduchu, ktorá priamo susedí so zemským povrchom, denne kolíše aj množstvo oxidu uhličitého.
Viac v noci, menej cez deň. Vysvetľuje to skutočnosť, že počas dňa je oxid uhličitý absorbovaný rastlinami, ale nie v noci. Rastliny planéty berú počas roka z atmosféry asi 550 miliárd ton kyslíka a vracajú do nej asi 400 miliárd ton kyslíka.
Oxid uhličitý je úplne transparentný pre krátkovlnné slnečné lúče, ale intenzívne pohlcuje tepelné infračervené žiarenie Zeme. S tým súvisí aj problém skleníkového efektu, o ktorom sa na stránkach vedeckej tlače a hlavne v masmédiách periodicky rozprúdia diskusie.
HÉLIUM (On) je veľmi ľahký plyn. Do atmosféry sa dostáva zo zemskej kôry v dôsledku rádioaktívny rozpad tórium a urán. Hélium uniká do vesmíru. Rýchlosť poklesu hélia zodpovedá rýchlosti jeho vstupu z útrob Zeme. Od nadmorskej výšky 600 km do 16 000 km sa naša atmosféra skladá hlavne z hélia. Toto je „héliová koróna Zeme“ slovami Vernadského. Hélium nereaguje s inými atmosférickými plynmi a nezúčastňuje sa na prenose tepla sálaním.
VODÍK (Hg) je ešte ľahší plyn. V blízkosti zemského povrchu je ho veľmi málo. Stúpa do vyšších vrstiev atmosféry. V termosfére a exosfére sa dominantnou zložkou stáva atómový vodík. Vodík je najvrchnejšia a najvzdialenejšia škrupina našej planéty. Nad 16 000 km k hornej hranici atmosféry, teda do výšok 30 – 40 000 km, prevláda vodík. Chemické zloženie našej atmosféry sa teda s výškou približuje chemickému zloženiu Vesmíru, v ktorom sú vodík a hélium najrozšírenejšími prvkami. V krajnej, mimoriadne riedkej časti horná atmosféra, vodík a hélium uniká z atmosféry. Ich jednotlivé atómy majú na to dostatočne vysoké rýchlosti.
1 Človek a klíma.
2 Úvod.
Vzťah medzi spotrebou energie, ekonomická aktivita a prijatie v atmosfére.
Spotreba energie a emisie oxidu uhličitého.
3 uhlíka v prírode.
Izotopy uhlíka.
4 Uhlík v atmosfére.
atmosférický oxid uhličitý.
Pôdny uhlík.
5 Predpovede koncentrácie oxidu uhličitého v atmosfére do budúcnosti. Hlavné závery.
6 Bibliografia.
Úvod.
Ľudská činnosť už dosiahla taký stupeň rozvoja, v ktorom sa jej vplyv na prírodu stáva globálnym. Prírodné systémy – atmosféra, pevnina, oceán – ako aj život na planéte ako celku podliehajú týmto vplyvom. Je známe, že za posledné storočie sa zvýšil obsah niektorých zložiek plynu v atmosfére, ako je oxid uhličitý (), oxid dusný (), metán () a troposférický ozón (). Okrem toho sa do atmosféry dostali aj ďalšie plyny, ktoré nie sú prirodzenými zložkami globálneho ekosystému. Hlavnými sú fluórchlórované uhľovodíky. Tieto plynné nečistoty absorbujú a vyžarujú žiarenie, a preto sú schopné ovplyvňovať klímu Zeme. Všetky tieto plyny spolu možno nazvať skleníkovými plynmi.
Názor, že by sa klíma mohla zmeniť v dôsledku uvoľňovania oxidu uhličitého do atmosféry, sa teraz neobjavil. Arrhenius poukázal na to, že spaľovanie fosílnych palív môže viesť k zvýšeniu koncentrácie v atmosfére a tým zmeniť radiačnú bilanciu Zeme. Teraz už približne vieme, koľko sa toho uvoľnilo do ovzdušia spaľovaním fosílnych palív a zmenami vo využívaní pôdy (odlesňovanie a rozširovanie poľnohospodárskej pôdy) a pozorovaný nárast koncentrácií v atmosfére môžeme dať do súvislosti s ľudskou činnosťou.
Mechanizmom klimatických zmien je takzvaný skleníkový efekt. Zatiaľ čo pre slnečné krátkovlnné žiarenie je transparentné, vzďaľuje sa od zemského povrchu tento plyn pohlcuje dlhovlnné žiarenie a absorbovanú energiu vyžaruje do všetkých smerov. V dôsledku tohto efektu vedie zvýšenie koncentrácie v atmosfére k zahrievaniu zemského povrchu a spodnej atmosféry. Pokračujúci nárast koncentrácií v atmosfére môže viesť ku globálnej zmene klímy, takže predpovedanie budúcich koncentrácií oxidu uhličitého je dôležitou úlohou.
Uvoľňovanie oxidu uhličitého do atmosféry
v dôsledku priemyselného
emisie.
Hlavným antropogénnym zdrojom emisií je spaľovanie všetkých druhov uhlíkatých palív. V súčasnosti ekonomický vývoj zvyčajne súvisí s rastom industrializácie. Historicky hospodárska obnova závisela od dostupnosti cenovo dostupných zdrojov energie a množstva spálených fosílnych palív. Údaje o vývoji hospodárstva a energetiky pre väčšinu krajín za obdobie 1860-1973. Svedčia nielen o ekonomickom raste, ale aj o raste spotreby energie. Jedno však nie je dôsledkom druhého. Od roku 1973 došlo v mnohých krajinách k poklesu špecifických nákladov na energiu so zvýšením reálnych cien energie. Nedávna štúdia priemyselného využitia energie v Spojených štátoch ukázala, že od roku 1920 pomer nákladov na primárnu energiu k ekonomickému ekvivalentu vyrobeného tovaru neustále klesal. Efektívnejšie využitie energie je dosiahnuté vďaka zlepšeniu priemyselných technológií, vozidiel a dizajnu budov. Okrem toho v mnohých industrializovaných krajinách došlo k posunom v štruktúre hospodárstva, ktoré sa prejavili v prechode od rozvoja surovín a spracovateľského priemyslu k expanzii odvetví, ktoré produkujú finálny produkt.
Minimálna úroveň spotreby energie na obyvateľa, ktorá je v súčasnosti potrebná na pokrytie potrieb medicíny, vzdelávania a rekreácie, sa v jednotlivých regiónoch a krajinách výrazne líši. V mnohých rozvojové krajiny podstatné zvýšenie spotreby kvalitných palív na obyvateľa je nevyhnutné pre dosiahnutie vyššej životnej úrovne. Teraz sa zdá pravdepodobné, že pokračujúci ekonomický rast a dosiahnutie požadovanej životnej úrovne nesúvisia so spotrebou energie na obyvateľa, ale tento proces ešte nie je dobre pochopený.
Dá sa predpokladať, že do polovice budúceho storočia sa ekonomiky väčšiny krajín dokážu prispôsobiť vyšším cenám energií, zníženiu potreby pracovnej sily a iných druhov zdrojov, ako aj zvýšeniu rýchlosti spracovania a prenosu informácií. alebo možno zmena štruktúry ekonomickej rovnováhy medzi výrobou tovaru a poskytovaním služieb. Miera priemyselných emisií bude teda priamo závisieť od výberu stratégie rozvoja energetiky s tým či oným podielom využívania uhlia alebo jadrového paliva v energetickom systéme.
Spotreba energie a emisie
oxid uhličitý.
Energia sa nevyrába pre samotnú výrobu energie. V priemyselných krajinách väčšina vyrobenej energie pochádza z priemyslu, dopravy, vykurovania a chladenia budov. Mnohé nedávne štúdie ukázali, že súčasnú úroveň spotreby energie v priemyselných krajinách možno výrazne znížiť používaním technológií na úsporu energie. Počítalo sa, že ak by Spojené štáty prešli vo výrobe spotrebného tovaru a v sektore služieb na energeticky najmenej náročné technológie pri rovnakom objeme výroby, množstvo vstupujúce do atmosféry by sa znížilo o 25 %. Výsledné zníženie globálnych emisií by bolo 7 %. Podobný efekt by nastal aj v iných priemyselných krajinách. Ďalšie zníženie rýchlosti vstupu do atmosféry je možné dosiahnuť zmenou štruktúry hospodárstva v dôsledku zavedenia viac efektívne metódy výrobu tovarov a zlepšenie poskytovania služieb obyvateľstvu.
uhlíka v prírode.
Medzi mnohými chemické prvky, bez ktorej je existencia života na Zemi nemožná, uhlík je hlavný Chemické premeny organických látok sú spojené so schopnosťou atómu uhlíka vytvárať dlhé kovalentné reťazce a kruhy. Biogeochemický cyklus uhlíka je, samozrejme, veľmi zložitý, pretože zahŕňa nielen fungovanie všetkých foriem života na Zemi, ale aj prenos anorganických látok medzi rôznymi zásobníkmi uhlíka, ako aj v nich. Hlavnými zásobárňami uhlíka sú atmosféra, kontinentálna biomasa vrátane pôd, hydrosféra s morskou biotou a litosféra. V priebehu posledných dvoch storočí v sústave atmosféra - biosféra - hydrosféra dochádza k zmenám tokov uhlíka, ktorých intenzita je približne o rád vyššia ako intenzita geologické procesy presunúť tento prvok. Z tohto dôvodu by sme sa mali obmedziť na analýzu interakcií v rámci tohto systému, vrátane pôd.
Základné chemické zlúčeniny a reakcie.
Je známych viac ako milión zlúčenín uhlíka, z ktorých tisíce sa podieľajú na biologických procesoch. Atómy uhlíka môžu byť v jednom z deviatich možných oxidačných stavov: od +IV do -IV. Najčastejším javom je úplná oxidácia, t.j. +IV a môžu slúžiť ako príklady takýchto zlúčenín. Viac ako 99% uhlíka v atmosfére je vo forme oxidu uhličitého. Asi 97% uhlíka v oceánoch existuje v rozpustenej forme () a v litosfére - vo forme minerálov. Príkladom oxidačného stavu +II je malá plynná zložka atmosféry, ktorá pomerne rýchlo oxiduje na . Elementárny uhlík je prítomný v atmosfére v malom množstve vo forme grafitu a diamantu a v pôde vo forme dreveného uhlia. Asimilácia uhlíka počas fotosyntézy vedie k tvorbe redukovaného uhlíka, ktorý je prítomný v biote, odumretej organickej hmote pôdy. horné vrstvy sedimentárne horniny vo forme uhlia, ropy a plynu pochované vo veľkých hĺbkach a v litosfére - vo forme rozptýleného nedostatočne oxidovaného uhlíka. Niektoré plynné zlúčeniny obsahujúce neúplne oxidovaný uhlík, najmä metán, sa dostávajú do atmosféry pri redukcii látok, ku ktorej dochádza pri anaeróbnych procesoch. Hoci pri bakteriálnom rozklade vzniká niekoľko rôznych plynných zlúčenín, rýchlo sa oxidujú a možno uvažovať, že vstupujú do systému. Výnimkou je metán, pretože tiež prispieva k skleníkovému efektu. Oceány obsahujú značné množstvo rozpustených organických zlúčenín uhlíka, ktorých procesy oxidácie ešte nie sú dostatočne známe.
Izotopy uhlíka.
V prírode je známych sedem izotopov uhlíka, z ktorých tri hrajú významnú úlohu. Dva z nich - a - sú stabilné a jeden je rádioaktívny s polčasom rozpadu 5730 rokov. Potreba študovať rôzne izotopy uhlíka je spôsobená skutočnosťou, že rýchlosti prenosu uhlíkových zlúčenín a rovnovážne podmienky v chemických reakciách závisia od toho, ktoré izotopy uhlíka tieto zlúčeniny obsahujú. Z tohto dôvodu sa v prírode pozoruje iná distribúcia. stabilné izotopy uhlíka. Distribúcia izotopu na jednej strane závisí od jeho tvorby jadrové reakcie za účasti neutrónov a atómov dusíka v atmosfére a na druhej strane z rádioaktívneho rozpadu.
Uhlík v atmosfére.
Starostlivé merania obsahu atmosféry začali v roku 1957 Killingom na observatóriu Mauna Loa. Pravidelné merania obsahu atmosféry sa vykonávajú aj na mnohých ďalších staniciach. Z analýzy pozorovaní možno usúdiť, že ročný kurz koncentrácia je spôsobená najmä sezónnymi zmenami v cykle fotosyntézy a ničením rastlín na súši; ovplyvňuje ho, aj keď v menšej miere, aj ročný chod povrchovej teploty oceánu, na ktorom je rozpustnosť v morská voda. Po tretie a pravdepodobne najmenej dôležitým faktorom je ročná rýchlosť fotosyntézy v oceáne. Priemer pre každého daný rok obsah v atmosfére je o niečo vyšší na severnej pologuli, keďže zdroje antropogénneho vstupu sa nachádzajú najmä na severnej pologuli. Okrem toho sa pozorujú malé medziročné odchýlky v obsahu, ktoré sú pravdepodobne určené charakteristikami všeobecnej cirkulácie atmosféry. Z dostupných údajov o zmene koncentrácie v atmosfére majú prvoradý význam údaje o pravidelnom náraste obsahu atmosféry pozorovanom za posledných 25 rokov. Skoršie merania obsahu atmosférického oxidu uhličitého (od polovice minulého storočia) boli spravidla nedostatočne úplné. Vzorky vzduchu boli odobraté bez potrebnej dôslednosti a nebol urobený odhad chyby výsledkov. Analýzou zloženia vzduchových bublín z jadier ľadovcov bolo možné získať údaje za obdobie od roku 1750 do roku 1960. Zistilo sa tiež, že hodnoty atmosférických koncentrácií pre 50. roky 20. storočia, stanovené analýzou vzduchových inklúzií ľadovcov, sú v dobrej zhode s údajmi observatória Mauna Loa. Koncentrácia v rokoch 1750-1800 sa blížila k 280 miliónom, potom sa začala pomaly zvyšovať a do roku 1984 dosiahla 3431 miliónov.
Pôdny uhlík.
Podľa rôznych odhadov je celkový obsah uhlíka cca
GS Hlavná neistota existujúcich odhadov je spôsobená nedostatočnou úplnosťou informácií o oblastiach a obsahu uhlíka v rašeliniskách planéty.
Pomalší proces rozkladu uhlíka v studených pôdach klimatickými zónami vedie k vyšším koncentráciám pôdneho uhlíka (na jednotku plochy) v boreálnych lesoch a pastvinách v strednej šírke v porovnaní s tropickými ekosystémami. Avšak, len nie veľké množstvo(niekoľko percent alebo aj menej) detritu vstupujúceho ročne do pôdnej nádrže v nich zostáva dlhodobo. Väčšina mŕtvych organickej hmoty oxiduje až niekoľko rokov. V černozemách má asi 98 % uhlíka z odpadu dobu obratu asi 5 mesiacov a 2 % uhlíka z odpadu zostáva v pôde v priemere 500 – 1 000 rokov. Toto charakteristický Pôdotvorný proces sa prejavuje aj v tom, že vek pôd v stredných zemepisných šírkach, stanovený rádioizotopovou metódou, sa pohybuje od niekoľkých stoviek až po tisíc a viac rokov. Úplne iná je však rýchlosť rozkladu organickej hmoty pri premene pôdy obsadenej prirodzenou vegetáciou na poľnohospodársku pôdu. Napríklad sa tvrdilo, že 50 % organického uhlíka v pôde využívanej v poľnohospodárstvo Severná Amerika, by sa mohli stratiť v dôsledku oxidácie, keďže tieto pôdy sa začali využívať pred začiatkom minulého storočia alebo na jeho samom začiatku.
Zmeny obsahu uhlíka v
kontinentálny ekosystémov.
Za posledných 200 rokov došlo v kontinentálnych ekosystémoch k významným zmenám v dôsledku rastúceho antropogénneho vplyvu. Keď sa pozemky zaberané lesmi a bylinnými spoločenstvami menia na poľnohospodársku pôdu, organická hmota, t.j. živá hmota rastlín a odumretá organická hmota pôd sa oxidujú a uvoľňujú do atmosféry vo forme . Časť elementárneho uhlíka môže byť tiež pochovaná v pôde ako drevené uhlie (ako vedľajší produkt pri spaľovaní lesov), a tak sa môže odstrániť z rýchleho obratu v uhlíkovom cykle. Obsah uhlíka v rôznych zložkách ekosystémov sa líši, pretože obnova a ničenie organickej hmoty závisí od geografickej šírky a typu vegetácie.
Na vyriešenie súčasnej neistoty pri odhadovaní zmien zásob uhlíka v kontinentálnych ekosystémoch sa vykonalo množstvo štúdií. Na základe údajov z týchto štúdií možno konštatovať, že vstup do atmosféry v rokoch 1860 až 1980 bol 
C a že v roku 1980 bola emisia biotického uhlíka 
C/rok. Okrem toho je možný vplyv zvyšujúcich sa atmosférických koncentrácií a emisií znečisťujúcich látok, ako sú a , na intenzitu fotosyntézy a deštrukciu organickej hmoty v kontinentálnych ekosystémoch. Intenzita fotosyntézy sa zrejme zvyšuje so zvyšujúcou sa koncentráciou v atmosfére. S najväčšou pravdepodobnosťou je tento rast charakteristický pre poľnohospodárske plodiny a v prirodzených kontinentálnych ekosystémoch by zvýšenie efektívnosti využívania vody mohlo viesť k zrýchleniu tvorby organickej hmoty.
Predpovede koncentrácie oxidu uhličitého
plyn v atmosfére do budúcnosti.
Hlavné závery.
V priebehu posledných desaťročí vzniklo veľké množstvo modelov globálneho uhlíkového cyklu, o ktorých sa nezdá vhodné uvažovať v tomto príspevku vzhľadom na to, že sú dostatočne zložité a objemné. Pozrime sa stručne na ich hlavné závery. Rôzne scenáre používané na predpovedanie budúcich atmosférických množstiev priniesli podobné výsledky. Nasleduje pokus o zhrnutie našich súčasných poznatkov a predpokladov týkajúcich sa problému antropogénnych zmien koncentrácií v atmosfére.
Od roku 1860 do roku 1984 sa atmosféra dostala 
d) V dôsledku spaľovania fosílnych palív je v súčasnosti miera emisií (podľa údajov z roku 1984) rovná g C / rok.
· V rovnakom časovom období dosiahli emisie do ovzdušia v dôsledku odlesňovania a zmien vo využívaní pôdy objem C, intenzita tohto príjmu sa v súčasnosti rovná C/rok.
· Od polovice minulého storočia sa koncentrácia v atmosfére zvýšila z roku 1984 až na milión.
· Hlavné charakteristiky globálneho uhlíkového cyklu sú dobre známe. Je možné vytvárať kvantitatívne modely, ktoré možno použiť ako základ pre predpovedanie rastu koncentrácie v atmosfére pri použití určitých emisných scenárov.
· Neistoty v projekciách pravdepodobných budúcich zmien koncentrácie odvodené z emisných scenárov sú podstatne menšie a oveľa menšie ako neistoty v samotných emisných scenároch.
Ak intenzita emisií do ovzdušia počas nasledujúcich štyroch desaťročí zostane konštantná alebo sa bude zvyšovať veľmi pomaly (nie viac ako 0,5 % ročne) a vo vzdialenejšej budúcnosti aj veľmi pomaly porastie, potom do konca 21. koncentrácia bude asi 440 miliónov, t.j. nie o viac ako 60 % vyššia ako predindustriálna úroveň.
· Ak sa intenzita emisií počas nasledujúcich štyroch desaťročí zvýši v priemere o 1-2 % ročne, t.j. tak ako sa od roku 1973 až do súčasnosti zvyšuje a vo vzdialenejšej budúcnosti sa tempo jeho rastu spomalí, dôjde do konca 21. storočia k zdvojnásobeniu obsahu v atmosfére v porovnaní s predindustriálnymi úrovňami. .
Oxid uhličitý je možno najdôležitejší zo všetkých skleníkových plynov, ktoré ľudia vypúšťajú do ovzdušia, po prvé preto, že spôsobuje silný skleníkový efekt, a po druhé preto, že veľkú časť tohto plynu produkujú ľudia.
Oxid uhličitý je veľmi „prirodzená“ zložka atmosféry – taká prirodzená, že len nedávno sme začali uvažovať o antropogénnom oxide uhličitom ako o znečisťujúcej látke. Oxid uhličitý môže byť užitočná vec. Kľúčovou otázkou však je, kedy je CO2 príliš veľa? Alebo inými slovami, v akom množstve začína mať škodlivý vplyv na životné prostredie?
To, čo sa dnes z pohľadu človeka javí ako prirodzené, sa môže výrazne líšiť od toho, čo bolo prirodzené pre Zem v procese jej evolučného vývoja. História ľudstva je len veľmi tenkým plátkom (nie viac ako niekoľko miliónov rokov) na geologickej vrstve dlhej viac ako 4,6 miliardy rokov.
Niektorí environmentalisti sa obávajú, že oxid uhličitý povedie ku katastrofálnym zmenám klímy, aké sú opísané v knihe Billa McKibbena Nature's End.
S najväčšou pravdepodobnosťou dominoval v ranej atmosfére Zeme oxid uhličitý. Atmosférický CO2 je dnes len asi 0,03 percenta a najpesimistickejšie predpovede hovoria, že do roku 2100 sa zvýši na 0,09 percenta. Približne pred 4,5 miliardami rokov sa niektorí vedci domnievajú, že CO2 tvoril 80 percent zloženia zemskej atmosféry, pričom v priebehu nasledujúcich 2,5 miliardy rokov spočiatku pomaly klesal na 30 až 20 percent. Voľný kyslík v ranej atmosfére prakticky neexistoval a bol jedovatý pre anaeróbne formy života, ktoré v tom čase existovali.
Existencia človeka, ako dnes vieme, v podmienkach prebytku oxidu uhličitého v atmosfére bola jednoducho nemožná. Našťastie pre ľudí a zvieratá bola väčšina CO2 z atmosféry odstránená neskoro v histórii Zeme, keď si morskí obyvatelia, rané formy rias, vyvinuli schopnosť fotosyntézy. Počas fotosyntézy rastliny využívajú slnečnú energiu na premenu oxidu uhličitého a vody na cukor a kyslík. Nakoniec riasy a iné, pokročilejšie formy života, ktoré sa objavili v procese evolúcie (planktón, rastliny a stromy), odumreli, čím sa väčšina uhlíka izolovala v rôznych uhlíkových mineráloch (ropná bridlica, uhlie a ropa) v zemskej kôre. To, čo zostalo v atmosfére, je kyslík, ktorý teraz dýchame.
Oxid uhličitý sa do atmosféry dostáva z rôznych zdrojov – väčšina z nich je prirodzená. Množstvo CO2 však zvyčajne zostáva približne na rovnakej úrovni, pretože existujú mechanizmy, ktoré odstraňujú oxid uhličitý z atmosféry (obrázok 5 zobrazuje zjednodušený diagram cirkulácie CO2 v atmosfére).
Jedným z hlavných prirodzených mechanizmov cirkulácie CO2 je výmena plynov medzi atmosférou a povrchom oceánov. Táto výmena je veľmi jemný, dobre vyvážený proces spätnej väzby. Množstvo oxidu uhličitého v ňom obsiahnutého je skutočne obrovské. Vedci tieto množstvá pre pohodlie merajú v giga tonách (Ggt – miliardy metrických ton) uhlíka.
Oxid uhličitý sa ľahko rozpúšťa vo vode (proces, pri ktorom vzniká voda sýtená oxidom uhličitým). Ľahko sa tiež uvoľňuje z vody (v sýtenej vode to vidíme ako šumenie). Atmosférický oxid uhličitý sa nepretržite rozpúšťa vo vode na povrchu oceánov a uvoľňuje sa späť do atmosféry. Tento jav je takmer úplne vysvetlený fyzikálnymi a chemické procesy. Povrch svetových oceánov ročne uvoľní 90 Ggt uhlíka a absorbuje 92 Ggt uhlíka. Keď vedci porovnajú tieto dva procesy, ukáže sa, že povrch svetových oceánov je v skutočnosti zachytávačom oxidu uhličitého, to znamená, že absorbuje viac CO2, ako uvoľňuje späť do atmosféry.
Veľkosť tokov oxidu uhličitého v atmosfére/oceánskom cykle zostáva najdôležitejším faktorom, pretože malé zmeny v existujúcej rovnováhe môžu mať nepredvídateľné účinky na iné prírodné procesy.
Biologické procesy hrajú rovnako dôležitú úlohu pri cirkulácii oxidu uhličitého v atmosfére. CO2 je nevyhnutný pre fotosyntézu. Rastliny „dýchajú“ oxid uhličitý, pričom ročne absorbujú asi 102 Ggt uhlíka. Rastliny, zvieratá a iné organizmy však emitujú aj CO2. Jeden z dôvodov vzniku oxidu uhličitého sa vysvetľuje metabolickým procesom - dýchaním. Živé organizmy pri dýchaní spaľujú kyslík, ktorý dýchajú. Ľudia a iné suchozemské živočíchy napríklad vdychujú kyslík na udržanie života a vydychujú oxid uhličitý späť do atmosféry ako odpad. Podľa výpočtov všetky živé organizmy na Zemi ročne vydýchnu asi 50 Ggt uhlíka.
Keď rastliny a zvieratá uhynú, organické zlúčeniny uhlíka, ktoré sa v nich nachádzajú, sa začlenia do pôdy alebo bahna v močiaroch. Príroda kompostuje tieto produkty zvädnutého života ako záhradník, pričom ich rôznymi chemickými premenami a prácou mikroorganizmov rozkladá na jednotlivé časti. Podľa vedcov sa počas rozpadu dostane späť do atmosféry asi 50 Ggt uhlíka.
102 Ggt uhlíka ročne odobratého z atmosféry je teda takmer stopercentne vyvážené 102 Gg tonami uhlíka, ktoré sa ročne dostanú do atmosféry prostredníctvom dýchania a rozkladu zvierat a rastlín. Je potrebné si plne uvedomovať veľkosť tokov uhlíka v prírode, pretože malé odchýlky od existujúcej rovnováhy môžu mať ďalekosiahle následky.
V porovnaní s atmosféro-oceánskym cyklom a biologickým cyklom sa množstvo oxidu uhličitého uvoľneného do atmosféry v dôsledku ľudskej činnosti na prvý pohľad zdá zanedbateľné. Pri spaľovaní uhlia, ropy a zemného plynu človek uvoľní do atmosféry približne 5,7 Ggt uhlíka (podľa IPCC). Pri rúbaní a vypaľovaní lesov ľudia pridávajú ďalšie 2 Gg tony. Treba poznamenať, že existujú rôzne odhady množstva uhlíka uvoľneného do atmosféry v dôsledku odlesňovania.
Tieto množstvá nepochybne zohrávajú úlohu, pretože prirodzené cykly uhlíka (atmosféra/oceán a biologický cyklus) dlho boli vo vyváženej rovnováhe. Prinajmenšom sa zachovala rovnováha v časovom období, v ktorom prebiehal vznik a vývoj ľudstva. Zdá sa, že ľudské priemyselné a poľnohospodárske aktivity výrazne narušili uhlíkovú bilanciu.
Rôzne Vedecký výskum ukázali zvýšenie koncentrácie oxidu uhličitého v atmosfére za posledných niekoľko storočí. Počas tejto doby svetová populácia vzrástla o geometrický postup, v priemysle sa začal používať parný stroj, autá s motormi vnútorné spaľovanie rozšírili po celej planéte a migrujúci farmári vyčistili obrovské oblasti Ameriky, Austrálie a Ázie od vegetácie.
Počas toho istého času sa koncentrácie oxidu uhličitého v atmosfére zvýšili z 280 častíc na milión (ppmv) pred industrializáciou (1750) na približne 353 ppmv, čo je približne 25 percent. Toto množstvo by mohlo stačiť na to, aby spôsobilo významné zmeny, ak je klíma skutočne citlivá na skleníkové plyny do takej miery, ako to vedci naznačujú. Merania na observatóriu Manua Loa na Havaji, ďaleko od zdrojov priemyselného znečistenia, ukazujú stabilný nárast koncentrácií CO2 medzi rokmi 1958 a 1990 (obrázok 6). Za posledné dva roky však nebolo pozorované žiadne zvýšenie koncentrácií oxidu uhličitého.
Úzky vzťah medzi koncentráciami oxidu uhličitého a odhadovanými priemernými globálnymi teplotami je úžasný (obrázok 7)! Či je však táto korelácia náhodná, je stále záhadou. Je ľahké byť v pokušení pripisovať kolísanie teploty kolísaniu koncentrácie CO2. Ale vzťah môže byť aj opačný – zmena teploty môže spôsobiť zmenu koncentrácie oxidu uhličitého.
