Углеродный цикл и изменения климата
дачи 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 [pic].
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. Так, было
рассчитано, что если бы США перешли бы при производстве товаров широкого
потребления и в сфере услуг на наименее энергоёмкие из уже имеющихся
технологий при том же объёме производства, то количество поступающего в
атмосферу [pic] уменьшилось бы на 25%. Результирующее уменьшение выбросов
[pic] 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 [pic] 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, гидросфера с морской биотой и литосфера. 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 [pic] и [pic]. Более 99% углерода в атмосфере
содержится в виде углекислого газа. Около 97% углерода в океанах существует
в растворённой форме ([pic]), а в литосфере - в виде минералов. Примером
состояния окисления +II является малая газовая составляющая атмосферы
[pic], которая довольно быстро окисляется до [pic].Элементарный угрерод
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 [pic],
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 [pic]. Исключением
является метан, поскольку он также влияет на парниковый эффект. В океанах
содержится значительное количество растворённых соединений органического
углерода, процессы окисления которых до [pic] известны ещё недостаточно
хорошо.
Изотопы углерода.
В природе известно семь изотопов углерода, из которых существенную
роль играют три. Два из них - [pic] и [pic] - являются стабильными, а один
- [pic] - радиоактивным с периодом полураспала 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 [pic], 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.
Атмосферный углекислый газ.
Тщательные измерения содержания атмосферного [pic] были начаты в 1957
году Киллингом в обсерватории Мауна-Лоа. Регулярные измерения содержания
атмосферного [pic] проводятся также на ряде других станций. Из анализа
наблюдений можно заключить, что годовой ход концентрации [pic] 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 [pic] в морской воде.
Третьим, и , вероятно, наименее важным фактором является годовой ход
интенсивности фотосинтеза в океане. Среднее за каждый данный год содержание
[pic] в атмосфере несколько выше в северном полушарии, поскольку источники
антропогенного поступления [pic] расположены преимущественно в северном
полушарии. Кроме того, наблюдаются небольшие межгодовые изменения
содержания [pic], которые, вероятно, определяются особенностями общей
циркуляции атмосферы. Из имеющихся данных по изменению концентрации [pic] в
атмосфере основное значение имеют данные о наблюдаемом в течение последних
25 лет регулярном росте содержания атмосферного [pic]. 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 [pic] для 50-х годов
хорошо согласуются с данными обсерватории Мауна-Лоа. Концентрация [pic] в
течение 1750-1800 годов оказалась близкой к значению 280 млн[pic], после
чего она стала медленно расти и к 1984 году составляла 343[pic]1 млн[pic].
Содержание изотопа [pic]С в
атмосферном углекислом газе.
Содержание изотопа [pic] выражается отклонением ([pic]) ([pic])
отношения [pic] от общепринятого стандарта. Первые измерения содержания
изотопа [pic] в атмосфере были проведены Килингом в 1956 году и повторены
им же в 1978 году. Значение [pic] для атмосферного [pic] в 1956 году было
равно 7[pic], а в 1978 составляло -7,65[pic]. Недавно были опубликованы
также данные измерений [pic] в углекислом газе воздушных включений в
ледниках. В среднем оценки уменьшения [pic] в атмосферном [pic] в течение
последних 200 лет составляют 1,0-1,5[pic]. Наблюдаемые изменения содержания
[pic] вызваны главным образом поступлением [pic] в атмосферу с меньшим
значением [pic] при вырубке лесов, изменении характера землепользования и
сжигания ископаемого топлива.
Содержание изотопа [pic]С в атмосферном
углекислом газе.
Количество изотопа [pic] на Земле зависит от баланса между
образованием [pic] под воздействием космического излучения и его
радиоактивным распадом. По-видимому, до начала сельскохозяйственной и
промышленной революции распределение изотопа [pic] в различных резервуарах
углерода сохранялось примерно неизменным. До начала заметных изменений,
вызванных выбросами [pic] при испытаниях ядерного оружия, с начала прошлого
века до середины текущего происходило уменьшение содержания [pic]. Оно было
главным образом вызвано выбросом [pic] за счёт сжигания ископаемого
топлива, в котором не содержится радиоактивный изотоп [pic]. Это привело к
уменьшению содержания [pic] в атмосфере. Начиная с первых испытаний
ядерного оружия в 1952 и 1954 годах наблюдались существенные изменения
содержания [pic] в атмосферном углекислом газе. Большое поступление [pic] в
атмосферу произошло в результате ядерных испытаний, проведённых США в Тихом
океане в 1958 году и СССР в 1961-1962 годах. После этого выбросы были
заметно ограничены. Первоначально большая часть радиоактивных продуктов
переносилась в стратосферу. Поскольку время обмена между стратосферой и
атмосферой составляет несколько лет, то уменьшение концентрации изотопа
[pic] в тропосфере, обусловленное взаимодействием с континентальной биотой
и океанами, начиная с 1965 года происходило более медленно за счёт
поступления этого изотопа из стратосферы.
Перемешивание в атмосфере.
Перемешивание воздуха в тропосфере происходит довольно быстро.
Пассаты в средних широтах в обоих полушариях огибают Землю в среднем
примерно за один месяц, вертикальное перемещение между земной поверхностью
и тропопаузой (на высоте 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
| |  скачать работу |
Углеродный цикл и изменения климата |
