Углеродный цикл и изменения климата
год со-держание [pic] в атмосфере
несколько выше в северном полушарии, поскольку источники поступления [pic]
в атмосферу расположены преимущественно в северном полушарии. Кроме того,
наблюдаются небольшие меж-годовые изменения содержания [pic], которые, ве-
роятно, определяются особенностями общей цирку-ляции атмосферы. Из
имеющихся данных по изменению концентрации [pic] в атмосфере основное
значение,к сожалению, имеют данные о наблюдаемом в течение последних 25 лет
регулярном росте содержания атмо-сферного [pic]. Более ранние измерения
содержания атмосферного углекислого газа (начиная с середины прошлого века)
были, как правило, недостаточно полны,так как образцы воздуха отбирались
без не-обходимой 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.Итак, 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 опубли-кованы
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]. Наб-людаемые изменения
содержания [pic] вызваны главным образом поступлением [pic] в атмосферу с
меньшим значением [pic] при вырубке лесов, изменении харак-тера
землепользования и сжигания ископаемого топ-лива.
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 распа-дом. По-видимому, до начала сельскохозяйственной и
промышленной революции распределение изотопа [pic] в различных резервуарах
углерода сохранялось примерно неизменным. До начала заметных измене-ний,
вызванных выбросами [pic] при испытаниях ядер-ного 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 в со-держании [pic] в атмосферном углекислом газе. Боль-шое
поступление [pic] в атмосферу произошло в ре-зультате ядерных испытаний,
проведённых США в Тихом океане в 1958 году и СССР в 1961-1962 годах. После
этого выбросы были заметно огра-ничены. Первоначально большая часть
радиоактивных продуктов переносилась в стратосферу. Поскольку время обмена
между стратосферой и атмосферой сос-тавляет несколько лет, то уменьшение
концент-рации изотопа [pic] в тропосфере, обусловленное вза-имодействием 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 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 [pic] для высоких северных и высоких южных
широт отли-чаются только на 1,5-2,0 млн[pic].Очевидно, что в северном
полушарии концентрация [pic] 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 [pic] значительно запаздывает по сравнению с
её ростом в тропосфере. Так, согласно измерениям, концент-рации [pic] на
высоте 36 км примерно на 7 млн[pic] 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 [pic] находилось в морской воде и
донных отложениях (содержание [pic] в последних сос-тавляет всего несколько
процентов). Существовал примерный баланс между переносом [pic] из атмосферы
в океан и радиоактивным распадом внутри океана. Средний глобальный обмен
[pic] между атмосферой и океаном можно определить путём измерения разности
содержания [pic] в углекислом газе атмосферы и растворённом [pic] в
поверхностном слое океана. Данные наблюдений за уменьшением концентрации
[pic] 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 [pic] и [pic], обусловленного поступлением [pic] из океана
в атмосферу. Средняя скорость газообмена [pic] между атмосферой и океаном
при концентрации [pic] в атмосфере 300 млн[pic], по-лученная на основе этих
трёх способов, равна 18[pic]5 моль/(м[pic]год). Это означает, что среднее
время пребывания [pic] в атмосфере равно 8,5[pic]2 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 [pic] в морской воде проис-ходит реакция гидратации с
образованием угольной кислоты [pic], которая в свою очередь диссоциирует на
ионы [pic]. Карбонатная система опреде-ляется суммарной концентрацией
растворённого неорганического углерода ([pic]), кислотностью (pH);
парциальным давлением расворённого углекислого газа [pic], которое при
условии равновесия с атмо-сферой равно парциальному давлению [pic] в атмо-
сфере. При поглощении [pic] морской водой щё-лочность остаётся неизменной,
а образование и разложение органических и неорганических соединений
приводит к изменению как [pic]. Карбо-натная система имеет следующие
основные особенности:
1. Растворимость [pic] в морской воде и соот-ветственно концентрация
суммарного углерода, находящегося в равновесии с атмосферным [pic] при
заданном значении концентрации послед-него, зависят от температуры.
2. Обмен [pic] 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 [pic] 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 [pic].
Это означает, что [pic] чувствительно к довольно малым изменениям [pic] в
воде. При сохранении равновесия в системе ат-мосфера - поверхностные воды
океана изменение концентрации [pic] 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 [pic] 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
[pic] в атмосфере. Кроме того, в океане находятся зна-чительные количества
растворённого органического углерода. Вертикальное распредел
| |  скачать работу |
Углеродный цикл и изменения климата |
