Углеродный цикл и изменения климата

Углеродный цикл и изменения климата.

Реферат написал Артём Губанков

МГУ, ф-т почвоведения

Содержание.

Введение.

Взаимосвязь между энергопотреблением, экономической деятельностью и поступлением  в атмосферу.

Потребление энергии и выбросы углекислого газа.

Углерод в природе.

Основные химические соединения и реакции.

Изотопы углерода.

Углерод в атмосфере.

Атмосферный углекислый газ.

Содержание изотопа С в атмосферном углекислом газе.

Содержание изотопа С в атмосферном углекислом газе.

Перемешивание в атмосфере.

Газообмен в системе атмосфера - океан.

Скорость газообмена.

Буферные свойства карбонатной системы.

Углерод в морской воде.

Полное содержание углерода и щёлочность.

Фотосинтез, разложение и растворение органического вещества.

С в океане.

Донные осадки океана.

Процессы переноса в океане.

Углерод в континентальной биоте и в почвах.

Углерод в биоте и первичная продуктивность.

Углерод в почве.

Изменение содержания углерода в континентальных экосистемах.

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

Список литературы.

Человек и климат.

Влияние человека на климат начало проявляться несколько тысяч лет тому назад в связи с развитием земледелия. Во многих районах для обработки земли уничтожалась лесная растительность, что приводило к увеличению скорости ветра у земной поверхности, некоторому изменению режима температуры и влажности нижнего слоя воздуха, а также к изменению режима влажности почвы, испарения и речного стока. В сравнительно сухих областях уничтожение лесов часто сопровождается усилением пыльных бурь и разрушением почвенного покрова, заметно изменяющими природные условия на этих территориях.

Вместе с этим уничтожение лесов даже на обширных пространствах оказывает ограниченное влияние на метеорологические процессы большого масштаба. Уменьшение шероховатости земной поверхности и некоторое изменение испарения на освобождённых от лесов территориях несколько изменяет режим осадков, хотя такое изменение сравнительно невелико, если леса заменяются другими видами растительности.

Более существенное влияние на осадки может оказать полное уничтожение растительного покрова на некоторой территории, что неоднократно происходило в прошлом в результате хозяйственной деятельности человека. Такие случаи имели место после вырубки лесов в горных районах со слабо развитым почвенным покровом. В этих условиях эрозия быстро разрушает не защищённую лесом почву, в результате чего становится невозможным дальнейшее существование развитого растительного покрова. Похожее положение возникает в некоторых областях сухих степей, где естественный растительный покров, уничтоженный вследствие неограниченного выпаса сельскохозяйственных животных , не возобновляется, в связи с чем эти области превращаются в пустыни.

Поскольку земная поверхность без растительного покрова сильно нагревается солнечной радиацией, относительная влажность воздуха на ней падает, что повышает уровень конденсации и может уменьшать количество выпадающих осадков. Вероятно, именно этим можно объяснить случаи невозобновления естественной растительности в сухих районах после её уничтожения человеком.

Другой путь влияния деятельности человека на климат связан с применением искусственного орошения. В засушливых районах орошение используется в течение многих тысячелетий, начиная с эпохи древнейших цивилизаций, возникших в долине Нила и междуречье Тигра и Ефрата. 

Применение орошения резко изменяет микроклимат орошаемых полей. Из-за незначительного увеличения затраты тепла на испарение снижается температура земной поверхности, что приводит к понижению температуры и повышению относительной влажности нижнего слоя воздуха. Тем не менее такое изменение метеорологического режима быстро затухает за пределами орошаемых полей, поэтому орошение приводит только к изменениям местного климата и мало влияет на метеорологические процессы большого масштаба.

Другие виды деятельности человека в прошлом не оказывали заметного влияния на метеорологический режим сколько-нибудь обширных пространств, поэтому до недавнего времени климатические условия на нашей планете определялись в основном естественными факторами. Такое положение начало изменяться в середине ХХ века из-за быстрого роста численности населения и особенно из-за ускорения развития техники и энергетики.

Современные воздействия человека на климат можно разделить на две группы, из которой к первой относятся направленные воздействия на гидрометеорологический режим, а ко второй - воздействия, являющиеся побочными следствиями хозяйственной деятельности человека.

Данная работа ставит своей целью рассмотреть в первую очередь вторую группу воздействиий, и, в частности, влияние человека на углеродный цикл.

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

Взаимосвязь между энергопотреблением, экономической деятельностью и поступлением углекислого газа в атмосферу.

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. 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  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, 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  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 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 , 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 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 , 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  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.

Содержание изотопа С в  атмосферном углекислом газе.

Содержание изотопа  выражается отклонением () () отношения  от общепринятого стандарта. Первые измерения содержания изотопа  в атмосфере были проведены Килингом в 1956 году и повторены им же в 1978 году. Значение  для атмосферного  в 1956 году было равно 7, а в 1978 составляло -7,65. Недавно были опубликованы также данные измерений  в углекислом газе воздушных включений в ледниках. В среднем оценки уменьшения  в атмосферном  в течение последних 200 лет составляют 1,0-1,5. Наблюдаемые изменения содержания  вызваны главным образом поступлением  в атмосферу с меньшим значением  при вырубке лесов, изменении характера землепользования и сжигания ископаемого топлива.

Содержание изотопа С в атмосферном углекислом газе.

Количество изотопа  на Земле зависит от баланса между образованием  под воздействием космического излучения и его радиоактивным распадом. По-видимому, до начала сельскохозяйственной и промышленной революции распределение изотопа  в различных резервуарах углерода сохранялось примерно неизменным. До начала заметных изменений, вызванных выбросами  при испытаниях ядерного оружия, с начала прошлого века до середины текущего происходило уменьшение содержания . Оно было главным образом вызвано выбросом  за счёт сжигания ископаемого топлива, в котором не содержится радиоактивный изотоп . Это привело к уменьшению содержания  в атмосфере. Начиная с первых испытаний ядерного оружия в 1952 и 1954 годах наблюдались существенные изменения содержания  в атмосферном углекислом газе. Большое поступление  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  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 обмен между двумя полушариями осуществляется примерно за год. Поскольку в данной работе рассматриваются процессы, изменения которых происходят за время порядка нескольких лет, десятилетий и столетий, можно считать, что тропосфера в любой момент времени хорошо перемешана. Это предположение основано на том, что средние годовые значения концентрации  для высоких северных и высоких южных широт отличаются только на 1,5-2,0 млн. В северном полушарии концентрация  выше, чем в южном. Различие концентраций в северном и южном полушариях, вероятно, вызвано тем, что около 90% источников промышленных выбросов расположено в северном полушарии. За последние десятилетия эта разница увеличилась, поскольку потребление ископаемого топлива также возросло.

Обмен между стратосферой и тропосферой происходит значительно медленнее, чем в тропосфере, поэтому сезонные колебания концентрации атмосферного углекислого газа выше тропопаузы быстро уменьшаются. В стратосфере рост концентрации  значительно запаздывает по сравнению с её ростом в тропосфере. Так, согласно измерениям, концентрации  на высоте 36 км примерно на 7 млн меньше, чем на уровне тропопаузы (т.е. на высоте 15 км). Это соответствует времени перемешивания между стратосферой и тропосферой, равному 5-8 годам.

Газообмен в системе атмосфера - океан.

Скорость газообмена.

В стационарном состоянии, существовавшем в доиндустриальное время, более 90% содержащегося на Земле изотопа  находилось в морской воде и донных отложениях (содержание  в последних составляет всего несколько процентов). Существовал примерный баланс между переносом  из атмосферы в океан и радиоактивным распадом внутри океана. Средний глобальный обмен  между атмосферой и океаном можно определить путём измерения разности содержания  в углекислом газе атмосферы и растворённом  в поверхностном слое океана. Данные наблюдений за уменьшением концентрации  в атмосфере и её увеличением в поверхностных водах океана после проведения испытаний ядерного оружия дают ещё одну возможность определить скорость газообмена. Третий способ оценки скорости газообмена между атмосферой и океаном заключается в измерении отклонения от состояния равновесия между  и , обусловленного поступлением  из океана в атмосферу. Средняя скорость газообмена  между атмосферой и океаном при концентрации  в атмосфере 300 млн, полученная на основе этих трёх способов, равна 185 моль/(мгод). Это означает, что среднее время пребывания  в атмосфере равно 8,52 лет. Скорость газообмена на границе раздела между атмосферой и океаном зависит от состояния поверхности океана, от скорости ветра и волнения.

Буферные свойства карбонатной системы.

При растворении  в морской воде происходит реакция гидратации с образованием угольной кислоты , которая в свою очередь диссоциирует на ионы . Карбонатная система определяется суммарной концентрацией растворённого неорганического углерода (); полным содержанием боратов (В); щелочным резервом (А); кислотностью (pH); парциальным давлением расворённого углекислого газа , которое при условии равновесия с атмосферой равно парциальному давлению  в атмосфере. При поглощении  морской водой щёлочность остаётся неизменной, а образование и разложение органических и неорганических соединений приводит к изменению как , так и А. Карбонатная система имеет следующие основные особенности:

Растворимость  в морской воде и соответственно концентрация суммарного углерода, находящегося в равновесии с атмосферным  при заданном значении концентрации последнего, зависят от температуры.

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

Растворимость и буферный фактор увеличиваются при понижении температуры. Так как изменение парциального давления углекислого газа в направлении от полюса к экватору невелико, в среднем  переносится из атмосферы в океан в высоких широтах и в противоположном направлении в низких, хотя наблюдаются отклонения от этой упрощённой картины вследствие того, что в результате апвеллинга из глубинных слоёв океана к поверхности приносятся обогащённые углекислым газом воды. Буферный фактор имеет величину порядка 10 и увеличивается с ростом значений . Это означает, что  чувствительно к довольно малым изменениям  в воде. При сохранении равновесия в системе атмосфера - поверхностные воды океана изменение концентрации  в атмосфере примерно на 25% в течение последних 100 лет вызовет изменение содержания суммарного расворённого неорганического углерода в поверхностных водах только на 2-2,5%. Таким образом, способность океана поглощать избыточный атмосферный  в 10 раз меньше той, которую можно было бы ожидать исходя из сравнения размеров природных резервуаров углерода.

Углерод в морской воде.

Полное содержание углерода и щёлочность.

Как показали исследования, содержание суммарного неорганического углерода в океане в 1983 году более, чем в 50 раз превышало содержание  в атмосфере. Кроме того, в океане находятся значительные количества растворённого органического углерода. Вертикальное распределение  не является однородным, его концентрации в глубинных слоях океана выше, чем в поверхностных. Наблюдается также увеличение концентрации  от довольно низких значений в глубинных водах Северного Ледовитого океана к более высоким значениям в глубинных водах Атлантического океана, к ещё более высоким в Южном и Индийском океанах до максимальных В Тихом океане. Вертикальное распределение щёлочности очень похоже на распределение , однако пределы изменений щёлочности значительно меньше и составляют примерно 30% изменений . Интересно отметить, что поверхностные концентрации  были бы на примерно на 15% выше, если бы океаны были хорошо перемешаны, что в свою очередь означало бы, что концентрация  в атмосфере должна быть около 700 млн. Наличие вертикальных градиендов (так же как и щёлочности) в океанах оказывает существенное влияние на концентрации атмосферного .

Фотосинтез, разложение и растворение  органического вещества.

Деятельность морской биоты практически полностью ограничена поверхностными слоями океана, где происходит интенсивный фотосинтез в фотической зоне и бактериальное разложение, которое сосредоточено главным образом также в верхнем стометровом слое океана. По-видимому, только около 10% первичной продукции в виде мёртвой органики в основном в форме фекальных пеллет и остатков организмов достигает более глубоких слоёв океана, и, вероятно, около 1% этого вещества откладывается на океаническом дне. Полная первичная продуктивность океана составляет около г С/год, но скорость фотосинтеза на единицу площади значительно изменяется: от 0,5 г 

С/(мсутки) и более в зонах интенсивного апвеллинга до менее 10% этого значения в пустынных областях океана, которые характеризуются даунвеллингом и недостатком питательных веществ. Фотосинтез зависит от доступного количества питательных веществ. Везде, где достаточно света, питательные вещества расходуются быстро. Отсутствие азота и фосфора чаще всего лимитирует скорость образования первичной продукции. Однако в высоких широтах, особенно в Южном океане, наличие сравнительно больших концентраций как азота, так и фосфора в поверхностных водах указывает на то, что какой-то другой фактор (вероятно, освещённость) лимитирует первичную продуктивность.

В процессе образования первичной продукции, включающей как органические, так и неорганические соединения углерода, концентрация  уменьшается. Влияние этого процесса на щёлочность может быть различным. Каждый использованный при образовании органического вещества микромоль углерода увеличивает щёлочность примерно на 0,16 мкэкв, а когда углерод используется для образования , она уменьшается на 2 мкэкв. Таким образом, различия в пространственном распределении  и щёлочности содержат информацию об относительных значениях продукции и разложения или растворения органического и неорганического вещества в океане. Несомненно, что увеличение концентрации атмосферного  создаёт поток  из атмосферы в океан, который в свою очередь должен был изменить доиндустриальное распределение  в верхних слоях океана.

С в океане.

Распределение  в растворённом неорганическом углероде во всех океанах было получено в ходе экспедиций по программе GEOSECS в 1972-1978 годах. Оказалось, что максимальные значения концентрации  в поверхностных водах океана пришлись на начало 1970-х годов. Имеется также небольшое число данных (в основном для глубинных слоёв океана) о значениях концентрации  в растворённом органическом углероде. Они оказались очень низкими. Это даёт основание считать, что расворённый органический углерод в основном состоит из устойчивых соединений. Легко окисляемые вещества (такие, как сахара и белки) являются важным источником энергии.

Донные осадки океана.

Ежегодно около г С откладывается на дне океана, часть этих отложений представляет собой органический углерод, а другая часть - . Органический углерод является основным источником энергии для организмов, обитающих на дне моря, и только малая его часть захороняется в осадках, исключение составляют прибрежные зоны и шельфы. В некоторых ограниченных областях (например, в некоторых районах Балтийского моря) содержание кислорода в придонных водах может быть очень низким, соответственно уменьшается скорость окисления и значительные количества органического углерода захороняются в осадках. Области с бескислородными условиями увеличиваются вследствие загрязнения прибрежных вод, и в последние годы, вероятно, количество легко окисляемого органического вещества также увеличилось. Выше лизокнина океанические воды пересыщены по отношению к , уровень лизокнина в Атлантическом океане расположен на глубине 4000 м, а в Тихом - всего лишь на глубине 1000 м. Над лизокнином не происходит сколько-нибудь заметного растворения , в то время как на больших глубинах его растворение приводит к уменьшению выпадения в осадок, а ниже глубины карбонатной компенсации осаждения  не происходит совсем. Так как толщина верхнего осадочного слоя, в котором происходит перемешивание осадков организмами, живущими на дне океана (биотурбация), составляет примерно 10 см, значительное количество углерода ( г) в форме  медленно обменивается с неорганическим углеродом морской воды, главным образом на глубине лизокнина.

Содержание изотопа  в океанических осадках довольно быстро убывает с глубиной, что даёт возможность определить скорость осадконакопления (она значительно изменялась со времени последнего оледенения). Тем не менее полное содержание  в осадках мало по сравнению с его содержанием в атмосфере, биосфере и океанах.

Процессы переноса в океанах.

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

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

Между углекислым газом в атмосфере и растворённым неорганическим углеродом в поверхностных слоях морской воды равновесие устанавливается примерно в течение года (если пренебречь сезонными изменениями). Растворённый неорганический углерод переносится вместе с водными массами из поверхностных вод в глубинные слои океана. При движении водной массы его содержание обычно возрастает за счёт поступления углекислого газа при разложении и растворении детрита, опускающегося из поверхностного слоя океана. Возникающее в результате увеличение содержания суммарного растворённого неорганического углерода можно вычислить, принимая во внимание сопутствующий рост содержания питательных веществ и щёлочности. Однако, таким способом нельзя достаточно точно определить значения концентрации  для времени, когда происходило образование глубинных вод. Как было отмечено ранее, стационарное распределение  в океанах обеспечивает примерный баланс между переносом, направленным в глубину (поток детрита), и переносом, направленным к поверхности (перемешивание и апвеллинг из глубоких слоёв с большими концентрациями ). При поглощении антропогенного  океаном поток растворённого неорганического углерода из глубинных слоёв к поверхностным уменьшается из-за повышения концентрации  в поверхностных слоях океана, но при этом направленный вниз поток детрита остаётся неизменным. Справедливость этого предположения подтверждает тот факт, что первичная продуктивность в поверхностном слое океана обычно лимитируется наличием питательных веществ. Однако питательные вещества не являются лимитирующим фактором для продуктивности в основных зонах апвеллинга, расположенных в южной части Антарктического циркумполярного течения в широтном поясе 55-60 ю.ш. Это обстоятельство указыавет на то, что имеются другие факторы, лимитирующие рост фитопланктона в таких широтах: например, приходящая радиация, определяющая распространение границ морского льда в северные широты весной и ранним летом южном полушарии. При других климатических режимах факторы, лимитирующие продуктивность, могут быть совершенно иными. Соответственно может изменяться и глобальный углеродный цикл.

Авторы статьи, использованной в качестве основы для написания данной работы, проанализировали некоторые из этих возможных факторов и показали, что при определённых условиях в поверхностных слоях океана могут наблюдаться более низкие значения концентраций растворённого неорганического углерода по сравнению с современными, соответственно концентрации атмосферного  будут также другими. Эту углеродного цикла в океане можно отметить как возможный механизм увеличения направленного вниз потока углерода в случае, если бы потепление в высоких широтах вызвало уменьшение площади морского ледяного покрова. Это механизм отрицательной обратной связи между углеродным циклом и климатической системой, т.е. повышение температуры в атмосфере должно привести к увеличению поглощения  океаном и уменьшению скорости роста  в атмосфере.

При оценках возможных значений концентраций атмосферного  в будущем обычно считают, что общая циркуляция океанов не будет изменятся. Однако несомненно, что в прошлом она менялась. Если потепление, вызванное ростом концентрации  в атмосфере, будет значительным, то, вероятно, произойдёт какое-то изменение циркуляции океана. В частности, может уменьшиться интенсивность образования холодных глубинных вод, что в свою очередь может привести к уменьшению поглощения антропогенного  океаном.

Изменение круговорота углерода могло бы произойти также при увеличении суммарного количества питательных веществ в океане. Если наличие питательных веществ в поверхностных слоях по-прежнему будет основным фактором, лимитирующим фотосинтез, их концентрации в этих слоях должны быть очень низкими. Следовательно, должен увеличится вертикальный градиент концентрации питательных веществ между обеднёнными этими веществами поверхностными водами и глубинными слоями. В этом случае за счёт вертикального перемешивания в океане в поверхностные слои будет переноситься больше питательных веществ, что приведёт к росту интенсивности фотосинтеза, и, следовательно, увеличению потока детрита в глубинные слои океана. Вертикальный градиент концентрации  также возрастёт, а поверхностные значения  и парциальное давление  при этом уменьшатся.

Брокер проанализировал возможные механизмы, которые могли бы играть существенную роль при переходе от ледниковья к межледниковью, особенно подчеркнув роль фосфатов. Действие этих механизмов могло бы объяснить довольно низкие концентрации углекислого газа в атмосфере, которые имели место в конце ледниковой эпохи, и высокие концентрации  в атмосфере в более тёплый период времени. Показано, что сложные вторичные механизмы могут вносить свой вклад в возможные изменения концентрации атмосферного  в течение ближайших 100 лет, помимо непосредственного воздействия антропогенных выбросов .

Как углерод, так и фосфор поступают в океан с речным стоком. Поток углерода составляет около г С/год но может увеличится из-за интенсификации сельскохозяйственной деятельности и лесопользования. Поскольку циклы углерода и фосфора взаимосвязаны, полезно оценить рост потребления фосфора в качестве удобрений в сельском хозяйстве и промышленности. Годовая добыча фосфора в 1972 году составляла  г. И в дальнейшем значительно возросла. В водные системы (озёра, реки, моря) поступает не более 50% фосфора, а возможно, и значительно меньше, так как часть фосфора, использованного в качестве удобрений на полях и в лесах, остаётся в почвах.

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

Углерод в континентальной биоте и в почвах.

Углерод в биоте и первичная продуктивность.

В течение последних 20 лет были предприняты многочисленные попытки определения запасов углерода в континентальной растительности и характеристик его годового круговорота: общей первичной продуктивности, дыхания и образования детрита. Оценка, характеризующая состояние континентальной биомассы на 1950 год без учёта сухостоя, равна  г С. В более поздних работах, основанных на большем количестве данных, указывается, что эта оценка содержания углерода в живом веществе биомассы скорее всего завышена. В двух исследованиях, выполненных Дювинье и др., а также Олсоном и др., более подробно рассматривается неоднородность существующих биомов, особенно в тропических регионах. Согласно этим двум исследованиям, содержание углерода в резервуаре живой континентальной фитомассы на 1970 год было равно  г С. Однако различные оценки продуктивности трудно сравнивать из-за различия использованных систем классификации. Сейчас становится ясным, что содержание углерода во вторичных лесах значительно меньше, чем в девственных тропических лесах, а площадь, занимаемая первыми, больше, чем считалась ранее. Многие площади, которые ранее предполагались полностью занятыми сомкнутыми лесами, сейчас оказались занятыми частично сомкнутыми лесами.

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

Углерод в почве.

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

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 С 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 быт 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.

Основные неопределённости прогнозов концентрации  в атмосфере вызваны недостаточным знанием роли следующих факторов:

скорости водообмена между поверхностными, промежуточными и глубинными слоями океана;

чувствительности морской первичной продукции к изменениям содержания питательных веществ в поверхностных водах;

захоронения органического вещества в осадках в прибрежных районах (и озёрах);

изменение щёлочности, и, следовательно, буферного фактора морской воды, вызванных ростом содержания растворённого неорганического углерода;

увеличения интенсивности фотосинтеза и роста биомассы и почвенного органического вещества в континентальных экосистемах за счёт роста концентрации  в атмосфере и возможного отложения питательных веществ, поступающих из антропогенных источников;

увеличения скорости разложения органического вещества почв, особенно в процессе эксплуатации лесов;

образования древесного угля в процессе горения биомассы.

Величина ожидаемого изменения средней глобальной температуры при удвоении концентрации  приблизительно соответствует величине её изменения при переходе от последнего ледникового периода к современному межледниковью. Более умеренное потребление ископаемого топлива в течение ближайших десятилетий могло бы продлить возможность его использования на более отдалённую перспективу. В этом случае концентрация  в атмосфере не достигнет удвоенного значения по сравнению с доиндустриальным уровнем.

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

Список литературы.

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

М. И. Будыко. Климат и жизнь. / Ленинград, Гидрометеоиздат - 1971.

М. И. Будыко. Изменения климата. / Ленинград, Гидрометеоиздат - 1974.